可移動(dòng)微型低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉海洋，孔麗麗，陳　智，宣傳忠，宋　濤，司志民

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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可移動(dòng)微型低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉海洋，孔麗麗，陳智，宣傳忠，宋濤，司志民

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對(duì)大型風(fēng)洞造價(jià)昂貴，開機(jī)成本高且實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速穩(wěn)定性較差，對(duì)低成本熱敏風(fēng)速傳感器、集沙儀、皮托管等設(shè)備的測(cè)量、檢驗(yàn)及標(biāo)定等工作帶來不便等問題，結(jié)合風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理，采用小體積多葉風(fēng)機(jī)及高性能變頻調(diào)速器，設(shè)計(jì)了一種能夠快速準(zhǔn)確地提供穩(wěn)定風(fēng)源的低成本可移動(dòng)微型低速風(fēng)洞，并通過增加大角度擴(kuò)散段的方法提高收縮比。該風(fēng)洞為圓形閉口低速風(fēng)洞，總體尺寸長(zhǎng)2.63m，入口直徑60mm，實(shí)驗(yàn)段直徑0.12m、長(zhǎng)0.3m，穩(wěn)定段直徑為0.36m、長(zhǎng)0.36m；采用鋁箔厚0.06mm的六邊形蜂窩器和3層阻尼網(wǎng)對(duì)氣流進(jìn)行整流，獲得相對(duì)穩(wěn)定均勻的流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)表明：該風(fēng)洞入口風(fēng)速為0～38.6m/s，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速0～17.6m/s，風(fēng)速精度達(dá)0.2m/s；實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部氣流均勻性和穩(wěn)定性較好，中心截面處邊界層厚2.26mm，沿氣流方向靜壓梯度小，流場(chǎng)穩(wěn)定部分占其截面積的70%以上，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：微型低速；風(fēng)洞；收縮比；邊界層；穩(wěn)定流場(chǎng)

0引言

風(fēng)洞是一種采用動(dòng)力裝置產(chǎn)生和控制均勻氣流的管道狀試驗(yàn)設(shè)備,根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和相似性原理以進(jìn)行各種類型的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。目前，常用的直流低速風(fēng)洞主要包括穩(wěn)定段(內(nèi)置蜂窩器和阻尼網(wǎng))、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)壓段和動(dòng)力段等，對(duì)實(shí)驗(yàn)段氣流品質(zhì)要求較高[1，8-9]。2005年，周勇為設(shè)計(jì)了超聲速靜風(fēng)洞[2]；范貴生等人設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞并對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究[3]。2007年，李強(qiáng)、丁玨等人設(shè)計(jì)了SIAMM400低湍流度低速風(fēng)洞[4]。2008年，王文奎、石柏軍設(shè)計(jì)了0.28m ×0.28m低速風(fēng)洞[1]。2009年，李國(guó)文、徐讓書等對(duì)風(fēng)洞收縮段曲線氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究[5]；胡海豹、宋保維等人對(duì)小型專用風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究[6]。2011年，蓋曉磊、李光里等人設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞[7]。2012年，王帥等人對(duì)直流低速風(fēng)洞收縮段收縮曲線進(jìn)行了仿真分析[8]。2015年，丁素明、薛新宇等人設(shè)計(jì)了NJS-1型植保直流閉口式風(fēng)洞[9]。

針對(duì)大型風(fēng)洞造價(jià)昂貴，開機(jī)成本高且實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速穩(wěn)定性較差等問題，并為風(fēng)速傳感器、集沙儀、皮托管等設(shè)備的測(cè)量、檢驗(yàn)及標(biāo)定快速準(zhǔn)確地提供標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，本文采用離心式鼓風(fēng)機(jī)，增加大角度擴(kuò)散段的方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)低紊流度和高收縮比的微型低速風(fēng)洞。通過變頻器精確控制氣流速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)和定點(diǎn)測(cè)量等功能；可提供0～17.6m/s，精度達(dá)0.2 m/s的穩(wěn)定風(fēng)速。該風(fēng)洞具有設(shè)計(jì)成本低、功耗低、體積小，開機(jī)時(shí)間短和風(fēng)速調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1　總體結(jié)構(gòu)

