大型回流邊界層風洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計

余世策, 蔣建群, 樓文娟, 孫炳楠

(浙江大學 建筑工程學院, 杭州 310058)

0 引 言

風洞是產(chǎn)生氣流的裝置，在結(jié)構(gòu)風工程、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，隨著國內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)的蓬勃發(fā)展，超高層建筑、大型體育館和大跨度橋梁如雨后春筍般涌現(xiàn)，這些大型工程的抗風問題是工程建設(shè)中最關(guān)注的問題之一。在這一背景下民用大氣邊界層風洞的建設(shè)得到了長足的發(fā)展，近些年國內(nèi)興建了一大批大氣邊界層風洞[1-4]，我國民用建筑大型邊界層風洞的數(shù)量已居世界前列。風洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計是風洞建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計優(yōu)劣直接影響邊界層風洞的流場品質(zhì)包括氣流均勻性、軸向靜壓梯度、湍流強度等指標，而這些指標則直接影響建筑結(jié)構(gòu)風工程風洞試驗的測試結(jié)果。國內(nèi)學者對于風洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計方面做了不少工作，李強等[4]對其主要部件(包括斜流式風機、穩(wěn)定段、收縮段和試驗段等)進行詳細的氣動計算；祝長江等[5]針對Φ5m立式風洞垂直布置的結(jié)構(gòu)特點介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計；廖達雄等[6]介紹了連續(xù)式跨聲速風洞設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，分析了如何降低風洞氣流脈動，改善流場品質(zhì)；朱幼君等[7]從流體動力學及聲學兩方面綜合考慮，在滿足試驗段流速要求的前提下，提高試驗段流場均勻性，降低試驗段背景噪聲；周勇為等[8]采用在國內(nèi)外比較罕見的帶大角度擴散段的離心下吹式形式設(shè)計了國內(nèi)首座低湍流度磁懸浮風洞；侯志勇等[9]對減湍起重要作用的收縮段和穩(wěn)定段布局設(shè)計提出了新的通用便捷方法等。以上研究內(nèi)容對風洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計有很好的借鑒意義。

本文以浙江大學ZD-1邊界層風洞建設(shè)為背景，詳細介紹該風洞氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對風洞流場校測結(jié)果進行了詳細分析，得到一些重要的結(jié)論，對于類似邊界層風洞建設(shè)有一定的參考價值。

1 風洞總體設(shè)計

為了提高風洞的使用率，浙江大學ZD-1風洞設(shè)計考慮了該風洞應(yīng)具有建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動力學、航空航天等方面的試驗和研究功能。首先風洞試驗段要求有較大的截面，以滿足大比例建筑、橋梁模型的風洞試驗；其次風洞試驗段要求有較寬的風速范圍，以滿足地面交通工具和工業(yè)空氣動力學試驗以及雷諾數(shù)效應(yīng)試驗對高風速的要求；最后試驗段還應(yīng)具有較高的流場品質(zhì)，以滿足低背景湍流的航空航天類或其它基礎(chǔ)空氣動力學研究的需求。為達到上述目標，課題組經(jīng)過反復論證，在近800m2的占地面積限制下，設(shè)計出了能滿足目標功能需求的大型回流邊界層風洞，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其設(shè)計性能指標如表2所示。

表1 風洞主要設(shè)計參數(shù)

表2 風洞設(shè)計性能指標

2 風洞氣動設(shè)計

2.1洞體氣動輪廓

根據(jù)風洞總體設(shè)計要求及技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過方案可行性論證，確定風洞的氣動輪廓圖，如圖1所示。擬建風洞由1個動力段、3個擴散段、1個等截面段、1個收縮段、1個試驗段、4個拐角段組成，為抵消邊界層增厚對流場品質(zhì)的影響，風洞試驗段采用水平微幅擴散的方法，試驗段和3個擴散段的擴散角數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出各段當量擴散角均小于7°，可避免發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，值得注意的是試驗段也設(shè)置了0.22°的當量擴散角，為平衡風洞內(nèi)外的壓力差，在試驗段與第一試驗段交界處設(shè)置了寬180mm的壓力平衡縫。

表3 風洞各段擴散角數(shù)據(jù)

圖1 風洞氣動輪廓圖(單位：m)

2.2收縮段收縮曲線計算

收縮段的作用是均勻加速氣流，使其達到試驗段所需要的流速，同時進一步改善氣流的流動品質(zhì)，降低湍流度。本風洞采用維特辛斯基三維收縮曲線計算公式來設(shè)計收縮曲線，可獲得良好的試驗段氣流品質(zhì)，計算公式如下：

(1)

圖2 收縮曲線外形圖(單位：m)

