直流式低速風(fēng)力試驗平臺的設(shè)計改進*

劉 揚, 曾 攀, 雷麗萍

(清華大學(xué) 工程機械系，北京 100084)

1 引 言

低速風(fēng)洞試驗對于模型試驗和空氣動力學(xué)研究都是必不可少的基礎(chǔ)研究。在空氣動力學(xué)實驗中，通常使用模擬方法，即運用模型試驗來模擬原型的物理現(xiàn)象從而研究另一個遵循相同規(guī)律或數(shù)學(xué)規(guī)律的物理現(xiàn)象的方法[1]。大部分風(fēng)洞設(shè)備體積較大，不可移動，試驗段觀測區(qū)域有局限。

設(shè)計并搭建風(fēng)力試驗平臺的目的在于為平臺試驗段獲得均勻，可控的氣流，滿足基本模型試驗要求，又提供一種小型的低速風(fēng)洞測試裝置易于安裝拆卸，可移動、占地小、受溫度變化影響小且節(jié)約成本。

筆者介紹了低速風(fēng)力試驗平臺的設(shè)計尺寸及通過蜂窩器和整流網(wǎng)對平臺的改建，對流場均勻性和氣流穩(wěn)定性進行了提高。

2 風(fēng)力試驗平臺的設(shè)計及測量系統(tǒng)

低速風(fēng)力試驗平臺主要由洞體和風(fēng)機動力系統(tǒng)組成。洞體由穩(wěn)定段、收縮段、試驗段及擴散段組成；風(fēng)機動力系統(tǒng)由混流式風(fēng)機組成，該平臺總長度為4.5 m。穩(wěn)定段，收縮段及試驗段材質(zhì)為透明有機玻璃，擴散段材質(zhì)為鋼，測試試驗段為1 m×1 m正方形。平臺的工作方式為：從大氣吸入空氣進入穩(wěn)定段，氣流經(jīng)過收縮段到試驗段，再流至擴散段，風(fēng)機段，最后排出洞體進入大氣。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力試驗平臺示意圖及實物圖

2.1 風(fēng)力試驗平臺的設(shè)計尺寸要求

(1) 收縮穩(wěn)定段 結(jié)合收縮段和穩(wěn)定段的作用使不勻的氣流穩(wěn)定，衰減氣流中的漩渦，提高氣流的方向和速度均勻性。穩(wěn)定段的橫截面積與試驗段的橫截面積之比為收縮比，收縮比一般取5～10[1]。由于場地局限，本文平臺的收縮穩(wěn)定段采用喇叭口形狀，收縮比為5，吸入大氣氣流，使氣流均勻加速后進入試驗段。整流裝置一般安裝于穩(wěn)定段，將在3.2章節(jié)改進后風(fēng)流場測試中有具體介紹。

(2) 試驗段 試驗段是安裝模型進行試驗的區(qū)域。開口試驗段長度一般是橫截面積當(dāng)量直徑的1～1.5倍[1]。

(1)

(2)

式中：Dd·v為邊長分別為a和b的矩形風(fēng)管的等速當(dāng)量直徑，單位與矩形風(fēng)管的邊長單位相同；

公式(2)適用于寬高比小于8：1的矩形風(fēng)管。

開口試驗段具有模型安裝方便的優(yōu)點，對風(fēng)洞的邊界影響較小[1]。其試驗段長度為1.5 m，試驗段可用空間為橫截面積1 m×1 m正方形，長度0.8 m，裝有推拉門以便于模型安裝。

(3) 擴散段 擴散段又稱擴壓段，安裝在工作段的下風(fēng)[1]。順氣流方向逐漸擴張，低速氣流最佳風(fēng)流穩(wěn)定性為擴散角度5°～6°[1]。使來自試驗段的氣流逐步減速，使氣流的動能轉(zhuǎn)為壓力能，5°時風(fēng)流穩(wěn)定性最好[2]。擴散段為材質(zhì)鋼體長0.9 m的方轉(zhuǎn)圓椎體面結(jié)構(gòu)，與試驗段成5°角逐漸過度，使風(fēng)速減速，排出洞體。

