徐玉龍

（天津科學(xué)技術(shù)館，天津 300201）

龍卷風(fēng)是在極不穩(wěn)定的天氣條件下，由冷暖兩股空氣強(qiáng)烈相向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)形成的空氣漩渦。龍卷風(fēng)威力十分強(qiáng)大，風(fēng)速超過100 m/s，有時(shí)甚至超過200 m/s，還可以與火焰結(jié)合形成火龍卷，對(duì)人、畜、樹木、房屋等都有很大的破壞力。

多數(shù)科技館展品都是利用抽吸水霧來模擬龍卷風(fēng)。超聲波霧化器噴出的水霧被上風(fēng)機(jī)抽成柱狀，同時(shí)又在風(fēng)柱內(nèi)形成空氣旋渦，從而模擬出了龍卷風(fēng)。由于展品有效高度較低，一般為1.5～2 m，整體效果不夠震撼。為提高展示效果，計(jì)劃將有效高度提升至3.5 m。由于龍卷風(fēng)的形成受上下風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)柱角度和氣孔直徑多方面影響，若采用實(shí)驗(yàn)方式成本較高，因此考慮利用Solidworks 的流體仿真功能針對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬，得到最優(yōu)的參數(shù)組合，為展品研制提供技術(shù)支撐。

1 建立龍卷風(fēng)模型

利用Solidworks 建立展品龍卷風(fēng)三維模型，如圖1 所示，其由上安裝座、上風(fēng)機(jī)、風(fēng)柱、超聲水波發(fā)生器、下風(fēng)機(jī)以及底座組成。上安裝座一方面固定風(fēng)柱，另一方面中心安裝有上風(fēng)機(jī)，使得上安裝座下部氣流向中心流動(dòng)并排出；風(fēng)柱上按一定間距進(jìn)行打孔并相對(duì)于底座中心旋轉(zhuǎn)一定角度，用于形成旋轉(zhuǎn)氣流；超聲水波發(fā)生器用于形成水霧；底座一方面安裝風(fēng)柱，另一方面裝有下風(fēng)機(jī)，下風(fēng)機(jī)出口與四個(gè)風(fēng)柱相連。

圖1 展品龍卷風(fēng)三維模型圖

2 參數(shù)設(shè)定

龍卷風(fēng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括風(fēng)柱入口風(fēng)速、出口風(fēng)速、風(fēng)柱孔直徑和數(shù)量、風(fēng)柱角度等。單個(gè)風(fēng)柱入口風(fēng)速?zèng)Q定了下風(fēng)機(jī)功率，設(shè)定可選擇參數(shù)為0.005 m3/s、0.0075 m3/s、0.001 m3/s；出口風(fēng)速?zèng)Q定了上風(fēng)機(jī)功率，設(shè)定可選擇參數(shù)為1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.5 m3/s；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，選定風(fēng)柱孔直徑范圍為5～10 mm，設(shè)定可選擇參數(shù)為6 mm、8 mm、10 mm，相鄰間距為100 mm，風(fēng)柱出風(fēng)口方向與底座中心圓盤相切，每根風(fēng)柱孔數(shù)量為26 個(gè)。

3 參數(shù)輸入

在Solidworks 流體仿真模塊中，按照設(shè)定的參數(shù)值在模型中進(jìn)行輸入，如圖2 所示。

圖2 參數(shù)輸入

4 仿真結(jié)果輸出

將不同的參數(shù)組合進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果以風(fēng)柱孔直徑Φ6 mm、入口風(fēng)速0.01 m3/s 和出口風(fēng)速2.0 m3/s 為例進(jìn)行說明。

4.1 流速切片顯示

水平流速切片和垂直流速切片分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 水平流速切片圖

圖4 垂直流速切片圖

4.2 粒子軌跡顯示

為了更加直觀地顯示霧化的水分子運(yùn)動(dòng)軌跡，將超聲波霧化器霧化后的水霧直徑設(shè)定為5 μm，同時(shí)利用粒子研究[1]進(jìn)行展示。水霧分子設(shè)定和粒子研究結(jié)果分別如圖5 和圖6所示。

圖5 水霧分子設(shè)定

圖6 粒子研究結(jié)果圖

4.3 參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)粒子研究結(jié)果中粒子形態(tài)確定最優(yōu)組合參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)選組合參數(shù)表

5 展品現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)模擬仿真結(jié)果對(duì)風(fēng)柱進(jìn)行了打孔并購置上、下風(fēng)機(jī)。整體組成完成后進(jìn)行測(cè)試，龍卷風(fēng)顯示效果良好，基本符合仿真預(yù)期。展品龍卷風(fēng)試驗(yàn)如圖7 所示。

圖7 展品龍卷風(fēng)試驗(yàn)圖

6 結(jié)論

利用Solidworks 建立了有效高度為3.5 m 的展品龍卷風(fēng)三維模型；利用流體仿真模塊模擬了不同入口和出口流速以及風(fēng)柱孔徑對(duì)于龍卷風(fēng)效果的影響；根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)選了入口和出口參數(shù)和風(fēng)柱孔直徑，為展品的成功研制提供了有效技術(shù)支撐。