基于風(fēng)洞實驗的風(fēng)機(jī)欠條件下的測試研究

羅天敏 趙濤濤

運用風(fēng)洞實驗為基礎(chǔ)模型,結(jié)合湍流N-S模型,通過EULER法對流場加速度表達(dá)式進(jìn)行簡化,建立簡化模型,在欠條件下對風(fēng)機(jī)進(jìn)行測試,通過理論和工業(yè)驗證其正確性,最終為風(fēng)機(jī)測試提供了一種的新方法,可應(yīng)用于實際工程生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞:風(fēng)洞實驗通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試

中圖分類號:TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號1672-3791(2012)05(b)-0002-01

風(fēng)洞實驗是建立在相似理論和誤差理論基礎(chǔ)上的一項復(fù)雜的空氣動力實驗,源于1891年韋納姆(F·H·Wenham)建造的世界上第一座風(fēng)洞,近20年來得到了飛速的發(fā)展,主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域,為新型氣動概念的研究發(fā)揮巨大的作用。本文借鑒風(fēng)洞實驗中進(jìn)氣道實驗的理論方法,在測試風(fēng)速超過儀器量程的情況下,為了保護(hù)儀器,同時滿足測試要求,最重要的是保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測試結(jié)果的合理性,根據(jù)空氣流動的速度場的分布規(guī)律,采用多頭風(fēng)速儀分點布置,避免了中心風(fēng)流的超速問題,保證了測試工作的順利進(jìn)行。

1 模型及簡化

進(jìn)氣道實驗最早是用在飛行器模擬的實驗,在飛機(jī)的機(jī)翼進(jìn)風(fēng)筒布置相應(yīng)的傳感器,對進(jìn)氣道的流量進(jìn)行調(diào)節(jié),從而對氣體特性進(jìn)行分析研究,根據(jù)微分形式的動量方程。

在三維流動里,三個方向的加速度均為速度分量與同一方向的導(dǎo)數(shù)之乘積,在直圓管中的定常流,流速在一個截面上是不均一的,中心大,邊上小,同時這種分布在各截面都一樣,這時只有u,且u=u(y).u不是x的函數(shù),在這種流動里,當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度都是零。此時,風(fēng)筒中的氣體流動滿足牛頓粘性定律,流體在摩擦阻力的作用下,流體內(nèi)部的摩擦應(yīng)力τ和速度梯度的關(guān)系為:

…………………………(1)

不同介質(zhì)的值各不相同,同一種介質(zhì)的值則隨溫度的變化而變化,值與壓強(qiáng)基本無關(guān)。

金川二礦的14行風(fēng)井為兩臺風(fēng)機(jī)(型號為BDK—8—№30)并聯(lián)抽出式對旋通風(fēng),兩臺風(fēng)機(jī)分別通過各自的風(fēng)硐與14行回風(fēng)井直接相連,根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合相關(guān)的理論知識,最終決定改變測試的布點方式,從巷道中心往兩側(cè)布點,共布點9個,兩側(cè)間距分別0.84m、1.08m、1.28m和1.45m。

測風(fēng)位置設(shè)在風(fēng)硐平直段內(nèi),距閘門調(diào)阻位置和井筒位置均在25米處,風(fēng)流平直穩(wěn)定,風(fēng)速測量較為準(zhǔn)確。

主要測風(fēng)方法為多頭風(fēng)速儀直接測風(fēng)。在風(fēng)硐斷面安裝一個十字型的角鐵架,斷面積S=πD2/4=3.14*3.052/4=7.30 m2,去掉角鐵架面積,取凈斷面積為7.07 m2。

2 數(shù)據(jù)整理計算

根據(jù)測試整理取其中四點測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算:測點3479的速度分別為24.7m/s、23.5m/s、36.4m/s、29.0m/s

1、根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦力公式計算各點風(fēng)速,……………………(2)

式中:F—流層間的內(nèi)摩擦,N

—與流體種類有關(guān)的比例系數(shù),稱為動力粘度,Pa·s;

A—流層間的接觸面積,m2;

流速沿垂直于流動方向的變化率,即速度梯度,l/s

單位面積上的內(nèi)摩擦力(切應(yīng)力)為:………………………(3)

式中:—單位面積上的內(nèi)摩擦力,Pa.。—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和不同溫度下空氣的動力粘度和運動粘度,實測溫度為20.2攝氏度。查表并用插值法計算得=18.25Pa·s:通過計算得:

1#風(fēng)機(jī)的風(fēng)速分別為(自左向右)23.5;24.1;24.7;25.6;28.8;25.6;24.7;24.1;23.5(m/s)

2#風(fēng)機(jī)的風(fēng)速分別為(自左向右)29.0;31.0;33.2;36.4;46.1;36.4;33.2;31.0;29.0(m/s)

3 數(shù)據(jù)回歸計算

考慮氣體從壁面到中心各點速度呈線性變化,利用已知每個管道兩個測試點的速度進(jìn)行線性擬合。假設(shè)到壁面距離為x處的速度為y,則y=a+bx。利用測試點速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到a和b的值,由此可以得到其它距離各點處的速度y。(如表1表2)

通過計算和線性擬合檢驗得出的兩組數(shù)據(jù)誤差很小,數(shù)據(jù)處理正確合理。

根據(jù)Q=VS…………(4)

式中:Q--風(fēng)量(m3/s);

V—風(fēng)速(m/s);

S—巷道斷面:7.03m2;

計算得:1#回風(fēng)井的平均風(fēng)速V=25.0m/s;2#回風(fēng)井的平均風(fēng)速V=33.9m/s;

合算風(fēng)量:

1#風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量為:Q1=175.75m3/s;2#風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量為:Q2=238.32m3/s

總風(fēng)量為:Q總=Q1+Q2=414.1m3/s

經(jīng)過工業(yè)驗證,金川二礦的實際用風(fēng)量為420m3/s左右與現(xiàn)場生產(chǎn)實際相符。

4 結(jié)論

風(fēng)機(jī)測試方法隨著科學(xué)技木的發(fā)展日新月異,除了提高測試儀器的準(zhǔn)確度和實用性外,新的測試方法也應(yīng)該是提高風(fēng)機(jī)測試的一種新的向?qū)?本文根據(jù)金川二礦現(xiàn)場情況,結(jié)合測試儀器的局限性,創(chuàng)造性的設(shè)計和運用欠條件下的風(fēng)量測試方法,通過現(xiàn)場驗證表明其正確性,測試方法具有更遠(yuǎn)的拓展性,應(yīng)用前景非常廣泛。