(4) 動力風(fēng)機段 擴散段與動力風(fēng)機之間以軟連接形式對接。動力段是安裝驅(qū)動風(fēng)扇的一段洞體，驅(qū)動風(fēng)扇是驅(qū)使風(fēng)洞內(nèi)的氣體流動，不斷向氣流補充能量，建立試驗段的穩(wěn)定流場。

筆者采用低噪音8葉片15 kW SWF/GXF型風(fēng)機，應(yīng)用斜流子午加速法，兼有較離心式風(fēng)機的系數(shù)高和較軸流式風(fēng)機流量大的特點。進風(fēng)方向和出風(fēng)方向于一條軸線上直接水平安裝。最大轉(zhuǎn)速1 450 r/min, 風(fēng)速范圍0～15 m/s。

2.2 風(fēng)力試驗平臺的測量系統(tǒng)

平臺的測量系統(tǒng)包括：風(fēng)速傳感器，S型皮托管測試設(shè)備及干冰流場測試設(shè)備。

(1) 風(fēng)速傳感器適用范圍為0～15 m/s，探頭最長深入試驗段200 mm。

輸出：0～10 V，4～20 mA，RL<450 Ω; 精度：±0.2 m/s；角度依賴性：<測量值的3%；工作溫度：-25 ℃～ +50 ℃。

工作原理采用熱膜式風(fēng)速原理，風(fēng)速測量時，探頭的Pt20鉑電阻端置于風(fēng)場，風(fēng)速會帶走Pt20鉑電阻的熱量，使鉑電阻溫度下降，鉑電阻阻值變小，破壞最初的電橋平衡和鉑電阻的熱平衡狀態(tài)[3]從而測定風(fēng)速。

(2) S型皮托管測試設(shè)備總長800 mm提供溫度，壓力及風(fēng)速的測試結(jié)果。

工作原理將皮托管流速計探頭插入管道中，方向使全壓和背壓探頭中心軸線處于過流斷面中心且與流線方向一致，全壓探頭測孔正面應(yīng)對來流，檢測流體總壓，并將其傳遞給差壓變送器；背壓探頭測孔拾取節(jié)流靜壓也將其傳遞給變送器，變送器讀取動，靜壓差值并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流速比例電流(4～20 mA)傳送給顯示儀表或數(shù)據(jù)處理器。根據(jù)伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進而再求速度。

(3) 干冰流場測試設(shè)備總功率3 kW

工作原理通過加熱兩個加熱棒使干冰箱中的水加熱至80 ℃，加入適量干冰粒，固體式的CO2經(jīng)過液態(tài)迅速升華為氣體，再經(jīng)過干冰機管道將干冰氣體流入測試平臺管道中，使試驗更直觀，達到有效觀察風(fēng)流動向及品質(zhì)。

3 風(fēng)力試驗平臺穩(wěn)定性測試

使用S型皮托管設(shè)備，在試驗段上壁共取4個孔作為測量點。取孔位置如圖2所示，在試驗段上壁中心(Loc.#2)，中心兩側(cè)各25 cm (Loc.#1&3)及中心下方20 cm(Loc.#4)處設(shè)置測量孔，并展開4 m/s風(fēng)速下，各個位置點200 mm，400 mm，600 mm及800 mm深度的測試。

圖2 試驗段測量孔位置圖

3.1 改進前風(fēng)流場測試

使用S型皮托管測試設(shè)備在每孔位置點各不同深處測得一分鐘的數(shù)據(jù)，運用氣流不穩(wěn)定性式(3),計算得出各點的不穩(wěn)定性度數(shù)如表1所列。

氣流的不穩(wěn)定性公式[4]：

(3)

式中：Vmax為最大風(fēng)速值；Vmin為最小風(fēng)速值；Vm為風(fēng)速平均值。

表1 風(fēng)流不穩(wěn)定度數(shù)(改進前)

數(shù)值越小穩(wěn)定性越強，線性越平直各位置點風(fēng)流越均勻。圖3顯示各個位置點形成的曲線有高有低，200 mm處不穩(wěn)定性最強，600 mm和800 mm處相對穩(wěn)定。

