小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

高勝寒，李宏剛，王國(guó)龍，張 堃，吳肇蘇

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

高勝寒，李宏剛*，王國(guó)龍，張 堃，吳肇蘇

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

為了對(duì)車(chē)身外部凸出物以及小比例油泥模型的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，本研究設(shè)計(jì)了一種流場(chǎng)可視化的低速開(kāi)路式小型風(fēng)洞，該風(fēng)洞采用離心式風(fēng)機(jī)為氣流加速，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速為120 km/h。完成了迷你風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)形式的選擇，給出了各個(gè)段基本結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算方法，以及風(fēng)機(jī)流量、電機(jī)功率的確定方法，確定了收縮段收縮曲線形態(tài)及具體尺寸，得到了完整的風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了UG軟件進(jìn)行了三維建模，同時(shí)用Ansys CFX對(duì)流經(jīng)洞體的氣流進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：該風(fēng)洞可以在實(shí)驗(yàn)段生成穩(wěn)定的氣流來(lái)模擬車(chē)身外部凸出物及小比例模型在運(yùn)行過(guò)程中周?chē)牧鲌?chǎng)，實(shí)驗(yàn)段的最大氣流速度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本研究提出的風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行。

油泥模型；小型風(fēng)洞；洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

風(fēng)洞是用來(lái)研究氣流與機(jī)械設(shè)備或者運(yùn)輸車(chē)輛相互作用的裝置[1-3]。它可以用來(lái)模擬自然界的流場(chǎng)[4]。目前我國(guó)小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)大部分從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。因此，設(shè)計(jì)制作滿足使用需求的小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有現(xiàn)實(shí)意義。

受風(fēng)洞尺寸的限制，一般風(fēng)洞中模型多為縮比模型，但縮比模型試驗(yàn)必須要考慮雷諾數(shù)效應(yīng)(又稱(chēng)尺度效應(yīng))，為保證雷諾數(shù)的不變，就必須提高試驗(yàn)風(fēng)速，這意味著風(fēng)機(jī)功率極大且很難實(shí)現(xiàn)[5]，為保證可行性，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)主要用來(lái)測(cè)量車(chē)身外部凸出物(如后視鏡，尺寸比例為1∶1)或其他適當(dāng)尺寸的非縮比模型的空氣動(dòng)力學(xué)性能，因此，不必考慮雷諾數(shù)效應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)也可用于小比例汽車(chē)油泥模型外部流場(chǎng)的定性分析或可視化演示。

本文詳細(xì)探討了一種小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)的洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)提供氣流，氣流由穩(wěn)流段中的蜂窩器進(jìn)行整流，再經(jīng)收縮段加速后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，最后流經(jīng)被測(cè)物體。

1 小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前風(fēng)洞的基本結(jié)構(gòu)形式有兩種：開(kāi)路式風(fēng)洞和閉路式回路風(fēng)洞[6]。開(kāi)路式風(fēng)洞又稱(chēng)直流式風(fēng)洞，它直接從大氣中吸進(jìn)空氣，空氣流經(jīng)洞體后再排到大氣中去。閉路式風(fēng)洞又稱(chēng)回流式風(fēng)洞，它有連續(xù)的空氣回路，氣流通過(guò)試驗(yàn)段后，經(jīng)過(guò)迂回路線再循環(huán)返回到進(jìn)氣口[7]。其中由于回路式的整體尺寸過(guò)大，拐角處倒流片制作與布置存在較大困難，導(dǎo)致空氣流向難以規(guī)整，同時(shí)該小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)將安裝煙霧系統(tǒng)，回流式的設(shè)計(jì)無(wú)法進(jìn)行良好的排煙，因此，本設(shè)計(jì)的洞體采用開(kāi)路式結(jié)構(gòu)。