該微型低速型風(fēng)洞型式為圓形直流閉口式，主要由動(dòng)力段、擴(kuò)散段、整流段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)壓段和內(nèi)部整流結(jié)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。采用理論計(jì)算確定各段結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞總體尺寸為2.14m×0.36m×0.36m(長(zhǎng)×寬×高)。

風(fēng)洞整體采用2mm厚不銹鋼焊接加工而成，內(nèi)部光滑度較好，收縮段采用數(shù)控加工制作。

1.2　工作原理

風(fēng)機(jī)段產(chǎn)生的風(fēng)源經(jīng)過擴(kuò)散段，氣流速度降低，并通過3層防分離網(wǎng)對(duì)氣流進(jìn)行整流，使氣流均勻性得到改善；氣流進(jìn)入穩(wěn)定段后，首先經(jīng)過蜂窩器將氣流導(dǎo)直，使其平行于風(fēng)洞軸線，同時(shí)將氣流中的大尺度漩渦分割成小漩渦，從而加快漩渦衰減，然后通過3層阻尼網(wǎng)使小漩渦得到進(jìn)一步衰減，并使氣流速度分布更趨均勻。收縮段對(duì)穩(wěn)定段的氣流進(jìn)行加速，氣流速度按面積比而增加，而脈動(dòng)速度保持不變，紊流度進(jìn)一步得到改善，使得收縮段出口氣流保持均勻、平直且穩(wěn)定；最后得到相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)段氣流，并通過擴(kuò)壓段將氣流擴(kuò)散出去。

1.防分離網(wǎng)　2.蜂窩器 3.阻尼網(wǎng)

2風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　動(dòng)力段及控制裝置設(shè)計(jì)

動(dòng)力段提供氣體流動(dòng)的能量，主要部件有鼓風(fēng)機(jī)和方圓過渡接口，將風(fēng)機(jī)段的矩形出口轉(zhuǎn)換為擴(kuò)散段圓形入口[7，9-10]。動(dòng)力段采用應(yīng)達(dá)DF2-II型低噪聲離心式鼓風(fēng)機(jī)提供高速風(fēng)源，該風(fēng)機(jī)功率為0.75kW,轉(zhuǎn)速2 840r/min，出口流量1 200m3/h，通過轉(zhuǎn)換接口將風(fēng)機(jī)方形出風(fēng)口轉(zhuǎn)換成直徑0.06m的圓形出口后，實(shí)測(cè)出口風(fēng)速范圍為0~38.6m/s，且出口風(fēng)速可達(dá)1.0m/s的精度；采用Tesech變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制[10]，該變頻器采用脈動(dòng)輸入頻率控制和先進(jìn)的三相切換兩相控制技術(shù)，具有運(yùn)算速度快、自動(dòng)程序運(yùn)轉(zhuǎn)控制、自動(dòng)調(diào)整加減速、自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、自動(dòng)滑差補(bǔ)償、超低噪音及高過載能力等諸多優(yōu)點(diǎn)。微型風(fēng)洞動(dòng)力段如圖2所示。

圖2　鼓風(fēng)機(jī)與變頻器的連接圖

2.2　收縮段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

收縮段是風(fēng)洞中至關(guān)重要的部分,使來自穩(wěn)定段的氣流均勻加速,達(dá)到試驗(yàn)段需要的流速，并改善實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)。收縮段的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求[7-9，14]：①氣流單調(diào)增加,避免氣流在洞壁發(fā)生分離；②出口處氣流速度分布均勻,方向平直且穩(wěn)定；③收縮段的長(zhǎng)度要適中,既要符合結(jié)構(gòu)要求又要使收縮壁的過渡不至過分劇烈而造成流動(dòng)的分離和擾動(dòng)。

收縮段的性能主要取決于收縮比與收縮曲線，收縮比是穩(wěn)定段橫截面積與試驗(yàn)段橫截面積之比[8-9]，大收縮比可減小紊流度，使試驗(yàn)段氣流均勻；收縮段的長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)造成影響，收縮段長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到收縮段入口直徑的0.5~1.0倍，常見低速風(fēng)洞的收縮比在7～10之間。本文設(shè)計(jì)的低速風(fēng)洞收縮段的長(zhǎng)度和進(jìn)口直徑均為0.36m,出口直徑為0.12m，收縮比為9，同時(shí)增加了大角擴(kuò)散段，使收縮比得到進(jìn)一步提高。