圖3 改進前風(fēng)流不穩(wěn)定性

3.2 改進后風(fēng)流場測試

為了提高試驗段風(fēng)流的穩(wěn)定性，使風(fēng)流更加穩(wěn)定均勻，在試驗段前端及擴散段前端區(qū)域加裝蜂窩器和整流網(wǎng)，如圖4所示。在相同位置孔及深處，各點采集1 min數(shù)據(jù)，并計算不穩(wěn)定性度數(shù)，測量結(jié)果如表2所列。

圖4 改進后的風(fēng)流場

200 mm處 400 mm處 Loc.#1Loc.#2Loc.#3Loc.#4 Loc.#1Loc.#2Loc.#3Loc.#4改進前(η)4.90%4.91%5.10%3.79% 4.20%4.63%3.53%4.12%改進后(η)2.40%4.73%2.63%3.12% 3.91%2.33%2.73%2.11%提高數(shù)值(%)51.02%3.67%48.43%17.68% 6.90%49.68%22.66%48.79% 600 mm處 800 mm處 Loc.#1Loc.#2Loc.#3Loc.#4 Loc.#1Loc.#2Loc.#3Loc.#4改進前(η)2.95%2.81%3.77%3.34% 3.67%3.27%3.75%3.60%改進后(η)2.61%2.76%3.19%1.94% 3.41%2.65%1.77%2.63%提高數(shù)值(%)11.53%1.78%15.38%41.92% 7.08%18.96%52.80%26.94%

改進后的平臺在風(fēng)流測試結(jié)果中如表2所示，較改進前風(fēng)流不穩(wěn)定性度數(shù)均有下降，更趨于穩(wěn)定；提高數(shù)值以Loc.#3、4提高較明顯。圖5中顯示風(fēng)流在同一位置的均勻性相對提升，尤其是在400、600、800 mm處風(fēng)流相對更加均勻穩(wěn)定。

圖5 改進后風(fēng)流不穩(wěn)定性

4 干冰流場測試

運用干冰流場測試更直觀的觀察風(fēng)流動向，圖6中對風(fēng)力試驗平臺在試驗段及收縮穩(wěn)定段進風(fēng)處進行標(biāo)定。運用干冰測試裝置進行測試，對改進前和后的風(fēng)流進行對比評定。

圖6 標(biāo)定風(fēng)洞測試平臺實物圖

以編號位置點1為例，如圖7所示，改進前的風(fēng)流動向在進入試驗段50 cm后開始分散，成大波浪形抖動，無直線風(fēng)流趨勢，整體觀測，風(fēng)流不穩(wěn)定也不均勻，整體的均勻性有待提高。改進后的風(fēng)流動向從進入試驗段到出試驗段無明顯的怎次，流線成直線趨勢，無大幅度的抖動，但仍有明顯的小波浪抖動，整體觀測，風(fēng)流的穩(wěn)定性和均勻度相對有所提高。

對于各個位置點1～16進行了測試對比，如圖

8所示，總體對比從進入試驗段到出試驗段結(jié)果顯示改進后風(fēng)流成直線穩(wěn)定趨勢，有較好均勻性，但伴有小波浪抖動。對于改進后結(jié)果進行對比，編號位置2，3，4，6，7，8，10，11，12，14，15和16處風(fēng)流較1，5，9和13處更均勻。

圖7 編號位置1的干冰實驗測試對比

5 結(jié) 語

筆者對直流低速風(fēng)力測試平臺的實驗結(jié)果分析表明，此低速風(fēng)力測試平臺符合普通風(fēng)洞的基本要求，具備為一般小型模型提供基本實驗的條件。

圖8 1～16位置點干冰實驗測試對比

參考文獻：

[1] 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.

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[3] 巫榮聞. 熱膜式風(fēng)速變送器系統(tǒng)設(shè)計[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 胡 琨，趙志軍，錢廷偉. 直流低速風(fēng)洞流場特性研究[J].機械研究與應(yīng)用，2012(2)：74-75.