孔詩(shī)媛 劉昕 邊澤強(qiáng) 孫文博 王旭 陸華

(1 吉林省氣象探測(cè)保障中心，長(zhǎng)春 130062； 2 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081； 3 江蘇省昆山三維換熱器有限公司，昆山 215300)

引言

我國(guó)是海陸兼?zhèn)涞膰?guó)家，海洋是我國(guó)國(guó)土空間的重要組成部分，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間[1]。中國(guó)氣象局在海洋沿岸和海島建設(shè)的強(qiáng)風(fēng)觀測(cè)站均采用測(cè)量范圍為0～90 m/s的螺旋槳式強(qiáng)風(fēng)計(jì)作為觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行海洋觀測(cè)，但目前氣象部門測(cè)量范圍最大的風(fēng)洞為0～70 m/s，為保證螺旋槳式強(qiáng)風(fēng)計(jì)全量程范圍的數(shù)值準(zhǔn)確度，研發(fā)一套風(fēng)速上限為90 m/s的氣象低速風(fēng)洞，保證海洋觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性和完整性，為海洋氣象綜合觀測(cè)體系提供有力支撐。

風(fēng)洞設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)部分。風(fēng)速上限的擴(kuò)大涉及整體風(fēng)洞氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，動(dòng)力部分的提升為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)速儀器靜態(tài)測(cè)試研究、動(dòng)態(tài)特性研究以及阻塞系數(shù)修正研究都具有深遠(yuǎn)意義。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)洞總體尺寸為26 m×10 m×4.2 m(長(zhǎng)×寬×高)?；芈凤L(fēng)洞的氣流均勻性和穩(wěn)定性優(yōu)于直路風(fēng)洞，空間占用情況相對(duì)較小。考慮到超聲波測(cè)風(fēng)儀、螺旋槳式強(qiáng)風(fēng)計(jì)等新型測(cè)風(fēng)傳感器的計(jì)量檢定問(wèn)題，該風(fēng)洞采用移動(dòng)導(dǎo)軌加電控開(kāi)關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段的開(kāi)(閉)功能。風(fēng)洞的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括試驗(yàn)段、動(dòng)力段、擴(kuò)散段、拐角段、穩(wěn)定段、收縮段等。

圖1 90 m/s風(fēng)洞總體結(jié)構(gòu)(1試驗(yàn)段,2第1擴(kuò)散段,3第1拐角段,4第2擴(kuò)散段,5第2拐角段,6動(dòng)力段,7第3擴(kuò)散段,8第3拐角段,9等直段,10第4拐角段,11穩(wěn)定段,12第1收縮段,13第2收縮段,14收集器)

1.1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

1.1.1 閉口試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮滿足螺旋槳式強(qiáng)風(fēng)計(jì)的相關(guān)計(jì)量工作。螺旋槳式強(qiáng)風(fēng)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)速傳感器尺寸要大，根據(jù)測(cè)試要求：被測(cè)儀器截面積與試驗(yàn)段截面積的占比要小于5%，結(jié)合試驗(yàn)中可能遇到的綜合情況，取試驗(yàn)段截面尺寸為1.2 m×1.2 m(高×寬)。

根據(jù)非圓管的特征長(zhǎng)度(即“水力直徑”)確定風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)度，水力直徑的計(jì)算公式如式(1)所示：

D0=2[D1D2/(D1+D2)]

(1)

式中：D0為水力直徑，單位:m；D1為試驗(yàn)段高度，單位:m；D2為試驗(yàn)段寬度，單位:m。取D1=1.2 m，D2=1.2 m得D0=1.2 m。

1.1.2 開(kāi)口試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

為避免閉口試驗(yàn)段洞壁對(duì)被檢設(shè)備的干擾，超聲風(fēng)測(cè)風(fēng)儀等傳感器的計(jì)量工作在開(kāi)口環(huán)境下進(jìn)行。由于開(kāi)口回路風(fēng)洞的擴(kuò)散段處在不穩(wěn)定擾動(dòng)試驗(yàn)段氣流的直接作用區(qū)中，洞體結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈的激振力作用，不可避免的產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)或共振。本風(fēng)洞采取在擴(kuò)散段前加裝收集器(如圖1中14所示)的方式來(lái)減弱震動(dòng)的影響。根據(jù)自由射流角度設(shè)計(jì)相應(yīng)的角度接應(yīng)來(lái)流，并在收集器裝置上開(kāi)減振平衡孔，通過(guò)減振孔可對(duì)作用在擴(kuò)散段內(nèi)、外壁的脈動(dòng)壓差起到緩沖平衡作用，從而削弱自由射流旋渦撞擊洞體封閉部分所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