收縮段曲線形狀對(duì)試驗(yàn)段氣流均勻性影響較大，氣流速度沿收縮曲線應(yīng)連續(xù)單調(diào)增加且不發(fā)生分離[2]。由于風(fēng)洞內(nèi)部氣流相對(duì)速度遠(yuǎn)小于音速，故可將其按不可壓縮流體進(jìn)行處理，因此本文采用維多辛斯基提出的收縮段曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，維氏曲線入口收縮較大、出口收縮緩慢，有利于試驗(yàn)段入口氣流速度均勻穩(wěn)定[2,5-6,8-9,14]。收縮段曲線如圖3所示。收縮段曲線方程為

(1)

其中，R1、R2和R分別為收縮段進(jìn)口、出口及任意x處的截面半徑；L為收縮段長(zhǎng)度。

2.3　穩(wěn)定段與整流裝置設(shè)計(jì)

穩(wěn)定段是風(fēng)洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分[4，11]。氣流在進(jìn)入收縮段之前必須保證均勻穩(wěn)定，因此收縮段前必須安裝有穩(wěn)定段，其設(shè)計(jì)包括截面、內(nèi)部整流裝置和長(zhǎng)度。穩(wěn)定段通常為等截面管道，其入口連接擴(kuò)散段、出口連接收縮段。穩(wěn)定段設(shè)計(jì)首先要保證蜂窩器、多層阻尼網(wǎng)的安裝[11-14]，穩(wěn)定段截面尺寸與收縮段入口尺寸一致，一定長(zhǎng)度的等截面管道有利于導(dǎo)直氣流、穩(wěn)定氣流和均勻流場(chǎng)，大收縮比風(fēng)洞穩(wěn)定長(zhǎng)度應(yīng)該為直徑的0.5~1.0倍[4，9，14]。該微型風(fēng)洞采用穩(wěn)定段長(zhǎng)度為其直徑的1.0倍，均為0.36m。穩(wěn)定段內(nèi)安裝蜂窩器和阻尼網(wǎng)以改善實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流品質(zhì)[9，13-14]，整流裝置如圖4所示。

圖3　收縮段曲線

圖4　穩(wěn)定段整流裝置

蜂窩器采用六角形網(wǎng)格,該網(wǎng)格的損失系數(shù)小,氣流壓力損失小, 對(duì)降低湍流度有顯著效果[4，14]。影響蜂窩器性能的主要參數(shù)是蜂窩長(zhǎng)度L和口徑M。本文選擇的蜂窩孔徑為2mm和3mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式L/M=5～10,蜂窩器的長(zhǎng)度取12～30mm[14]。

阻尼網(wǎng)位于蜂窩器與收縮段之間，阻尼網(wǎng)可降低蜂窩器后的氣流旋渦，以減小穩(wěn)定段氣流的湍流強(qiáng)度,使穩(wěn)定段剖面流場(chǎng)更均勻。阻尼網(wǎng)的選擇與網(wǎng)開閉比β有關(guān),開閉比β的計(jì)算方程為

(2)

其中，d和l分別為網(wǎng)絲直徑和網(wǎng)孔邊長(zhǎng)。

如果網(wǎng)孔的開閉比太小，網(wǎng)后氣流可能出現(xiàn)不穩(wěn)定；開閉比太大，整流作用將會(huì)削弱，低湍流度風(fēng)洞多采用0.57<β<0.6的大開閉比[4]。對(duì)于同一開閉比的阻尼網(wǎng),網(wǎng)絲直徑越小, 阻尼網(wǎng)效果越好，且多層網(wǎng)組比單層網(wǎng)的效果好[4]。因此,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段采用2～3層網(wǎng)絲直徑0.5mm,網(wǎng)孔邊長(zhǎng)2.3mm的不銹鋼電焊網(wǎng)作為阻尼網(wǎng)對(duì)氣流進(jìn)行整流，網(wǎng)與網(wǎng)之間的距離為10cm。

