基于多通道風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬研究①

買爾旦·外力，買買提明·艾尼，金阿芳，麥蘇代·穆赫塔爾，哈木拉提·阿里木江

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830049;2.中國石油烏魯木齊石化分公司煉油廠，新疆 烏魯木齊830019)

0 引 言

近十年來，隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法不僅在航空和航天領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，在諸如環(huán)境工程、材料工程、建筑工程等領(lǐng)域亦得到了普遍的應(yīng)用［1］.在目前的許多工程問題的設(shè)計與建設(shè)初期，為保證設(shè)計的合理性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，都要經(jīng)過數(shù)值模擬分析過程，因此計算機(jī)模擬成為了諸多科研工作者和工程師做出合理設(shè)計的良好顧問.

在環(huán)境力學(xué)研究領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬已經(jīng)成為了學(xué)者們常用的研究手段，只有兩者相輔相成才能了解研究內(nèi)容的機(jī)理，同時也能準(zhǔn)確預(yù)測環(huán)境變化，為有效防治環(huán)境惡化提出合理決策.風(fēng)沙物理學(xué)是環(huán)境力學(xué)研究中的重要領(lǐng)域之一，早在上個世紀(jì)初就有以Bagnold 為代表的大批學(xué)者涌現(xiàn)出來，通過進(jìn)行大量的野外觀測和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，為風(fēng)沙物理學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［2］.對于風(fēng)沙地貌、風(fēng)沙環(huán)境的研究以及防護(hù)治理，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)一直都發(fā)揮著舉足輕重的作用.在國內(nèi)外的許多高校和科研院所都有形式各樣的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)者們都以不同的研究背景做了許多實(shí)驗(yàn)研究.眾所周知，我國沙漠和沙漠化土地分布相當(dāng)廣闊，西起新疆、東至黑龍江，斷續(xù)分布于我國北部的干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū).以新疆最大的流動性沙漠——塔克拉瑪干沙漠為例，因每年的沙塵暴中攜帶的大量沙塵而直接制約了當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)的發(fā)展，也給生活在沙區(qū)的老百姓的健康和生活帶來了巨大的損害，同時也給農(nóng)業(yè)土地的流失帶來了影響，這些問題都成為了制約新疆跨越式發(fā)展的外部阻力［3］.因此，防止沙漠化的繼續(xù)擴(kuò)大是目前我國面臨的最為重要的環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)問題之一.

圖1 風(fēng)洞的設(shè)計結(jié)構(gòu)模型

本研究以復(fù)雜氣流場下的沙漠流動行為研究為背景，為通過實(shí)驗(yàn)手段研究塵卷風(fēng)的形成機(jī)理和成因，籌劃建設(shè)一套多通道風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺.為節(jié)省在后期建設(shè)過程中的人力物力，首先在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值模擬是非常必要的，模擬結(jié)果的合理性可以為實(shí)際的設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù).文中，首先對實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了計算機(jī)建模，再利用大型商用軟件ANSYS 對風(fēng)洞進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.

圖2 從整體角度觀測到的流體流線分布

圖3 從風(fēng)洞底部觀測到的流體流線分布

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計與數(shù)值計算模型

1.1 模型簡介

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募坝猛荆紫韧ㄟ^UG 對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了建模.其中，風(fēng)洞設(shè)計尺寸為3×3×4(單位:m)，4 個進(jìn)風(fēng)口的尺寸為:2×0.2(單位:m)，其進(jìn)風(fēng)口的深度在數(shù)值計算中對結(jié)果沒有影響，只隨模型的厚度而變化，因此在本實(shí)驗(yàn)中所有的模型墻體的厚度均為:0.1m.為了尋找最佳進(jìn)風(fēng)口角度，將風(fēng)洞的進(jìn)風(fēng)口角度分別設(shè)為30°，45°和90°，并在這三種不同模型下進(jìn)行了數(shù)值模擬.

圖4 從整體角度觀測到的流體速度矢量場分布

1.2 數(shù)值模擬分析

采用ANSYS 的流固耦合模塊對模型進(jìn)行數(shù)值計算.整個模擬過程根據(jù)風(fēng)洞進(jìn)風(fēng)口角度的不同(30°、45°、90°)，在相同的邊界條件下，根據(jù)氣流場的情況確定出比較合適的進(jìn)風(fēng)口角度.