噴口收縮段的設(shè)計(jì)根據(jù)CARDC(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心)φ3.2 m開(kāi)口試驗(yàn)段低速風(fēng)洞的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)口風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)在噴口前段增加一個(gè)收縮段(如圖1中13所示)，二次收縮后開(kāi)口試驗(yàn)段截面取整為1 m×1 m，單面擴(kuò)散角定為3.22°。

1.2 擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

擴(kuò)散段的設(shè)計(jì)任務(wù)是保證氣流在通過(guò)擴(kuò)散段時(shí)不產(chǎn)生分離，否則對(duì)擴(kuò)散段性能本身以及位于擴(kuò)散段下游的各段性能均會(huì)造成不良的影響。影響氣流擴(kuò)散最主要的因素是擴(kuò)散角，風(fēng)洞最佳擴(kuò)散角由擴(kuò)散段阻力系數(shù)來(lái)決定。本風(fēng)洞第1擴(kuò)散段的擴(kuò)散角設(shè)計(jì)為3°,長(zhǎng)度為9200 mm；第2擴(kuò)散段的擴(kuò)散角為4°，長(zhǎng)度為4000 mm；第3擴(kuò)散段的擴(kuò)散角為5°，長(zhǎng)度為9017 mm。采用該設(shè)計(jì)時(shí)氣流的總壓損失因數(shù)最小，可以更好地將氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。

1.3 拐角段設(shè)計(jì)

氣流經(jīng)過(guò)拐角時(shí)在拐角處的外壁和拐角后的內(nèi)壁容易產(chǎn)生分離和出現(xiàn)對(duì)流現(xiàn)象，從而造成流動(dòng)不均勻或產(chǎn)生脈動(dòng)[3-4]，因此需要在拐角處設(shè)置弧形導(dǎo)流片。本風(fēng)洞的弧形導(dǎo)流片系數(shù)為0.138，該導(dǎo)流片對(duì)來(lái)流的適應(yīng)性較強(qiáng)，能較好地處理氣流彎折，對(duì)調(diào)整試驗(yàn)段中上偏氣流和橫向氣流分布方面有著顯著的效果。本風(fēng)洞各拐角段導(dǎo)流片具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：第1拐角段：15片，間距為145.98 mm；第2拐角段：15片，間距為173.79 mm；第3拐角段：15片，間距為278.65 mm；第4拐角段：15片，間距為278.65 mm。

1.4 穩(wěn)定段設(shè)計(jì)

1.4.1 穩(wěn)定段直徑

穩(wěn)定段位于收縮段前端，根據(jù)國(guó)內(nèi)外常規(guī)回路風(fēng)洞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，收縮比通常設(shè)定在C=7～10。穩(wěn)定段內(nèi)還需設(shè)置蜂窩器、阻尼網(wǎng)等必要的整流裝置[5-6]來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速均勻性和穩(wěn)定性的最優(yōu)化。風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段的截面尺寸為1200 mm×1200 mm，取定值收縮比7.1，可得該風(fēng)洞的穩(wěn)定段直徑為3200 mm×3200 mm。

1.4.2 蜂窩器

風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)的蜂窩器，其主要作用是導(dǎo)向和分割氣流大漩渦，有利于加快旋渦的衰減，并在一定程度上降低氣流的湍流度[7]。研究表明，氣流在通過(guò)六角形蜂窩器后，氣流湍流度特別是橫向分量的湍流度隨下游距離的增加衰減十分明顯。因此本設(shè)計(jì)選用的對(duì)邊距為20 mm、長(zhǎng)細(xì)比為12的正六角形截面的蜂窩器，實(shí)現(xiàn)氣流湍流度的充分衰減。

1.4.3 阻尼網(wǎng)

為進(jìn)一步減小穩(wěn)定段氣流的湍流強(qiáng)度，以及均衡氣流中不同風(fēng)速的偏差，于蜂窩器的下游設(shè)計(jì)安裝了雙層阻尼網(wǎng)，阻尼網(wǎng)間距為500 mm，粗細(xì)為18目/英寸(1英寸=2.54 cm)。

1.4.4 靜流段設(shè)計(jì)

為保證風(fēng)洞內(nèi)的氣流充分均勻和穩(wěn)定，并使氣流的湍流度進(jìn)一步充分的衰減，在阻尼網(wǎng)后設(shè)計(jì)一段靜流段是必要的。通常靜流段長(zhǎng)度約為穩(wěn)定段直徑的0.3～0.5倍，本風(fēng)洞穩(wěn)定段直徑3200 mm，取0.3倍穩(wěn)定段直徑計(jì)算靜流段長(zhǎng)度取整為1000 mm。