該小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)分為6個(gè)部分，沿氣流方向依次為風(fēng)機(jī)、大角度擴(kuò)散段、穩(wěn)流段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段，如圖1所示。一般實(shí)驗(yàn)段截面形狀有圓形、方形、三角形、橢圓形以及長(zhǎng)方形，在相似的穩(wěn)流段和收縮比情況下，通過(guò)橢圓形截面的氣流最均勻，即均勻區(qū)所占比例最大，圓形次之，長(zhǎng)方形再次之[8]。但長(zhǎng)方形截面有以下優(yōu)點(diǎn)：一是長(zhǎng)方形底面為水平面，便于放置、安裝模型；二是洞體側(cè)壁為平面，便于觀察窗的布置，且有利于氣流觀察和圖像采集。同時(shí)，長(zhǎng)方形截面加工工藝性好、成本低，因此，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，其中長(zhǎng)方形的高寬比為7∶10。

①風(fēng)機(jī)；②大角度擴(kuò)散段；③穩(wěn)流段；④收縮段； ⑤實(shí)驗(yàn)段；⑥擴(kuò)散段圖1 小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)Fig.1 Body structure of low speed mini wind tunnel

1.1 實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)

本小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)中擬對(duì)小比例的油泥模型進(jìn)行試驗(yàn)分析，通過(guò)分析確定了小比例油泥模型可以簡(jiǎn)化成尺寸為300 mm×100 mm×80 mm的立方體結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)資料[2]，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度公式為：

L=2.0D～2.5D。

(1)

其中：D為實(shí)驗(yàn)段水力直徑。綜合試驗(yàn)中所遇到的可能情況，取實(shí)驗(yàn)段高D1=300 mm，由高寬比7∶10得出實(shí)驗(yàn)段寬度D2=420 mm，水力直徑計(jì)算公式為：

D=2[D1D2÷(D1+D2)]。

(2)

式中：S為橫截面的面積，mm2；C為橫截面的周長(zhǎng)，mm。

將D1、D2代入公式(2)得D=350 mm，考慮實(shí)際情況，由公式(1)得L=750 mm，則實(shí)驗(yàn)段擬設(shè)計(jì)尺寸為750 mm×420 mm×300 mm，因?yàn)樾⌒惋L(fēng)洞針對(duì)汽車(chē)模型設(shè)計(jì)，寬度不需要很長(zhǎng)，所以選擇正方形截面作為實(shí)驗(yàn)段的截面形狀。最后實(shí)驗(yàn)段實(shí)際尺寸優(yōu)化為750 mm×400 mm×400 mm。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)段框架采用角鐵搭建，在表面覆蓋鋼化玻璃，既有足夠的強(qiáng)度，又便于觀察被測(cè)物體周?chē)鲌?chǎng)的狀態(tài)。

1.2 風(fēng)機(jī)流量及驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定

低速風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，維持氣流流動(dòng)的能量是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪提供的。氣流在風(fēng)洞管道中的能量耗散，主要表現(xiàn)為壓力下降。風(fēng)機(jī)的作用正是提高氣流的壓力。當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，風(fēng)洞便能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[9]。該小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速為120 km/h(約33.3 m/s，小于102 m/s，屬于低速)，可認(rèn)為該狀態(tài)下氣體不可壓縮。因此流量計(jì)算公式為：

Q=Sv。

(3)

式中：S為流體橫截面積，mm2；v為流體流速，m/s。所選風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量應(yīng)滿足公式：

Q1≥Qmax。

(4)

式中：Q1為風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量，m3/s；Qmax為實(shí)驗(yàn)段所需最大風(fēng)量，m3/s。由公式(3)可得實(shí)驗(yàn)段的Qmax為4.48 m3/s(約為1.61×104m3/h)。

為獲得較穩(wěn)定的氣流，擬選用離心風(fēng)機(jī)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)提供動(dòng)力。理論上所選風(fēng)機(jī)最大流量大于4.48 m3/s(1.61×104m3/h)即可。為降低風(fēng)噪，同時(shí)保證有足夠的流量?jī)?chǔ)備，利于實(shí)驗(yàn)臺(tái)未來(lái)的功能擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)選擇了一臺(tái)全負(fù)荷狀態(tài)下標(biāo)稱(chēng)風(fēng)量為4×104m3/h(11.11 m3/s)的風(fēng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為940 r/min，出風(fēng)口尺寸為650 mm×600 mm。