2.3拐角及拐角導流片設(shè)計

由于本風洞為單回流型式，通過4個90°的拐角形成回流，每個拐角的進出口截面積相等。由于氣流流過4個拐角的損失將占到風洞全部損失的40%以上，所以拐角導流片的設(shè)計極為重要。以往較早建成的風洞大多采用翼形結(jié)構(gòu)的導流片，目前大多數(shù)風洞已采用薄板彎曲成型的導流片。本風洞拐角導流片外形按文獻[10]提供的方法進行特殊處理。該導流片設(shè)計已應(yīng)用于日本東北大學的低湍流度風洞，效果很好。取第一拐角的內(nèi)壁圓弧半徑(即導流片圓弧半徑)為800mm，第二拐角、第三與第四拐角為900mm，導流片在各拐角對角線方向等間隔排列，第一、二、三、四拐角的導流片分別為9片、10片、13片與13片。導流片外形如圖3所示，導流片的外形由圓弧BC(半徑R)加兩端直線AB及CD組成，弦長為AD，兩端直線長為L(=0.1AD)且相等，導流片進口端直線AB與來流之夾角α1=4°，出口端直線CD平行于風洞軸線，夾角α2=0°，導流片弦線AD與來流之夾角(即安裝角)α=47°。

2.4風扇葉片和整流罩設(shè)計

風扇葉片的設(shè)計方法主要有Patterson、Collar和Wallis法。本風洞采用文獻[10]提供的設(shè)計方法，即把風扇及其整流系統(tǒng)作為一個整體來考慮，計算過程解析化，借助計算機可方便地給出設(shè)計結(jié)果，葉片設(shè)計參數(shù)如表4所示。整流罩由前罩、中罩(柱段)和尾罩3部分組成，前罩和尾罩的外形曲線按流線型旋成體坐標值確定，中罩根據(jù)風扇輪轂及電機安裝尺寸要求確定其長度?，F(xiàn)風扇段直徑為4.8m，當罩殼比(即風扇處整流罩直徑與風扇直徑之比)為0.5時，整流罩最大直徑為2.4m；當整流罩長細比為3時，其阻力最小，因此整流罩頭尾部分總長 7.2m。因前罩和尾罩長分別為其總長的40%及60%，故前罩長為2.88m，后罩長為4.32m。

圖3 拐角導流片外形圖

表4葉片設(shè)計參數(shù)

Table4Bladedesignparameters

相對半徑葉片弦長C/mm扭轉(zhuǎn)角θ/(°)升力系數(shù)CL總效率ηT0．0391．200．80000．810．1373．7?3．290．77820．810．2356．2?6．10．76130．810．3338．7?8．510．74920．810．4321．1?10．620．74170．810．5303．6?12．460．73870．810．6286．1?14．080．74040．800．7268．6?15．530．74690．800．8251．1?16．830．75860．800．9233．5?17．990．77600．791．0216．0?19．050．80000．79

2.5蜂窩器和阻尼網(wǎng)設(shè)計

穩(wěn)定段內(nèi)安裝有蜂窩器和阻尼網(wǎng)，其作用是導直氣流、提高氣流品質(zhì)、降低湍流度。蜂窩器為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由正六角形蜂窩格子(對邊距離30mm)膠接而成，深300mm；阻尼網(wǎng)共兩層安裝在蜂窩器后面，由不銹鋼絲編織而成，其規(guī)格為18目/英寸。根據(jù)文獻[10]對湍流度的理論估算，若阻尼網(wǎng)前氣流湍流度為2%～3%，則試驗段內(nèi)的湍流度將降為0.38%～0.57%。

2.6風洞能量比、電機功率及風扇增壓量計算

3 風洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)風洞的氣動外形及占地面積的限制，本風洞采用了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的立式混合結(jié)構(gòu)型式，其中穩(wěn)定段、收縮段、試驗段、第一擴散段和動力段采用鋼結(jié)構(gòu)、第二、第三擴散段、等截面段和4個拐角段均采用混凝土結(jié)構(gòu)，動力段位于地下一層，最低點標高為-7.0m，試驗段位于二層，最高點標高約為10.0m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 風洞結(jié)構(gòu)示意圖

4 風洞流場品質(zhì)測試

風洞流場品質(zhì)測試是檢驗風洞氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣的重要環(huán)節(jié)，自風洞建成后課題組組織專家對風洞流場品質(zhì)進行了全面的校測[11]，流場校測依據(jù)相關(guān)規(guī)范進行[12]，主要包括空風洞風速及能量比、動壓穩(wěn)定系數(shù)、試驗段軸向靜壓梯度、試驗段截面動壓場不均勻性、試驗段截面方向場不均勻性和湍流度分布等內(nèi)容的測試。

4.1空風洞風速及能量比測試

由標準風速管感受風洞運行穩(wěn)定后的試驗段氣流動壓，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，記錄對應(yīng)不同輸出功率條件下的動壓(風速)，輸出功率由直流調(diào)速柜的直流電壓表和直流電流表讀出，測試結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，當達到設(shè)計要求風速V=55m/s時，消耗功率603kW，僅為電機額定功率的60%，轉(zhuǎn)速也只達到481r/min， 為額定轉(zhuǎn)速的90%?？梢?，風洞還可以提供更高的最大風速。從風洞能量比數(shù)據(jù)可以看出，實測最大能量比接近2.0，與估算值相比略為偏小。