1.5 收縮段設(shè)計(jì)

1.5.1 收縮段長(zhǎng)度

收縮段的主要作用是均勻加速氣流，使其達(dá)到試驗(yàn)段需要的流速。在設(shè)計(jì)收縮段時(shí)，通?？紤]以下3個(gè)方面：①氣流在沿收縮段加速時(shí)，洞壁上不出現(xiàn)分離。②收縮段出口截面的氣流均勻、平行和穩(wěn)定。③收縮段不宜過(guò)長(zhǎng)[8-9]。

在保證收縮段性能的前提下，通常規(guī)定L=(0.5～1.5)D，D為收縮段入口直徑。本風(fēng)洞收縮段長(zhǎng)度取L=1.125D，入口直徑為3200 mm，收縮段長(zhǎng)度為3600 mm。

1.5.2 收縮段曲線

收縮段曲線采用維斯辛基收縮曲線公式[10-12]計(jì)算各位置處的半高(H)及半寬(B)，由此求得各截面的高度(2H)與寬度(2B)，H的計(jì)算可由式(2)表示：

(2)

計(jì)算B時(shí)只需要將公式中的Hi換成對(duì)應(yīng)的Bi代入各數(shù)據(jù)后計(jì)算可得收縮段曲線坐標(biāo)系數(shù)。收縮段的收縮曲線如圖2所示。

在潯龍河村村委會(huì)，村黨總支書記徐宏勛娓娓道來(lái)。潯龍河村過(guò)去耕地少，“七山兩水一分田”，交通不便。40多年前大集體時(shí)，潯龍河村民糧食不夠吃，只能吃返銷糧，碰上青黃不接的時(shí)候，只能派出村民外出借糧度日，以解燃眉之急。

圖2 風(fēng)洞收縮曲線(X為到收縮段入口處的軸向距離；B(H)為X處截面的半寬度或半高度)

2 動(dòng)力段設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力段結(jié)構(gòu)

動(dòng)力段是整個(gè)系統(tǒng)影響風(fēng)洞性能最重要的部分，由交流變頻電機(jī)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、整流罩及固定在電機(jī)軸上的風(fēng)扇組成。通過(guò)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為風(fēng)洞提供穩(wěn)定的動(dòng)壓，整流罩為電機(jī)及槳轂等進(jìn)行整流，使風(fēng)扇前后保持流線型，改善氣流的性能，防止氣流分離[13]。動(dòng)力段結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 動(dòng)力段結(jié)構(gòu)(1前連接段,2平直段殼體,3葉片,4輪轂,5止旋片,6擴(kuò)散段殼體,7后連接段,8尾罩,9內(nèi)置電機(jī),10頭罩)

2.2 電機(jī)功率

風(fēng)洞的試驗(yàn)段截面尺寸和風(fēng)速上限值確定后，計(jì)算求取電機(jī)功率。風(fēng)洞總當(dāng)量損失系數(shù)為0.32258，其倒數(shù)為風(fēng)洞的能量損失[14]，通常用能量比來(lái)表示。能量比定義為風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流的動(dòng)能流速與通過(guò)風(fēng)扇輸入風(fēng)洞的功率之比，根據(jù)當(dāng)量損失系數(shù)可得，該風(fēng)洞的能量比為3.1。已知低速風(fēng)洞電機(jī)功率計(jì)算公式為：

(3)

式中：χ風(fēng)洞為風(fēng)洞能量比；PN為電機(jī)功率，單位:kW；ρ為空氣密度，單位:kg/m3；υ為試驗(yàn)段最大設(shè)計(jì)風(fēng)速，單位:m/s；A為風(fēng)洞試驗(yàn)段截面積，單位:m2；η風(fēng)扇為風(fēng)扇效率；η電機(jī)為電機(jī)效率。計(jì)算可得所需電機(jī)功率為278 kW。

根據(jù)風(fēng)洞的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，考慮多種因素的影響，把計(jì)算所得的風(fēng)洞的總損失系數(shù)提高約10%～15%左右，最終N值確定為310 kW。結(jié)合實(shí)際情況，本風(fēng)洞選配N=350 kW左右的交流變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1200 r/min，電機(jī)內(nèi)置于風(fēng)洞，并選用強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)外循環(huán)。

