多功能大氣邊界層風(fēng)洞的設(shè)計與建設(shè)

劉慶寬

(石家莊鐵道大學(xué),石家莊 050043)

0 引 言

目前我國深入進行風(fēng)工程的研究十分必要。其一是風(fēng)災(zāi)害為自然災(zāi)害中最嚴重、最頻繁的一種,每年給我國及許多國家造成著巨大損失,并且隨著極端氣候現(xiàn)象增多,風(fēng)災(zāi)害也呈逐漸加劇的趨勢。其二是我國正在進行大規(guī)模的土木工程建設(shè),已經(jīng)建成和正在建設(shè)大量的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)如高層/高聳建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、大跨橋梁等,同時地面交通工具如高速鐵路等大規(guī)模發(fā)展也對風(fēng)工程的研究提出了新的要求。進行風(fēng)工程研究,目前最直接、最常用也是最可靠的研究手段是進行風(fēng)洞試驗[1-2]。由于風(fēng)工程研究對象的多樣性和風(fēng)速范圍要求的寬廣性,以及結(jié)構(gòu)破壞時天氣的復(fù)雜性,多功能大氣邊界層風(fēng)洞是必不可少的研究設(shè)備。

基于上述風(fēng)工程研究對象,詳細介紹了石家莊鐵道大學(xué)多功能大氣邊界層風(fēng)洞的設(shè)計和建設(shè),為以后類似的風(fēng)洞設(shè)計和建設(shè)提供參考。

1 風(fēng)洞設(shè)計要求

1.1 試驗對象

根據(jù)大學(xué)的特色學(xué)科(土木、交通、車輛、力學(xué)等)、地理位置、行業(yè)特性、研究對象等,擬定的風(fēng)洞方案,應(yīng)具有橋梁、建筑、交通、工業(yè)空氣動力學(xué)等方面的試驗和研究功能。同時,因為國內(nèi)有一定數(shù)量的邊界層風(fēng)洞,因此要求設(shè)計上應(yīng)具有一定的特色,避免簡單重復(fù)。

在反復(fù)論證的基礎(chǔ)上,最終確定的設(shè)計和建設(shè)方案需要滿足的試驗項目和具體的試驗功能如表1所示[3]。

表1 風(fēng)洞設(shè)計的試驗功能Table 1 Test function of wind tunnel design

需要指出的是,具有上述試驗功能的風(fēng)洞應(yīng)滿足以下幾個要求：

風(fēng)速范圍的寬廣性。例如橋梁的全橋模型試驗、結(jié)構(gòu)的測壓試驗等,使用的風(fēng)速大多在20m/s以下,橋梁的渦激振試驗大都在幾米的風(fēng)速下進行[4-5],同時環(huán)境類試驗要求的風(fēng)速也很低。但是,對于一些工業(yè)空氣動力學(xué)試驗和地面交通工具試驗,以及一些考慮雷諾數(shù)效應(yīng)的基礎(chǔ)研究試驗,需要的風(fēng)速則較高。

高流場品質(zhì)的要求。與航空風(fēng)洞相比,大氣邊界層風(fēng)洞的流場要求相對較低[6],但是考慮一些基礎(chǔ)性研究對流場的要求,風(fēng)洞的背景湍流度、速度場、方向場等需要相對較高的指標(biāo)。

特殊天氣和特殊試驗的要求。例如我國東南地區(qū)發(fā)生的大風(fēng)通常是臺風(fēng),而臺風(fēng)往往攜帶大量降雨。評價降雨在風(fēng)致結(jié)構(gòu)破壞中的作用需要進行風(fēng)雨試驗。西北地區(qū),風(fēng)吹雪、風(fēng)吹沙導(dǎo)致雪或沙在軌道上堆積是鐵路的隱患,風(fēng)吹雪、風(fēng)吹沙也是考慮的試驗項目。同時污染物擴散也越來越受到人們的重視。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)風(fēng)洞設(shè)計的試驗功能綜合考慮,確定風(fēng)洞主要設(shè)計參數(shù)如表2所示[3]。