相同風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和轉(zhuǎn)速關(guān)系見(jiàn)公式：

(5)

式中：Q2為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行輸出的風(fēng)量，m3/s；n2為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，m/s；n1為達(dá)到試驗(yàn)所需的最大風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，m/s。相同風(fēng)機(jī)下功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系見(jiàn)公式：

(6)

式中：P2為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率，kW；P1為達(dá)到試驗(yàn)所需的最大風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)的功率，kW。聯(lián)立公式(4)、(5)、(6)得

(7)

由公式(7)可得本設(shè)計(jì)的P1≥4.10 km。

綜合電機(jī)實(shí)際規(guī)格，選擇5.5kW的三相交流異步電機(jī)，通過(guò)與電機(jī)匹配的交流變頻器，異步電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在工作條件范圍內(nèi)的無(wú)極變速，從而改變風(fēng)速的大小，風(fēng)速可由風(fēng)速儀測(cè)定。

1.3 收縮段設(shè)計(jì)

(8)

該公式由理想不可壓軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的結(jié)果推出。式中：D2為一半出口高或?qū)?；N為收縮比；L為收縮段的長(zhǎng)度；X為收縮段的縱向位移的長(zhǎng)度[12]。

由于收縮比大都在7～10，考慮到設(shè)計(jì)的小型低速風(fēng)洞主要用來(lái)分析汽車(chē)油泥模型，不需要很大的收縮比，因此選收縮比N為7，由公式：

(9)

式中：S2、S1分別為收縮段入口和出口的橫截面積，m2；D1為一半入口高或?qū)挕?/p>

L取300 mm，聯(lián)立公式(8)、(9)可得出風(fēng)洞收縮段的曲線如圖2所示。其中，X為洞體軸線方向尺寸。

圖2 風(fēng)洞收縮段曲線Fig.2 Contraction curve of wind tunnel

1.4 穩(wěn)流段設(shè)計(jì)

穩(wěn)流段通常是一個(gè)等截面管道，下游與收縮段相連，所以面積大小取決于收縮段的收縮比，由先前計(jì)算的收縮段的進(jìn)口截面半徑D=1 100 mm可知，穩(wěn)流段的截面尺寸為1 100 mm×1 100 mm，合適的穩(wěn)流段首先要保證可以安裝蜂窩器，并且還需要使氣流經(jīng)過(guò)蜂窩器和紗網(wǎng)后可以保持一段距離穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)收縮比小于5時(shí)，長(zhǎng)度為直徑的1.0～1.5倍；當(dāng)收縮比大于5時(shí)，長(zhǎng)度為直徑的0.5～1.0倍[7]。因此穩(wěn)流段的長(zhǎng)度取1 100 mm。

穩(wěn)流段中還安裝有蜂窩器等穩(wěn)流部件，可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行梳理，提高流場(chǎng)的氣流質(zhì)量。蜂窩器有助于減小湍流[13]，它由許多六角形(或方形、或圓形)小截面管道組成，從氣流產(chǎn)生的阻力損失方面考慮，六角形蜂窩管的阻力損失最小，方形次之，圓形再次之[14]?？紤]到加工方便，選取方形截面。隨著蜂窩長(zhǎng)度的增加、孔口尺寸的減小，蜂窩器出流方向的一致性更好，湍流度降低。由試驗(yàn)結(jié)果確定蜂窩長(zhǎng)度為0.075 m，蜂窩孔口尺寸為0.02 m時(shí)[15]，氣流質(zhì)量較好，同時(shí)確定蜂窩器的材質(zhì)為不銹鋼。