2.4　其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力段風(fēng)機(jī)出口為108mm×75mm的矩形，而大角度擴(kuò)散段入口為直徑60mm的圓形，必須在兩者之間安裝方圓過渡段,其長(zhǎng)度為150mm。為了實(shí)現(xiàn)低紊流度和在不增加風(fēng)洞尺寸的條件下增加收縮比，在風(fēng)機(jī)段和穩(wěn)定段之間增加了擴(kuò)散角為30o的大角度擴(kuò)散段[9,14]，同時(shí)設(shè)置了3層網(wǎng)絲直徑0.5mm,網(wǎng)孔邊長(zhǎng)9mm的不銹鋼防分離網(wǎng),以防止大擴(kuò)散角引起的氣流分離效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)段是提供穩(wěn)定流場(chǎng)并能對(duì)模型進(jìn)行必要測(cè)量和觀察的關(guān)鍵部位，其內(nèi)部氣流應(yīng)穩(wěn)定,速度大小、方向的空間分布應(yīng)均勻,紊流度、靜壓梯度應(yīng)低。其結(jié)構(gòu)參數(shù)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)過程中最為重要，按照儀器的迎風(fēng)面積不超過實(shí)驗(yàn)段截面積5%和實(shí)驗(yàn)段的長(zhǎng)度是其直徑的2.0～2.5倍的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部沿軸向(順來流方向)有擴(kuò)散角,使橫截面積沿軸向逐漸增大, 以減小由于壁面附面層沿軸向增厚而產(chǎn)生的負(fù)靜壓梯度[3，5，7，9，14]。由于需要，測(cè)試、標(biāo)定的熱膜風(fēng)速傳感器、皮托管和集沙儀等設(shè)備在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部的迎風(fēng)面積分別為3.6×10-4m2、2.4×10-4m2和0.8×10-4m2。該實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)成1o擴(kuò)散角的同軸異徑件[14]，入口直徑120mm, 出口直徑為125mm，長(zhǎng)度為0.3m；入口面積1.13×10-2m2，上述傳感器在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面積的3.2%、2.1%和0.7%，實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

擴(kuò)壓段使來自實(shí)驗(yàn)段的氣流迅速減速,以減小整個(gè)風(fēng)洞的能量損失[8]。由于摩擦與擴(kuò)壓作用，擴(kuò)壓段也會(huì)引起能量損失，損失系數(shù)主要取決于擴(kuò)壓段的面積比和擴(kuò)壓角，面積比越大,損失系數(shù)越大；通常面積比不超過2.5，擴(kuò)壓角在10°左右[1，14]。該微型風(fēng)洞擴(kuò)壓段的長(zhǎng)度為460mm, 面積比為2.5, 擴(kuò)壓角為9°[14]。

3仿真分析

雷諾數(shù)(Re)是表征流體流動(dòng)特性的重要參數(shù)，計(jì)算方程為

(3)

其中，ρ、v 、d和η分別為流體密度、管道中平均流速、管道直徑和流體的動(dòng)力粘度。

雷諾數(shù)小，流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力起主要作用，流體呈層流流動(dòng)狀態(tài)；雷諾數(shù)大，慣性力起主要作用，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于管道來說，雷諾數(shù)Re<2 000為層流狀態(tài)，Re>4 000為紊流狀態(tài)，Re=2 000～4 000為過渡狀態(tài)。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流速為1m/s時(shí)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的雷諾數(shù)為8 050，湍流強(qiáng)度為4.01%，因此在仿真過程中建立了湍流模型對(duì)風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。

首先，利用ProE5.0建立微型低速風(fēng)洞三維模型，然后導(dǎo)入Gambit2.2.30進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)為173 605個(gè)，最后導(dǎo)入Fluent14.0環(huán)境進(jìn)行仿真分析[5，8，12]。由于氣流相對(duì)速度遠(yuǎn)小于音速，故可將其按不可壓縮流體進(jìn)行處理，分別對(duì)入口風(fēng)速為 2、4、5、8、16、32m/s時(shí)風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，得出實(shí)驗(yàn)段中心點(diǎn)處軸向和橫截面流場(chǎng)分布圖，如圖5和圖6所示。