2 風(fēng)洞的氣動設(shè)計

2.1 氣動輪廓

根據(jù)風(fēng)洞總體設(shè)計要求,通過進行方案可行性技術(shù)論證,確定風(fēng)洞的氣動輪廓圖。具體尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞氣動輪廓圖Fig.1 Aerodynamic profile of wind tunnel

表2 風(fēng)洞主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main parameters of wind tunnel design

2.2 收縮曲線

采用維特辛斯基三維收縮曲線公式計算各X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)。曲線及坐標(biāo)如圖2所示。H的計算公式為：

圖2 收縮曲線Fig.2 Contraction curve

2.3 拐角及拐角導(dǎo)流片設(shè)計

風(fēng)洞通過4個90°的拐角組成單回流形式,每個拐角的進出口截面積相等。第一、二兩個拐角的內(nèi)壁圓弧半徑R=750mm,第三、四拐角的內(nèi)壁圓弧半徑R=1000mm。導(dǎo)流片在各拐角對角線方向等間隔排列,一、二、三、四拐角導(dǎo)流片分別為9、9、13和17片。

導(dǎo)流片外形由圓弧加兩端直線L組成,弦長為AB,圓弧半徑為R,兩端直線長為L且相等,導(dǎo)流片進口端直線與來流夾角α1=4°,出口端直線平行于風(fēng)洞軸線,夾角α2=0°。導(dǎo)流片弦長 AB與來流之夾角(即安裝角)為47°。

2.4 風(fēng)扇設(shè)計

2.4.1 風(fēng)扇設(shè)計的原始數(shù)據(jù)

低速試驗段入口截面積AT=12m2,設(shè)計風(fēng)速28m/s;動力段直徑D=4.0m,風(fēng)扇的罩殼比(即整流罩最大直徑與風(fēng)扇段直徑之比)r0=0.6;風(fēng)洞能量比ER=3.99;風(fēng)扇軸設(shè)計轉(zhuǎn)速n=585r/min;風(fēng)扇葉片數(shù)I=8枚,設(shè)計升力系數(shù)CL=0.88～0.95。

2.4.2 設(shè)計計算結(jié)果分析

將上述原始參數(shù)作為風(fēng)扇設(shè)計的初始參數(shù),計算出風(fēng)扇葉片翼型數(shù)據(jù)。葉片的相對厚度從葉尖至葉根的變化為12%左右,這不僅使葉片具有較好的空氣動力性能,而且也保證了葉片具有足夠的剛度和強度。為了使風(fēng)扇與風(fēng)洞的壓力損失特性有良好的匹配性,除電機轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)外,葉片安裝角在額度值附近的±5°范圍內(nèi)可以微調(diào)。實際微調(diào)值的大小通過風(fēng)洞試車的結(jié)果來確定。為提高有效載荷,減小葉尖的壓力損失,在工藝允許的條件下盡可能減小葉尖與洞壁之間的間隙δ,現(xiàn)設(shè)計的相對間隙小于0.25%。

2.5 整流罩設(shè)計

動力段內(nèi)整流罩的外形按流線型旋成體坐標(biāo)值來確定。整流罩分前罩、中罩(柱段)和尾罩三個部分。前罩用來均勻加速氣流,以免引起分離;中罩根據(jù)風(fēng)扇輪轂及電機等尺寸安裝要求來確定其長度;尾罩用來緩慢擴散氣流,使速度減小,壓力增加,并應(yīng)盡量減少氣流的分離損失,為此過渡段殼體由進口至出口其截面積應(yīng)逐漸減小,使尾罩所在部位之內(nèi)側(cè)流道的當(dāng)量擴散角在8°～10°的范圍內(nèi),以避免氣流的分離?，F(xiàn)選用整流罩頭尾之長細比為3,其尾罩長細比為1.8,由此算出尾罩部位之當(dāng)量擴散角θ＜9.39°,滿足了θ=8°～10°的設(shè)計要求。