1.5 大角度擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

試驗(yàn)表明，一般對(duì)于可壓縮流體擴(kuò)壓角控制在6°～7°以內(nèi)，不可壓縮流體擴(kuò)壓角應(yīng)控制在 8°～10°以內(nèi)，則氣流[16]不會(huì)產(chǎn)生分離。根據(jù)相關(guān)資料，為了防止氣流分離，擴(kuò)壓半角應(yīng)控制在3.5°以內(nèi)[17]，但對(duì)于低速風(fēng)洞，由于馬赫數(shù)很小，氣流可看作不可壓縮流體[18]。因此，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用9°的擴(kuò)壓角，由于大角度擴(kuò)散段的入口與風(fēng)機(jī)出口相連，大角度擴(kuò)散段的出口與穩(wěn)流段的進(jìn)口相連，角度確定的情況下可以得出穩(wěn)流段的長(zhǎng)度L為1 700 mm。

1.6 擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

由于擴(kuò)散段的作用是在氣流通過(guò)實(shí)驗(yàn)段后能降速增壓，減小對(duì)外界環(huán)境的干擾。參照大角度擴(kuò)散段的設(shè)計(jì)并進(jìn)行一定的調(diào)整，此處選取擴(kuò)壓角為12°，長(zhǎng)度為1 550 mm。

2 洞體流場(chǎng)數(shù)值實(shí)驗(yàn)

對(duì)洞體內(nèi)部流體區(qū)域進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行流場(chǎng)模擬。因蜂窩板為薄片式結(jié)構(gòu)，主要起整流作用，對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的阻礙較小，但對(duì)模型網(wǎng)格劃分及計(jì)算影響太大，因此忽略。仿真模型采用速度進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)口初始速度為14 m/s，出口初始?jí)毫?。仿真結(jié)果如圖3所示，實(shí)驗(yàn)段流速約為37.9 m/s，實(shí)驗(yàn)段中的模擬風(fēng)速高于理論設(shè)計(jì)風(fēng)速33.3 m/s，考慮到對(duì)蜂窩板的忽略，以及風(fēng)機(jī)出口截面流速的不均勻性，實(shí)際風(fēng)速會(huì)低于模擬風(fēng)速，而更接近設(shè)計(jì)風(fēng)速，故該小型低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。

圖3 風(fēng)洞流場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.3 Flow field simulated results of wind tunnel

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種流場(chǎng)可視化的小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得到了各段的結(jié)構(gòu)尺寸，確定了風(fēng)機(jī)功率，同時(shí)，應(yīng)用CFD軟件對(duì)風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的風(fēng)洞結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，該小型風(fēng)洞設(shè)計(jì)方法可行。設(shè)計(jì)的小型風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝性好、成本低的特點(diǎn)，能夠滿足日常教學(xué)性能測(cè)試和評(píng)估的需要。

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Study on Structure Design of Mini Car Wind-Tunnel

Gao Shenghan，Li Honggang*，Wang Guolong，Zhang Kun，Wu Zhaosu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate aerodynamic performances of external projections of car body and small proportion clay modeling for automobile prototypes，this study designed a low-speed and open-circuit small wind-tunnel with the visualization of the flow field.The designed tunnel used a centrifugal blower to accelerate air flow and the air speed in the test section of the wind tunnel was 120 km/h.The structural style of the mini wind-tunnel was selected，the calculation methods on the structural sizes of each section were given，and the determination methods on the blower flow rate and the motor power were determined.The shape and sizes of the curve of contraction section were obtained，and the full structure of the wind-tunnel body was completed.The design established a 3D solid model with UG，and process of air through the tunnel was simulated using Ansys CFX program.The simulation results showed that the mini wind-tunnel can form stable airflow in the test section to simulate the air around external projections of car body and small scale model，meanwhile，the top air speed in the test section reached the destination.It was concluded that design scheme of mini wind-tunnel structure was feasible.

Clay modeling；small wind-tunnel；structure design of tunnel body

2016-04-18

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510225003)

高勝寒，本科生。研究方向：車(chē)輛工程。

*通信作者：李宏剛，碩士，副教授。研究方向：載運(yùn)工具功能創(chuàng)新。E-mail：lhg@nefu.edu.cn

高勝寒，李宏剛，王國(guó)龍，等.小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].森林工程，2016，32(6)：77-80.

V 211

A

1001-005X(2016)06-0077-04