2m/s　　　　　　　　　　　4m/s

5m/s　　　　　　　　　　 8m/s

16m/s　　　　　　　　　　 32m/s

2m/s 4m/s

5m/s　　　　　　　　　　　8m/s

16m/s　　　　　　　　　 　32m/s

從圖5和圖6得出：當(dāng)入口風(fēng)速小于4m/s(即實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速小于1m/s)時(shí)，實(shí)驗(yàn)段部分區(qū)域氣流均勻性和穩(wěn)定性相對(duì)較差，且隨入口風(fēng)速增加而逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)入口風(fēng)速大于5 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部氣流均勻性和穩(wěn)定性較好，隨著入口風(fēng)速增加，實(shí)驗(yàn)段邊界層厚度略有增加，且沿氣流方向上的靜壓梯度逐漸增大。實(shí)驗(yàn)段中心位置處邊界層厚度約2.265mm，且流場(chǎng)穩(wěn)定部分占其截面積的70%以上。

4測(cè)試與分析

4.1　試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度為22.6℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)洞被固定在一個(gè)長(zhǎng)2.65m，高0.45m的實(shí)驗(yàn)架上，風(fēng)洞固定桿高0.45m，采用30mm×30mm鋁型材設(shè)計(jì)制作，如圖7所示。

圖7　微型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)架

為研究整流裝置對(duì)風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性的影響，擴(kuò)散網(wǎng)和阻尼網(wǎng)采用0.5mm粗的304不銹鋼電焊網(wǎng)，擴(kuò)散網(wǎng)網(wǎng)格邊長(zhǎng)9mm，整流網(wǎng)網(wǎng)格邊長(zhǎng)2.3mm；蜂窩器采用華瑞蜂窩科技生產(chǎn)的鋁箔厚度為0.06mm,直徑0.36m的圓盤蜂窩器，選擇網(wǎng)格邊長(zhǎng)和盤厚分別為2.5mm×20mm和3mm×30mm兩種規(guī)格。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為了便于觀察和確定測(cè)試儀器在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部的位置，采用亞克力材料設(shè)計(jì)制作了同規(guī)格透明實(shí)驗(yàn)段，并沿其軸向上等間距設(shè)置5個(gè)直徑為8mm的實(shí)驗(yàn)孔A、B、C、D、E，如圖8所示。

4.2　試驗(yàn)方法

1)選擇2.5mm×20mm規(guī)格的蜂窩器，采用德國(guó)Testo425熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段軸向A、B、C、D、E等5個(gè)測(cè)點(diǎn)處的中心風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量[7]，研究不同入口風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)段軸向流速分布情況。

2)選擇3mm×30mm規(guī)格的蜂窩器，采用德國(guó)Testo425熱線風(fēng)速儀，對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)C處的徑向風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，研究不同入口風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)段截面流場(chǎng)分布情況。

3)通過上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，分析不同入口風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)段氣流的穩(wěn)定性和均勻性。

圖8　透明實(shí)驗(yàn)段

4.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)實(shí)驗(yàn)1：實(shí)驗(yàn)段軸向流速分布測(cè)試。調(diào)節(jié)變頻器頻率分別為5、15、25、35、45、50Hz時(shí)，測(cè)得風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段軸向上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均中心風(fēng)速，不同入口風(fēng)速下各測(cè)點(diǎn)平均中心風(fēng)速分布如表1所示，曲線如圖9所示。

圖9　實(shí)驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)中心風(fēng)速曲線

從表1和圖9可以看出：①實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速與變頻器頻率大小成正比例關(guān)系，最大風(fēng)速(50Hz時(shí))達(dá)17.6m/s，精度約0.2m/s；②在同一入口風(fēng)速下(變頻器頻率相同)，沿實(shí)驗(yàn)段軸向上的風(fēng)速分布略有增大，且入口風(fēng)速越大，風(fēng)速增大越明顯，表明沿實(shí)驗(yàn)段軸向的靜壓梯度不斷增加。

2)實(shí)驗(yàn)2：實(shí)驗(yàn)段截面流場(chǎng)分布測(cè)試。由于熱膜風(fēng)速傳感器探頭大小限制，不能對(duì)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部靠近壁面0.5cm以內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，因此選擇實(shí)驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)C處的橫截面上距離中心軸線±1、±2、±3、±4.5、±5.0、±5.5cm等10點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。不同入口風(fēng)速下測(cè)點(diǎn)C處的橫截面風(fēng)速分布如表2所示，曲線如圖10所示。