2.6 風(fēng)洞的能量比和電機功率

能量比的定義為試驗段氣流的動能與通過動力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的能量之比,用ER表示,采用分段計算方法,算出風(fēng)洞各段當(dāng)量損失系數(shù)K0i,通過公式可以算得能量比。根據(jù)我國絕大多數(shù)風(fēng)洞的實際運行結(jié)果,考慮到一些不可預(yù)計的壓力損失,把計算得到的總損失系數(shù)提高10%,最后得到本風(fēng)洞的能量比為=4.09。

根據(jù)風(fēng)洞試驗段最大風(fēng)速、面積、風(fēng)扇的氣動特性及能量比,計算出電機功率為395.8kW。

2.7 湍流度計算

影響試驗段湍流度的主要因素分別是風(fēng)洞的收縮比和穩(wěn)定段中阻尼網(wǎng)的規(guī)格與層數(shù)。按氣動布局,大小收縮段的收縮比分別為3和3.03,總收縮比為9.1,穩(wěn)定段中選用阻尼網(wǎng)三層,規(guī)格為18目/英寸,若假定阻尼網(wǎng)前的原始湍流度為3.0%,則低速試驗段內(nèi)的湍流度可降低到0.52%,高速試驗段內(nèi)的湍流度可降低到0.28%。

3 附屬設(shè)備設(shè)計參數(shù)

風(fēng)洞附屬設(shè)備的設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 風(fēng)洞附屬設(shè)備的設(shè)計參數(shù)Table 3 Design parameters of accessory facilities

4 風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)風(fēng)洞性能、總體投資等多種因素考慮,按氣流方向,從風(fēng)洞大收縮段經(jīng)低速試驗段、小收縮段、高速試驗段、第一擴散段、第一拐角、第二擴散段、第二拐角、等直段到動力段為鋼結(jié)構(gòu),從第三擴散段經(jīng)第三拐角、等截面段、第四拐角到穩(wěn)定段部分為磚混結(jié)構(gòu)。實驗室大廳僅覆蓋鋼洞體部分,磚混部分則置于實驗室之外。

為了在風(fēng)洞中具備風(fēng)雨、風(fēng)沙等試驗功能,進行了如下設(shè)計：風(fēng)洞的一、二拐角上下游通過法蘭與相鄰洞體連接,下側(cè)通過架車安放在軌道上,將法蘭的螺栓打開,可以將兩拐角沿軌道移開,第一擴散段的氣流經(jīng)實驗室外墻上的大門吹到室外,室外的空氣從另一大門吸入動力段,此操作可將風(fēng)洞由回流結(jié)構(gòu)改為直流結(jié)構(gòu),滿足上述特殊試驗的要求。結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of wind tunnel

5 建設(shè)方式

實驗室整個項目采用招標(biāo)的方式選擇設(shè)計、施工、調(diào)試單位,為整體招標(biāo),中標(biāo)單位以“交鑰匙”工程方式向業(yè)主提供完整的工程項目,以減少中間環(huán)節(jié)和管理、協(xié)調(diào)工作量,保證工程質(zhì)量。在建設(shè)過程中,業(yè)主的技術(shù)人員充分參與整個過程中的技術(shù)交流活動,隨時將意見反饋給對方,不斷優(yōu)化設(shè)計和施工方案。

6 流場品質(zhì)校測結(jié)果

由第三方參照規(guī)范[7]組織進行的流場校測結(jié)果[8]如表4所示。

表4 試驗?zāi)Ｐ蛥^(qū)流場校測結(jié)果Table 4 Flow field measurement of model district

7 風(fēng)洞的特點

建成后的風(fēng)洞具有以下幾個方面的特色：

(1)低速試驗區(qū)轉(zhuǎn)盤中心截面寬高為4.38m× 3.00m,能較好滿足建筑類結(jié)構(gòu)試驗對斷面的要求;試驗段長24m,達到了高度的8倍,能模擬出很好的大氣邊界層風(fēng)場;