表5 風洞風速和能量比測試結(jié)果

4.2動壓穩(wěn)定系數(shù)

動壓穩(wěn)定系數(shù)表征了動壓的穩(wěn)定性，由皮托管感受風洞運行穩(wěn)定后的試驗段氣流動壓，經(jīng)電子式壓力掃描閥轉(zhuǎn)換成電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，記錄給定風速下達到穩(wěn)態(tài)后1min的時間歷程，獲得1min內(nèi)氣流動壓的最大值qmax和最小值qmin，計算出動壓穩(wěn)定性系數(shù)η：

(2)

表6為不同風速下前后轉(zhuǎn)盤截面中心處氣流的動壓穩(wěn)定性系數(shù)?？梢钥闯?，兩種風速下，動壓穩(wěn)定性系數(shù)均小于1%，40m/s風速下主試驗區(qū)的動壓穩(wěn)定性系數(shù)均小于0.5%，達到了航空風洞的標準。

表6 風洞動壓穩(wěn)定性測試結(jié)果

4.3試驗段軸向靜壓梯度

軸向靜壓梯度是衡量試驗段軸向靜壓變化的重要指標，采用下式計算：

(3)

式中：Xi為第i測點距試驗段入口的距離；Cpi為第i測點的壓力系數(shù)；m為測量點數(shù)。針對試驗段后轉(zhuǎn)盤和前轉(zhuǎn)盤兩個試驗區(qū)，以轉(zhuǎn)盤中心截面為中線，以1m為間距，分別測試了中線前后3m共7個截面的靜壓系數(shù)，代入式(3)得到軸向靜壓梯度，結(jié)果如表7所示。可以看出，后轉(zhuǎn)盤區(qū)的軸向靜壓梯度略為偏大，但仍低于1.0%的指標，由于在氣動設(shè)計中對試驗段設(shè)置了一定的擴散角，保證了較低的軸向靜壓梯度，滿足了設(shè)計要求。

表7 風洞軸向靜壓梯度測試結(jié)果

4.4試驗段截面動壓場不均勻性

用動壓探頭測出試驗段模型區(qū)內(nèi)的動壓分布，按下列公式計算動壓場不均勻性系數(shù)μi：

(4)

圖5 40m/s風速下后轉(zhuǎn)盤動壓場不均勻性系數(shù)分布

4.5試驗段截面方向場不均勻性

試驗段截面方向場不均勻性采用五孔探針測定，試驗得到截面156個測點的水平氣流偏角Δβ和豎向氣流偏角Δα，圖6為40m/s風速下后轉(zhuǎn)盤中心截面水平氣流偏角和豎向氣流偏角的等值線曲線圖?？梢钥闯?，水平氣流偏角和豎向氣流偏角均小于1°，除靠近上壁面的局部區(qū)域大于0.5°外，其余部分區(qū)域小于0.5°；同時也可以注意到，水平氣流偏角Δβ水平方向呈現(xiàn)一定的反對稱特征，豎向氣流偏角Δα水平方向一致性較好，這也說明了由于立式結(jié)構(gòu)設(shè)計，試驗區(qū)域水平方向流場品質(zhì)要優(yōu)于豎直方向。

圖6 40m/s風速下后轉(zhuǎn)盤截面氣流偏角分布

4.6試驗段湍流度

湍流度是評價風洞流場品質(zhì)的重要指標，采用下式計算：

(4)

式中：σ為脈動風速均方根，U為脈動風速平均值。流場校測時采用熱線風速儀測試各截面均布的42個測點的風速時程，統(tǒng)計得到各測點的湍流度，將截面各測點湍流度的平均值和最大值列于表8中。可以看出，兩個主要截面在兩個風速下的湍流度最大值均不超過0.5%，均優(yōu)于1.0%的設(shè)計要求指標，而平均值則只在0.3%附近，這說明對于蜂窩器和阻尼網(wǎng)的設(shè)計是成功的，測試結(jié)果與估算值較為接近。

表8 風洞試驗段湍流度測試結(jié)果

5 結(jié) 論

通過對浙江大學ZD-1邊界層風洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計及風洞建成后的流場校測，得出以下結(jié)論：

(1) 氣動設(shè)計包括擴散角設(shè)計、拐角片設(shè)計和收縮曲線設(shè)計方法是合理的；

(2) 在試驗段中設(shè)置擴散角有利于降低軸向靜壓梯度，提高流場品質(zhì)；

(3) 立式結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了速度場和方向場的水平均勻性，對提升邊界層風洞測試精度效果明顯。

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作者簡介:

余世策(1979-), 男, 浙江樂清人, 博士, 高級工程師。研究方向：結(jié)構(gòu)風工程。通訊地址：浙江大學建筑工程學院(310058)。E-mail:yusc@zju.edu.cn