2.3 動(dòng)力段整流裝置

整流罩采用流線型旋轉(zhuǎn)體，長(zhǎng)細(xì)比為4，動(dòng)力段內(nèi)的風(fēng)扇整流罩的直徑為1316 mm，為動(dòng)力段直徑的0.59倍。為避免整個(gè)整流罩后段產(chǎn)生過(guò)渡的逆壓梯度，導(dǎo)致氣流分離，整流罩下游的當(dāng)量圓錐形擴(kuò)散角設(shè)計(jì)為7°。

整流罩氣動(dòng)外形尺寸按式(4)和式(5)計(jì)算：

(4)

(5)

式中：L為整流罩全長(zhǎng)(m)，R為整流罩最大半徑(m)，r為軸向距離x對(duì)應(yīng)的截面半徑(m)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由風(fēng)洞洞體、西門子G150變頻器、西門子PLC、皮托靜壓管、數(shù)字萬(wàn)用表、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、串口服務(wù)器和工業(yè)計(jì)算機(jī)等組成，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)速控制系統(tǒng)

系統(tǒng)將檢定過(guò)程中的物理量全部數(shù)字化，以工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)串口服務(wù)器接口進(jìn)行通信，從氣壓傳感器、溫濕度傳感器和數(shù)字微壓計(jì)中同步讀出氣壓、溫度、濕度和差壓數(shù)據(jù)[15]，根據(jù)公式計(jì)算當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，通過(guò)當(dāng)前數(shù)值與檢定設(shè)定點(diǎn)風(fēng)速值比較，通過(guò)PID調(diào)節(jié)對(duì)變頻器輸出頻率信號(hào)，從而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值達(dá)到檢定點(diǎn)風(fēng)速值并穩(wěn)定一分鐘后，系統(tǒng)開(kāi)始采集環(huán)境參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值、被檢儀器示值、示值誤差等數(shù)據(jù)，計(jì)算求取30組數(shù)據(jù)平均值后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一檢定點(diǎn)，直至整個(gè)檢定過(guò)程結(jié)束。

4 流場(chǎng)測(cè)試校驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證風(fēng)洞設(shè)計(jì)的合理性，由國(guó)家氣象計(jì)量站依據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 84—2007氣象低速風(fēng)洞性能測(cè)試規(guī)范進(jìn)行測(cè)試。選用NPL型標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓管作為標(biāo)準(zhǔn)器，給出流速范圍、氣流偏角、溫升、最大噪聲、流場(chǎng)均勻性、穩(wěn)定性主要指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。流速范圍測(cè)試分開(kāi)口和閉口兩種狀態(tài)；氣流偏角分水平和垂直兩方向的偏離程度；溫升為最大風(fēng)速下穩(wěn)定運(yùn)行30 min后洞體測(cè)試段的溫度上升情況；最大噪聲為流速上限時(shí)的噪音量；流場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性試驗(yàn)選取同一截面不用風(fēng)速(2 m/s、40 m/s、80 m/s)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其中均勻性不大于1%，穩(wěn)定性不大于0.5%，其余各項(xiàng)指標(biāo)同樣均能滿足測(cè)試規(guī)范技術(shù)要求。

表1 90 m/s強(qiáng)風(fēng)氣象風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)海洋氣象發(fā)展規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了氣象用90 m/s回流開(kāi)(閉)兩用強(qiáng)風(fēng)風(fēng)洞，整體尺寸為26 m×10 m×4.2 m(長(zhǎng)×寬×高)；閉口試驗(yàn)段為截面尺寸1.2 m×1.2 m的矩形，長(zhǎng)度L=5 m，試驗(yàn)段收縮比為1∶7.1，風(fēng)機(jī)功率350 kW。

(2)風(fēng)洞相關(guān)性能通過(guò)國(guó)家氣象計(jì)量站測(cè)試：流速范圍閉口時(shí)達(dá)(0.49～90.74)m/s，開(kāi)口時(shí)達(dá)(0.45～70.03)m/s；最大氣流流速下溫升達(dá)0.8 ℃/30 min，最大噪音80.0 dB；閉口狀態(tài)流場(chǎng)均勻性0.2%，穩(wěn)定性0.17%，開(kāi)口狀態(tài)下流場(chǎng)均勻性0.95%，穩(wěn)定性0.28%。

(3)性能測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具備試驗(yàn)段可調(diào)節(jié)、流場(chǎng)性能優(yōu)異、能量損耗較小等優(yōu)點(diǎn)，足以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)70 m/s以上強(qiáng)風(fēng)檢定或校準(zhǔn)領(lǐng)域的空白。