表2　風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)C處橫截面風(fēng)速分布

圖10　實(shí)驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)C截面風(fēng)速曲線

從表2和圖10可以看出：①距中心點(diǎn)±5.0cm以內(nèi)的風(fēng)速分布相對(duì)均勻、穩(wěn)定，且隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)速分布更加均勻；②距中心點(diǎn)±5.0cm處的風(fēng)速較之分別中心點(diǎn)處風(fēng)速分別下降81.3%、78.4%、80.5%、82.9%、81.7%和80.6%，表明該風(fēng)洞在距中心點(diǎn)±5.0cm處受到洞壁附面層影響；③當(dāng)變頻器頻率在5Hz時(shí)，實(shí)驗(yàn)段距中心點(diǎn)±5.5cm處的風(fēng)速分別為0.2m/s和0.1m/s；表明邊界層厚度小于0.5cm；④6種風(fēng)速下的橫截面曲線中間穩(wěn)定部分左側(cè)略微高于右側(cè)，說明由于加工精度和安裝誤差等原因，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)段橫截面上風(fēng)速最大點(diǎn)不在其中心軸線上，向左側(cè)偏離0.4～0.5cm。

5結(jié)論

1)針對(duì)低成本流量傳感器的測(cè)量、檢驗(yàn)及標(biāo)定等，設(shè)計(jì)了一種直流閉口式可移動(dòng)微型低速風(fēng)洞。

2)采用0.75kW的小體積鼓風(fēng)機(jī)及Tesech變頻器，實(shí)驗(yàn)段可提供0～17.6m/s的穩(wěn)定風(fēng)速，精度達(dá)0.2m/s；相對(duì)于大型風(fēng)洞，在風(fēng)速精度和控制上有了極大的提高。

3)該小型風(fēng)洞開機(jī)時(shí)間短，風(fēng)速調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)和定點(diǎn)測(cè)量等功能；同時(shí)具有設(shè)計(jì)成本低，功耗小，體積小，紊流度小等優(yōu)點(diǎn)，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

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Design and Experiment of Portable Mini Low-speed Wind Tunnel

Liu Haiyang, Kong Lili, Chen Zhi, Xuan Chuanzhong, Song Tao, Si Zhimin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Because the large wind tunnels are expensive, high cost and poor stability of wind speed in experiment section, it brings inconvenient to measure, inspect and calibrate the low-cost thermal equipment, including wind speed sensors, sand samplers, pitot tubes. In this paper, according to the principle of wind tunnel design, a low-cost moveable mini low speed wind tunnel which can quickly and accurately provide air stability has been designed, using small volume and multi-blade centrifugal fan and high-performance variable-frequence governor.At the same time, a large angle diffuser has been added to improve the contraction ratio of the wind tunnel. It is a closed circular wind tunnel that is only 2.63m in length and 60 mm in entrance diameter.Experimental section is 0.12m in diameter, and 0.3m in length. While the length and diameter of steady section are all 0.36m. In order to get a relatively stable and uniform flow field, a hexagon cellular whose aluminum foil thickness is only 0.06 mm and 3 layer damping mesh had been used to improve of airflow.Experiments show that the range of wind speed at the entrance is 0 ~ 38.6 m/s, and the wind speed in experimental section can reach 17.6m/s, with the accuracy 0.2 m/s. The uniformity and stability of air flow in experimental section is preferable, and the thickness of boundary layer is about 2.26 mm. The static pressure gradient in the direction of air flow is small, and the stable part of flow field is more than 70% of the cross-sectional area. This wind tunnel has satisfied the requirement of experimental design.

Key words：mini low-speed; wind tunnel; contraction ratio; steady flow field; boundary layer

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0244-06

作者簡(jiǎn)介：劉海洋(1985-),男，河南南陽人，博士研究生，(E-mail) haiyang0615@163.com。通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士，(E-mail)chz6653@sohu.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41161045，41361058)

收稿日期：2015-09-27