郭無極，袁俊杰

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

0 引言

廣西是我國甘蔗主要種植地區(qū)之一。廣西位于沿海地區(qū)，臺風、季風高發(fā)，甘蔗的倒伏和彎曲現(xiàn)象嚴重[1]。近年來，針對甘蔗倒伏動力學的研究一直在進行。在研究的過程中，由于甘蔗田間條件簡陋、臺風來臨時氣候條件惡劣、臺風登陸周期不確定以及臺風作用時間短暫等一些列條件的束縛與限制，使得甘蔗受風倒伏的實驗難以進行。對于甘蔗倒伏的動力學機理研究也大多處于數(shù)值模擬階段，研究所得規(guī)律亦難以通過實地實驗得以驗證。本文擬采用風機陣的方法對甘蔗田間的風速進行模擬，為甘蔗倒伏的動力學機理研究提供試驗平臺。

通過風機陣模擬風場的方法在海洋工程結構抗風能力檢測中有較為廣泛的應用[2，3]，伯明翰大學也將其引入了小麥的抗風倒伏研究中[4]。本文將首先利用流體仿真軟件CFX對單風機風場進行模擬，再通過物理試驗的方法對仿真結果進行驗證，最后通過兩種不同排布的風機陣對邊界層風速進行模擬并進行對比分析。

1 單風機建模與風場仿真

1.1 風機的幾何模型

本文擬選用CTF-50型防油防潮軸流式通風機進行研究。其額定功率為1100W，額定電壓為220 V，頻率50 Hz，額定轉速1 450 rpm.對風機進行拆分測量，經由CREO軟件進行幾何建模。如圖1所示，（a）為風機實體，（b）為 CREO 所建幾何模型，（c）葉輪實體，（d）為簡化后的葉輪幾何模型。

圖1 軸流風機幾何模型

1.2 單風機風場的仿真

首先通過ICEM CFD對模型進行網格劃分，將軸流風機劃分為包含葉輪在內的旋轉域，與非旋轉域兩個部分，但在數(shù)值模擬不能僅模擬這兩個區(qū)域，因為此部分的進風口和出風口的流動是很不穩(wěn)定的，這樣就很難給定進出口邊界條件，而一個準確的邊界條件對計算結果有著重要的影響。為了準確給定邊界條件，在進風口和出風口分別加一段計算域[5]。因而網格共包含擴充進風域、旋轉域、非旋轉域、擴充出風域共4個部分。旋轉域網格及總體計算域網格如圖2所示。

圖2 計算域網格

將模型導入CFX進行穩(wěn)態(tài)計算。對旋轉域采用動參考系模型（Moving Reference Frame），即把旋轉域的參考系設為轉動坐標。但此處的轉動并不是物理位置上的轉動，此時求解的僅僅是轉動的某一瞬間的情況，這樣就把一個非穩(wěn)態(tài)的問題轉化為一個穩(wěn)態(tài)問題來求解，從而減少計算量。設置擴充進風域的入口為壓力入口，擴充出風域為open邊界，地面為wall邊界，選用SST湍流模型，旋轉域轉速設為1 450 rpm進行計算。使用tecplot對仿真數(shù)據處理得到軸向垂直切面上Z方向速度云面如圖3所示。

圖3 Z方向速度云面

截取取距離軸流風機出風口3 m位置，做Z方向速度等速線圖，如圖4所示。

圖4 測風面風速云圖

2 單風機仿真模型驗證

對軸流風機實際工作狀態(tài)下的流場風速進行測量。測量儀器包括：數(shù)字測風儀5個（深圳市聚茂源科技有限公司GM8902）以及一個自制鋼制測風架（由底座和豎直桿組成，在豎直桿下方往上每間隔20 cm放置一個測風儀，共放置5個測風儀，并調節(jié)中間的測風儀至風機軸線位于同一高度）。測風架的測量位置選擇在平行于風口所在平面且距離平面1 m、2 m、3 m的三條直線上，每條直線以軸流風機軸線位置為中點，分別向左右各取距離中點0.2 m、0.4 m的兩點，這樣每個平面可以測量25點的風速（如圖5所示）。

（接上圖）

圖5 風速測量方法

在風機正常工作狀態(tài)下，每個測風點以1 Hz的頻率測量風速1 min，取60個風速值的均值作為該點風速的參考值。

將仿真結果中3個平面的測風點速度導出，與實際測量值進行比對，并計算誤差。表1為距離出風口3 m的平面中Z方向測風點實際風速與仿真所得風速。

表1 3m處Z方向風速

對比可知仿真所得風速與實際風速非常接近，考慮到風機制造誤差和試驗過程中電壓不穩(wěn)等因素的影響，數(shù)值模擬值與實測值之間產生一定誤差在所難免。計算得平均誤差為9.83%＜10%，此模型可用。

3 兩種不同排布的風機陣模擬邊界層風速

本文旨在探究模擬臺風來臨時甘蔗田間的風速的方法。蔗田多位于鄉(xiāng)村開闊地面以及低層建筑稀少的地區(qū)，蔗田高度約在2.5 m～3 m之間，位于大氣邊界層底層，其風速隨高度的變化曲線一般可用指數(shù)函數(shù)表示，2016年廣西大學黃深闖等人通過對甘蔗田間風速的實地測量證實了這一點[6]。邊界層風速隨距離地面高度的增加而增大，可以通過指數(shù)率表示為：

其中zb與為標準參考高度及標準參考高度處的平均風速；z與為任意高度及任意高度處平均風速；α為地面粗糙指數(shù)，在田野、叢林中取為0.15.

參考文獻[2-4，7]可知，目前常見的風機陣風機的排布大致可分為平行排布與交叉排布兩種。風場需覆蓋單根甘蔗，即水平寬度應大于1.5 m，豎直高度應大于2.5 m.設計兩種排布方式如圖6所示。

圖6 風機陣風機排布

針對上述兩種方案進行建模仿真，得到3 m處風速如圖7所示。由圖可知，平行排布風機陣在3 m處所得最大風速為6.32 m/s，有效風場寬2 m，高3 m；交錯排布風機陣在3 m處所得最大風速為6.42 m/s，有效風場寬1.8 m，高2.8 m.兩周排布的有效風場面積均能覆蓋一根甘蔗，平行排布較交錯排布有效風場面積略大。

圖7 風速云圖

兩種風機陣排布所得風場伴隨高度增加速度均呈現(xiàn)出明顯梯度，取3 m處X=0直線上風速與指數(shù)率對應風速進行比較如圖8所示。兩種排布在轉速為1 450 rpm時均能較好的模擬4級風的近地面風場。通過改變轉速應能模擬其他風力等級的近地面風場。

圖8 風速曲線

相較平行排布風機陣，交錯排布在同樣滿足要求的前提下可以少使用兩個風機，能夠較好的節(jié)約成本。

4 結論

本文首先基于CFX軟件研究了單個軸流風機風場的模擬方法，并通過物理試驗對該方法進行了驗證。再使用此種方法對兩種不同排布方式的風機陣進行了仿真。分析對比可知，這兩種方法都可以較好的模擬出近地面滿足指數(shù)率的風場，比較而言交錯排布更為節(jié)能環(huán)保。