王相軍， 楊俊偉， 楊 華， 黃小茜， 劉佳瑤

（1.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225147；2.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；3.江蘇維創(chuàng)散熱器制造有限公司，江蘇揚(yáng)州 225261）

0 引 言

較小的直流低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，風(fēng)洞采用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速，擬用于教學(xué)、科研和部分工程模型的氣動(dòng)分析。

風(fēng)洞是一種管道系統(tǒng)，它通過動(dòng)力裝置，在管道內(nèi)產(chǎn)生可控氣流，從而在理想氣流下進(jìn)行實(shí)物和模型的流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。其是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，也是最重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，尤其廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1-2］。在風(fēng)洞設(shè)計(jì)方面，魏巍等［3］設(shè)計(jì)了一座變密度平面葉柵風(fēng)洞，進(jìn)行雷諾數(shù)低至3.1 ×105/m的實(shí)驗(yàn)，通過驗(yàn)證得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性高。王營等［4］設(shè)計(jì)開發(fā)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，得出風(fēng)洞縮口應(yīng)根據(jù)維新斯基曲線來設(shè)計(jì)，以降低風(fēng)的湍流度，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞要有小角度的仰角以減小邊界層效應(yīng)。榮臻等［5］采用蜂窩器、多層阻尼網(wǎng)、大收縮比收縮段曲線、風(fēng)洞管壁外隔聲處理、風(fēng)洞管壁內(nèi)消聲處理和減振處理等技術(shù)建成了一座低湍流度靜聲低速風(fēng)洞。魏德宸等［6］設(shè)計(jì)了一座具有先進(jìn)指標(biāo)的微型低湍流度低速風(fēng)洞，可滿足教學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的需要。高勝寒等［7］設(shè)計(jì)了一種流場(chǎng)可視化的低速開路式小型風(fēng)洞，通過數(shù)值仿真得出該風(fēng)洞可以生成穩(wěn)定的氣流來模擬周圍的模型流場(chǎng)。遙路等［8］研制了一種實(shí)用低速直流風(fēng)洞的洞體結(jié)構(gòu)，該風(fēng)洞可用于完成飛行器氣動(dòng)升力和阻力的測(cè)量。

隨著工程設(shè)計(jì)的需要和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)洞逐漸在車輛工程、風(fēng)能利用、環(huán)境建設(shè)、土木工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。郭薇薇等［9］采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究了復(fù)雜交通狀態(tài)下車橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性。馮茺蔚等［10］基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了3 種具有不同截面形狀的擴(kuò)散體建筑對(duì)增強(qiáng)風(fēng)速及強(qiáng)化風(fēng)能的效果，得到截面形狀為腎形的建筑其風(fēng)力集結(jié)效果最好，可利用風(fēng)能的高度范圍較大。

盡管很多學(xué)者在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用方面開展了一系列的研究，但用于國內(nèi)直流風(fēng)洞的數(shù)量還較為有限，為此本文設(shè)計(jì)了一種成本較低，占地空間

1 吸氣式直流低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案

風(fēng)洞按通道的形式可以分為開路式和回流式［11］。開路式風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)段受動(dòng)力段影響較小，但出口動(dòng)能不能回收；回流式風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場(chǎng)品質(zhì)較好，能量耗散小，但成本較高。鑒于建造成本及占地面積等原因，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的是開路式風(fēng)洞。該風(fēng)洞主要由洞體以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，其中洞體包括進(jìn)口喇叭管、蜂窩器、阻尼網(wǎng)、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)散段、柔性減震帶，穩(wěn)定段動(dòng)力段等，風(fēng)洞的氣動(dòng)外形及參數(shù)如表1 和圖1 所示。實(shí)驗(yàn)段主要對(duì)模型進(jìn)行觀察和必要測(cè)量，從而獲得數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)段來流處需要有收縮段或噴管，使氣流加速到所需流速，同時(shí)使氣流品質(zhì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，收縮段前部還設(shè)計(jì)有穩(wěn)定段，用來降低湍流度，使氣流均勻。實(shí)驗(yàn)段下游需要有擴(kuò)散段和排氣段，其中擴(kuò)散段用來降低流速、減少能量損失，將來流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，為出口氣流增壓，進(jìn)而提高風(fēng)洞運(yùn)行效率，排氣段用來將氣流引向風(fēng)洞外［12-13］。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由可控變頻器和風(fēng)機(jī)組成，來流風(fēng)速v的調(diào)節(jié)主要是由變頻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