圖5 從風(fēng)洞底部觀測到的流體速度矢量場分布

2 結(jié)果與分析

2.1 邊界條件的擬定

在有限元分析中邊界條件的擬定直接影響著模擬結(jié)果.由于對出口的邊界條件無法確定，所以在仿真時選擇按風(fēng)洞進(jìn)出口流量相等來作為邊界條件.在0℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下(101325pa)，空氣的密度為1.293kg/m3，模擬中給定的進(jìn)風(fēng)速度為12m/s，這樣可以估算出風(fēng)洞每秒的進(jìn)風(fēng)量為:

但由于實(shí)際的情況要復(fù)雜得多，經(jīng)過大量反復(fù)的數(shù)值模擬，我們在擬定邊界條件中將進(jìn)出口的流量設(shè)定為15 kg/s.

圖6 從整體角度觀測到的流體壓力場分布

2.2 不同進(jìn)風(fēng)口角度的風(fēng)洞數(shù)值模擬分析

風(fēng)沙機(jī)理研究中，野外觀測和室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)都是研究的重要手段.然而，風(fēng)沙流作為一種自然現(xiàn)象，其特征具有復(fù)雜性，因此對于室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也有較高的技術(shù)要求.為保證風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，在實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計中需要遵循相似性原理［4］.塵卷風(fēng)是一種發(fā)生在大氣對流邊界層內(nèi)，能將沙塵或者碎屑等物體揚(yáng)到高空、具有溫度較高的低壓核心和較短生命周期的旋風(fēng)，是沙漠地區(qū)中最為常見的一種自然現(xiàn)象.至今為止學(xué)者們對塵卷風(fēng)具體的成因及結(jié)構(gòu)仍然不甚了解［5］.因此在本研究中針對旋風(fēng)產(chǎn)生的原理，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的壁面處設(shè)計了四個風(fēng)口，觀察在有風(fēng)從入口處進(jìn)來時能否產(chǎn)生旋風(fēng).但如何設(shè)置入風(fēng)口，使之產(chǎn)生合理的旋風(fēng)又是本研究的重點(diǎn).因此，在參考國內(nèi)已有風(fēng)洞的基礎(chǔ)上，我們提出三種不同進(jìn)風(fēng)口角度的風(fēng)洞模型，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，觀察在三種不同角度情況下實(shí)驗(yàn)段中的流體流線分布情況、流體速度矢量場分布情況及流體壓力場分布情況.

2.2.1 流體流線分布

圖2 ～3 給出了三種不同角度的風(fēng)洞模型中氣流場的流體流線分布情況.從圖2 ～3 中可以看出，無論是從整體角度還是從風(fēng)洞底部觀測，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)都產(chǎn)生了明顯的順時針方向旋風(fēng)，這種分布情況與我們實(shí)際需要模擬的情況具有良好的吻合性.

2.2.2 流體速度矢量場分布

圖4 ～5 給出了三種不同角度的風(fēng)洞模型中流體速度矢量場分布情況.從圖4 ～5 中可以看出，無論是從整體角度還是從風(fēng)洞底部觀測，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，最大風(fēng)速產(chǎn)生在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺的四個入風(fēng)口處，而進(jìn)風(fēng)口角度為30°和90°時，最大風(fēng)速則產(chǎn)生在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的四壁上.從圖4 中可以看出，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的流體速度矢量場由底部到頂部均勻分布;進(jìn)風(fēng)口角度為30°和90°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的流體速度矢量場由底部到頂部分布不均勻，且底部的速度較大，頂部速度隨高度的增長減弱趨勢明顯.從圖5 中可以看出，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)產(chǎn)生了非常明顯的旋風(fēng)運(yùn)動趨勢;進(jìn)風(fēng)口角度為30°和90°時，并未出現(xiàn)明顯的旋風(fēng)運(yùn)動趨勢.因此從圖5 中可以得知，在進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，塵卷風(fēng)轉(zhuǎn)角區(qū)是產(chǎn)生旋風(fēng)的主要原因.

表1 給出了在進(jìn)出口流量為15kg/s 時三種不同角度的風(fēng)洞模型的最大風(fēng)速值與最小風(fēng)速值，從表1 中發(fā)現(xiàn)三種不同角度的風(fēng)洞模型的最小風(fēng)速值都為0，而其最大風(fēng)速值出現(xiàn)了差異性，其中，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口角度為30°時，風(fēng)速值最高，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)速值最小.多數(shù)的野外觀測表明，塵卷風(fēng)經(jīng)常發(fā)生在微風(fēng)或者小風(fēng)速的環(huán)境中，如果環(huán)境風(fēng)速達(dá)到某一閾值，塵卷風(fēng)就很少形成，Oke 等于2007 年的觀測認(rèn)為，塵卷風(fēng)形成的風(fēng)速范圍為1.5～7.5m/s;過小的水平風(fēng)缺乏水平渦的生成，過大的風(fēng)速生成的水平渦容易遭到破壞，不易演變成垂直渦［6］.對比有關(guān)學(xué)者的野外觀測結(jié)果和本研究中的模擬結(jié)果可以得知，在進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，旋風(fēng)的產(chǎn)生效果最理想.