(2)高速試驗段寬度為2.2 m,適合橋梁節(jié)段模型試驗和其它工業(yè)類試驗。如果寬度過大,保證模型的剛度會變得困難;如果斷面尺寸過小,會造成試驗中低速段的靜壓過大;

(3)通過優(yōu)化風(fēng)場控制系統(tǒng)設(shè)計,使得低速試驗段流場達到了優(yōu)秀邊界層風(fēng)洞標(biāo)準,高速試驗段流場達到了工業(yè)空氣動力學(xué)風(fēng)洞標(biāo)準;

(4)高低速試驗段串聯(lián)設(shè)計,拓寬了風(fēng)速范圍,優(yōu)化了試驗功能。低速試驗段風(fēng)速1.5～30.0m/s,高速試驗段風(fēng)速3.7～80.0m/s;

(5)第一、二拐角閉、開設(shè)計,可改回流為直流風(fēng)洞,滿足風(fēng)雨、風(fēng)沙、風(fēng)雪、環(huán)境污染等不適合在回流風(fēng)洞內(nèi)進行的試驗。其中降雨設(shè)備可以模擬雨強10～240mm/h的各種強度的降雨。風(fēng)洞內(nèi)降雨的照片見圖4;

(6)在洞體內(nèi)安裝了三維移測架,做到了在連續(xù)吹風(fēng)狀態(tài)下對風(fēng)場任意位置的參數(shù)進行監(jiān)控和測試,提高了測試效率。移測架的移動由測控間的控制計算機完成,測試結(jié)束后可收藏至洞頂?shù)那粌?nèi)。移測架照片見圖5。

圖4 洞體內(nèi)降雨模擬Fig.4 Rainfall simulation in wind tunnel

圖5 移測架Fig.5 Movable testing frame

風(fēng)洞驗收后,已分別進行了斜拉索風(fēng)雨振、抑制風(fēng)雨振的氣動措施、橋梁與結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的氣動特性等國家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金、省科技支撐計劃項目等基礎(chǔ)性科研項目的研究和金東大橋、石家莊火車站、神華國華惠州熱電廠等30余項大型橋梁與結(jié)構(gòu)工程的風(fēng)荷載、風(fēng)致振動與控制試驗研究。試驗結(jié)果表明：該風(fēng)洞流場品質(zhì)好,使用方便,設(shè)計的功能都能在風(fēng)洞內(nèi)實現(xiàn)。

致謝：感謝同濟大學(xué)林志興教授、北京大學(xué)魏慶鼎教授、南京航空航天大學(xué)姚惠中教授、中國空氣動力研究與發(fā)展中心施洪昌研究員對風(fēng)洞的設(shè)計和施工提供的技術(shù)咨詢;感謝中國空氣動力研究與發(fā)展中心樂嘉陵院士對本文的指導(dǎo)。

[1] 賀德馨.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會.低速風(fēng)洞試驗[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

[3] 綿陽六維科技有限責(zé)任公司.石家莊鐵道大學(xué)邊界層風(fēng)洞氣動設(shè)計[R].綿陽：綿陽六維科技有限責(zé)任公司,2008.

[4] 陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[5] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2006.

[6] 林志興.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程邊界層風(fēng)洞的流場品質(zhì)討論[C].全國結(jié)構(gòu)風(fēng)工程試驗技術(shù)研討會,2004.

[7] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.高速風(fēng)洞和低速風(fēng)度流場品質(zhì)規(guī)范(GJB1179-91)[S].北京：國防工業(yè)出版社,1991.

[8] 石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)洞流場校測報告[R].上海：上海同濟科技開發(fā)有限公司,2009.