圖1 風(fēng)洞氣動(dòng)外形圖（mm）

表1 風(fēng)洞設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)方案

1.2.1 實(shí)驗(yàn)段

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)段要求氣流在其內(nèi)部呈現(xiàn)均勻分布，湍流強(qiáng)度必須達(dá)到合理范圍，且氣流方向盡可能與風(fēng)洞中軸線一致［14］，截面形狀設(shè)計(jì)成橢圓形、圓形和方形3 種。研究表明：在截面收縮比（即穩(wěn)定段與實(shí)驗(yàn)段截面積之比）相同的情況下，橢圓形截面的實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)最均勻，其次是圓形截面，最差的是方形截面［15］。本風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段的截面形狀設(shè)計(jì)為方形，實(shí)驗(yàn)段入口截面的水力直徑［16］

式中：A1為實(shí)驗(yàn)段截面積；C1為實(shí)驗(yàn)段截面周長。本風(fēng)洞的截面尺寸為400 mm × 400 mm，計(jì)算得到D1=0.4 m。實(shí)驗(yàn)段的長度L = 2.0 ～2.5D1，L 在本風(fēng)洞取值為1 m。

1.2.2 穩(wěn)定段

穩(wěn)定段是一個(gè)等截面管道，其內(nèi)部安裝整流裝置來縮短穩(wěn)定段設(shè)計(jì)長度，穩(wěn)定段的水力直徑［16］

式中：A2為穩(wěn)定段截面積；C2為穩(wěn)定段截面周長。穩(wěn)定段的截面尺寸為1.2 m × 1.2 m，計(jì)算得到D2=1.2 m。穩(wěn)定段長度在收縮比大于5 時(shí)一般?。?.5 ～1.0）D2，本風(fēng)洞穩(wěn)定段長度取0.833 倍D2，即1.0 m。

穩(wěn)定段內(nèi)部安裝的整流裝置由蜂窩網(wǎng)以及阻尼網(wǎng)構(gòu)成。蜂窩網(wǎng)主要用來對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)流并分割，使大渦旋尺寸小于蜂窩網(wǎng)尺寸。蜂窩網(wǎng)孔徑邊長越大，網(wǎng)孔直徑越小，整流效果就越好，但損失也會(huì)增加。低速風(fēng)洞的蜂窩網(wǎng)孔徑邊長通?？刂圃?0 ～50 mm之間，而且蜂窩網(wǎng)孔徑邊長和孔徑之比在5 ～15 之間，因此本方案設(shè)計(jì)的蜂窩網(wǎng)邊長為15 mm，孔徑為φ 3 mm，蜂窩網(wǎng)截面形狀取整流效果最好六邊形網(wǎng)格。

阻尼網(wǎng)安裝于蜂窩網(wǎng)之后，可以使氣流湍流度降低。阻尼網(wǎng)的網(wǎng)越細(xì)或?qū)訑?shù)越多，整流效果會(huì)提升，但氣流經(jīng)過紊流網(wǎng)的損失也會(huì)相對(duì)提高。阻尼網(wǎng)的選擇與網(wǎng)開口比β有關(guān)，其計(jì)算式為［16］

式中：d為網(wǎng)孔直徑；l 為網(wǎng)孔邊長。網(wǎng)孔開口較小會(huì)造成整流氣流的不穩(wěn)定，開口較大又會(huì)造成整流效果削弱，低速風(fēng)洞的β 通常取0.57 ～0.6，本風(fēng)洞取β =0.6。同時(shí)設(shè)計(jì)3 層d =φ0.5 mm、l =2.2 mm 的阻尼網(wǎng)，相鄰兩層間距為200 mm。

1.2.3 收縮段

風(fēng)洞的收縮段在穩(wěn)定段和實(shí)驗(yàn)段之間。收縮曲線很多，最為常用的有維氏曲線、雙三次曲線和五次方曲線。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，五次方曲線的收縮段出口過快，出口處會(huì)產(chǎn)生流速過沖的現(xiàn)象，并且均勻性較差。因此本風(fēng)洞設(shè)計(jì)收縮段曲線主要參考的是維氏曲線。通常收縮段長度為其入口直徑的0.5 ～1 倍，該風(fēng)洞收縮段的入口直徑為φ 1.2 m，則收縮段長度取值為1.2 m。收縮比的取值對(duì)實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)有主要影響。通過增加收縮比，可以很好地改善實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的均勻性，降低湍流度，但洞體造價(jià)也相對(duì)地隨之提升，所以選擇合適的收縮比顯得尤為重要。一般風(fēng)洞的收縮比在4 ～10 范圍，考慮到本風(fēng)洞的應(yīng)用范圍，需要對(duì)流場(chǎng)有一定的要求，故取收縮比為9。