表1 進(jìn)風(fēng)口角度與風(fēng)速值關(guān)系

2.2.3 流體壓力場分布

圖6 ～7 給出了三種不同角度的風(fēng)洞模型中流體壓力場分布情況.從圖6 ～7 中可以看出，無論是從整體角度還是從風(fēng)洞底部觀測，三種不同角度的風(fēng)洞模型的最大壓力均出現(xiàn)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺的四個入風(fēng)口附近，而中心區(qū)皆出現(xiàn)負(fù)壓，且越靠近中心，負(fù)壓值越大.從圖6 中可以看出，進(jìn)風(fēng)口角度為30°和90°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的壓力場分布不均勻，同時，從圖中還可以看出風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的底部至頂部均有明顯負(fù)壓分布，這與旋風(fēng)的壓力場分布特征不符;進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的壓力場分布均勻，符合旋風(fēng)的壓力場分布特征.從圖7 中可以看出，進(jìn)風(fēng)口角度為30°和90°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)負(fù)壓場的分布具有由中心向四周擴(kuò)散的趨勢，且產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)域面積較大，也沒有明顯的旋風(fēng)運(yùn)動的趨勢;進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的負(fù)壓場僅在中心區(qū)域產(chǎn)生，且可看到明顯的旋風(fēng)運(yùn)動趨勢.

表2 給出了在進(jìn)出口流量為15kg/s 時三種不同角度的風(fēng)洞模型的最大壓力值與最小壓力值，從表2 中發(fā)現(xiàn)三種不同角度的風(fēng)洞模型的最小壓力值均為負(fù)值，表明風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段中有負(fù)壓產(chǎn)生，這與圖6 ～7 的壓力場分布情況吻合，通過對比三種不同角度的風(fēng)洞模型的最小壓力值，并不能看出壓力場分布的差異性.然而，通過對比三種不同角度的風(fēng)洞模型的最大壓力值可以看出，進(jìn)風(fēng)口角度為30°和90°時，產(chǎn)生的壓力場的最大壓力值較高，并且最大壓力與最小壓力的差值過大，這是導(dǎo)致產(chǎn)生的漩渦不穩(wěn)定的原因;進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，產(chǎn)生的壓力場的最大壓力與最小壓力的差值適中，因此可以看到在流場中產(chǎn)生了明顯的漩渦.

圖7 從風(fēng)洞底部觀測到的流體壓力場分布

表2 進(jìn)風(fēng)口角度與流體壓力值關(guān)系

3 結(jié) 論

本文利用UG 對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺建模，再通過ANSYS 對不同進(jìn)風(fēng)口角度的風(fēng)洞模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了以下結(jié)論:

(1)從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)段中的流體流線分布和流體速度矢量場分布情況來看，在進(jìn)出口風(fēng)量為15kg/s 且進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，可以觀測到產(chǎn)生了明顯的順時針方向旋風(fēng)，而其他兩個角度則沒有產(chǎn)生明顯的旋風(fēng).

(2)從產(chǎn)生最大風(fēng)速的位置來看，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，最大風(fēng)速產(chǎn)生在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺的四個入風(fēng)口處，其余兩個不同角度的風(fēng)洞模型的最大風(fēng)速都產(chǎn)生在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的四壁上，這必然導(dǎo)致風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壁承受較大的壓力，從而影響風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺整體的機(jī)械性能.

(3)從流體壓力場分布情況來看，三種不同角度的風(fēng)洞模型的最大壓力均出現(xiàn)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺的四個入風(fēng)口附近，而中心區(qū)皆出現(xiàn)負(fù)壓，且越靠近中心，負(fù)壓值越大.其中，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的壓力場分布均勻，流體對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壁所產(chǎn)生的壓力符合旋風(fēng)的壓力場分布特征;從壓力值上看，進(jìn)風(fēng)口角度為45°時所產(chǎn)生的壓力適中.

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