1.2.4 擴(kuò)散段

擴(kuò)散段又稱擴(kuò)壓段，它處在實(shí)驗(yàn)段之后。影響擴(kuò)壓效率的重要因素是擴(kuò)散角和擴(kuò)壓比。低速風(fēng)洞擴(kuò)散段的擴(kuò)散角一般小于5°，考慮到用途，本風(fēng)洞擴(kuò)散角取4°。擴(kuò)散段兩端的面積比即為擴(kuò)壓比，即

式中，A3為擴(kuò)散段截面積，一般擴(kuò)壓比為2.5 左右，本風(fēng)洞取值為2.543。經(jīng)計(jì)算，A3= 2.5A1≈0.407 m2，擴(kuò)散段出口直徑為φ 0.72 m，擴(kuò)散段長度為2.3 m。

2 風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)試

設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示。為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的實(shí)際流場(chǎng)情況，需對(duì)吸氣式直流低速風(fēng)洞進(jìn)行流場(chǎng)品質(zhì)檢測(cè)，主要對(duì)實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速擬定、實(shí)驗(yàn)段截面流場(chǎng)穩(wěn)定性、湍流度、氣動(dòng)噪聲等進(jìn)行測(cè)試。

圖2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置

2.1 測(cè)試設(shè)備

流場(chǎng)測(cè)試設(shè)備采用熱線風(fēng)速儀、三維移測(cè)支架、麥克風(fēng)及動(dòng)態(tài)采集器，通過移動(dòng)移測(cè)架來測(cè)量實(shí)驗(yàn)段截面不同位置的實(shí)時(shí)風(fēng)速。測(cè)試截面距離實(shí)驗(yàn)段入口0.5 m，截面上共布置25 個(gè)測(cè)點(diǎn)，中心測(cè)點(diǎn)布置在截面中心位置，且相鄰測(cè)點(diǎn)水平及垂直均距離5 cm，具體測(cè)量位置如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)段截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

實(shí)驗(yàn)采用兩點(diǎn)標(biāo)定法進(jìn)行速度標(biāo)定，將熱線探頭置于實(shí)驗(yàn)段中心位置（見圖4），再根據(jù)標(biāo)定的速度電壓曲線將獲得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)的風(fēng)速值，并進(jìn)行溫度修正。測(cè)試時(shí)熱線采樣頻率為5 kHz，進(jìn)行3 次重復(fù)測(cè)量，以保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

圖4 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流場(chǎng)測(cè)試

2.2 流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，圖中為變頻器在不同頻率f下與風(fēng)洞來流風(fēng)速v之間的關(guān)系，由圖可見，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速隨著頻率增加而增加，有較好的線性相關(guān)性，擬合曲線為v = 0.864 4f - 1.872，擬合優(yōu)度R2=0.998 4，主要的偏差集中在低頻和高頻段，這可能是由于低頻率時(shí)風(fēng)機(jī)沒有穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，高頻時(shí)超頻運(yùn)行而導(dǎo)致。

圖5 不同頻率下實(shí)驗(yàn)段實(shí)測(cè)風(fēng)速及擬合值

通過測(cè)量中心測(cè)點(diǎn)處1 min 內(nèi)的風(fēng)速變化，評(píng)價(jià)風(fēng)洞流場(chǎng)的穩(wěn)定性，其計(jì)算式為

式中：η為不穩(wěn)定度；umean為平均風(fēng)速；Δu 為實(shí)時(shí)風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值。測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，由圖6（a）可知，隨著風(fēng)速的增加，不穩(wěn)定度總體呈下降趨勢(shì)，測(cè)試風(fēng)速內(nèi)不穩(wěn)定度最大值在1.6%左右。

圖6 不同風(fēng)速下不穩(wěn)定度及湍流強(qiáng)度變化

同時(shí)，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度為

式中：ui為第i個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)風(fēng)速；n 為采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)；σu為順風(fēng)向風(fēng)速脈動(dòng)分量的均方根值。不同風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)段中心測(cè)點(diǎn)的順風(fēng)向湍流強(qiáng)度見圖6（b）。在低風(fēng)速段內(nèi)的湍流強(qiáng)度相對(duì)較大，隨著風(fēng)速的增加，湍流強(qiáng)度數(shù)值逐漸降低，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速分布更加均勻。結(jié)果說明采用較大收縮比、正六邊形蜂窩網(wǎng)和小孔格阻尼網(wǎng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的湍流強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 噪聲測(cè)試結(jié)果分析

圖7 所示為實(shí)驗(yàn)段中心測(cè)點(diǎn)處噪聲（Leq）與v 的關(guān)系，圖中噪聲采用1/3 倍頻A 聲級(jí)加權(quán)計(jì)算得到。風(fēng)洞噪聲主要源于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲，即風(fēng)輪由于周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的中低頻噪聲；氣流通過風(fēng)洞內(nèi)整流裝置造成的振動(dòng)噪聲；以及設(shè)備支架振動(dòng)的結(jié)構(gòu)噪聲。由圖7 可知，Leq與v 呈正相關(guān)，v ＜25 m/s 時(shí)，噪聲低于90 dB，滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖7 不同風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部氣動(dòng)噪聲變化

3 縮尺模型實(shí)驗(yàn)

（1）風(fēng)力機(jī)尾流特性實(shí)驗(yàn)。圖8 所示為風(fēng)洞中煙線法進(jìn)行的風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，由圖8（b）可見，位于來流風(fēng)向前方的旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的渦流尾跡影響到后方風(fēng)力機(jī)的來流風(fēng)場(chǎng)，尾跡中渦圈的形狀和尺寸隨著距離風(fēng)力機(jī)的位置的不同而改變，可進(jìn)行風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)及相互作用的機(jī)理研究及教學(xué)活動(dòng)。

圖8 風(fēng)力機(jī)尾流特性實(shí)驗(yàn)

（2）低矮房屋風(fēng)載特性實(shí)驗(yàn)。圖9 所示為低矮房屋風(fēng)載特性實(shí)驗(yàn)，將需要分析的房屋模型按比例縮小放置在風(fēng)洞中，利用動(dòng)態(tài)壓力掃描閥進(jìn)行測(cè)壓，利用風(fēng)洞中模擬的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量從而獲得平均風(fēng)速剖面和湍流剖面，計(jì)算分析建筑屋頂?shù)娘L(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)荷載。圖9（a）給出了低矮房屋中軸線測(cè)量布置圖，圖9（b）為縮尺比為1∶100 的模型風(fēng)壓系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。由圖可見，屋面不同位置的風(fēng)壓具有明顯的規(guī)律性，最大的吸力出現(xiàn)在背風(fēng)墻面，屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)在-1.3 ～-0.7 之間，在迎風(fēng)前面的平均風(fēng)壓系數(shù)在0.5 附近，基本接近規(guī)范給定的體型系數(shù)結(jié)果，最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.3 左右。由此可以看出，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室可開展小縮尺比的建筑模型氣動(dòng)特性的研究。

圖9 低矮房屋風(fēng)載特性曲線

（3）翼型氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)。圖10 所示為風(fēng)力機(jī)葉片翼型氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試翼型在俯仰狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性及表面壓力系數(shù)分布、計(jì)算升力系數(shù)和阻力系數(shù)和力矩系數(shù)。測(cè)得的翼型俯仰周期內(nèi)的壓力系數(shù)分布見圖10，翼型表面壓力分布在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性。在前25%的周期內(nèi)，翼型表面存在逆向流動(dòng)并向上游擴(kuò)展，隨著下俯運(yùn)動(dòng)繼續(xù)，吸力面風(fēng)壓峰值減小，在周期的70%的失速渦消失，流動(dòng)重新附著。驗(yàn)證了本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在翼型氣動(dòng)特性測(cè)量的有效性。

圖10 風(fēng)力機(jī)葉片翼型氣動(dòng)特性曲線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的吸氣式直流低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)尾流特性實(shí)驗(yàn)、低矮房屋風(fēng)載特性實(shí)驗(yàn)和翼型氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)階段所采用的相關(guān)參數(shù)（不同截面的尺寸、阻尼網(wǎng)間隔、蜂窩器邊長等）取值可以得到較為均勻的流場(chǎng)，湍流強(qiáng)度小于0.7%，且實(shí)驗(yàn)段中心測(cè)點(diǎn)處Leq在v ＜25 m/s時(shí)均低于90 dB，滿足縮尺實(shí)驗(yàn)的需求。

（2）通過開展風(fēng)力機(jī)模型尾流可視化實(shí)驗(yàn)、低矮建筑表面測(cè)壓實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)翼型表面測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，分別得到：來流前方的旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)渦流尾跡和渦圈明顯影響后方風(fēng)力機(jī)的風(fēng)場(chǎng)，低矮建筑中軸線風(fēng)壓迎風(fēng)墻面的平均風(fēng)壓系數(shù)接近0.5，翼型表面風(fēng)壓系數(shù)在俯仰周期內(nèi)具有明顯的不對(duì)稱性。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展科研實(shí)驗(yàn)的有效性。

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于相關(guān)模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和并提供優(yōu)化參考。