多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞研制

李令令，孟慶林，張 磊，李 瓊

多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞研制

李令令，孟慶林，張 磊，李 瓊

（華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

自主研發(fā)并建設(shè)了多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞，完成了風(fēng)洞的溫度、濕度、太陽(yáng)輻射照度、天空有效溫度、降雨、風(fēng)速、鹽霧7個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)備配置。以典型環(huán)境參數(shù)為例，給出部分氣候參數(shù)耦合試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該風(fēng)洞的建設(shè)，為大陸及海島極端含鹽熱濕氣候環(huán)境下建筑熱工物理性能的研究提供了新的平臺(tái)。

風(fēng)洞；多參數(shù)；動(dòng)態(tài)；熱濕氣候

風(fēng)洞試驗(yàn)控制精度高、可重復(fù)性好、不受室外氣候條件影響等優(yōu)點(diǎn)，從航空航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用到建筑、氣象、車輛、機(jī)械、體育等領(lǐng)域。近年來(lái)，多種不同規(guī)模和不同應(yīng)用類型的風(fēng)洞相繼建立，為不同領(lǐng)域的科學(xué)研究提供了試驗(yàn)平臺(tái)[1-4]。風(fēng)洞的控制參數(shù)也由單一風(fēng)速，逐漸增加為風(fēng)速、溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等參數(shù)[5-8]。

在建筑物理研究方面，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)室外氣候環(huán)境，再現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中建筑的物理現(xiàn)象，可更方便、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象規(guī)律，為建立合理的數(shù)學(xué)模型提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。雖然現(xiàn)有整車環(huán)境風(fēng)洞[4]可實(shí)現(xiàn)的氣候參數(shù)較為豐富，但是其為開口式風(fēng)洞，不利于建筑材料在復(fù)雜氣候參數(shù)耦合影響下建筑物理問(wèn)題的精細(xì)研究，比如建筑材料的蒸發(fā)冷卻研究。相關(guān)的多參數(shù)人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，可以很好地實(shí)現(xiàn)溫濕度等參數(shù)的控制，但是流場(chǎng)的要求相比風(fēng)洞要低。目前，國(guó)內(nèi)外用于建筑材料研究的[7]風(fēng)洞為穩(wěn)態(tài)控制，且控制參數(shù)較少。我校熱濕氣候風(fēng)洞[8-9]可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射共4個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制，但是由于其尺寸限制，不利于建筑單元構(gòu)件的物理現(xiàn)象研究，而且尚不能實(shí)現(xiàn)濕熱地區(qū)的降雨參數(shù)的控制。

此外，在當(dāng)前各國(guó)大力發(fā)展海島建設(shè)的形勢(shì)下，海島建筑的熱工物理性能迫切需要研究。但是目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞，尚不能復(fù)現(xiàn)復(fù)雜極端含鹽熱濕海島氣候，因此風(fēng)洞的功能還需拓展。本文的主要目的是從構(gòu)造和測(cè)試結(jié)果方面，介紹我校亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)并建設(shè)的多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞。

1 DHCWT風(fēng)洞構(gòu)造

我校多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞為回流立式風(fēng)洞，全長(zhǎng)40.3 m，最寬處為4.9 m，最高處為10.4 m。該風(fēng)洞由第一穩(wěn)定段、第一試驗(yàn)段、擴(kuò)散段、風(fēng)機(jī)段、過(guò)渡段、收縮段、第二穩(wěn)定段、第二試驗(yàn)段8部分組成，如圖1—圖3所示。

本文主要介紹可以復(fù)現(xiàn)室外復(fù)雜氣候環(huán)境的第一試驗(yàn)段，其長(zhǎng)×寬×高尺寸為3 m×3 m×2.5 m，可放置單元模型和材料試件；試件槽為2.5 m×2.5 m，由5塊0.5 m×2.5 m可移動(dòng)模塊板組成，根據(jù)試驗(yàn)需求調(diào)整模塊板放置的數(shù)量。

整個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室由風(fēng)洞洞體、控制室、材料室、設(shè)備區(qū)、空調(diào)小室5個(gè)部分組成，如圖4所示。其中控制室放置風(fēng)洞操控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、部分?jǐn)?shù)據(jù)采集單元；設(shè)備區(qū)放置風(fēng)洞控溫控濕需要的制冷加熱除濕機(jī)組，冷卻塔，冷、熱保溫水箱，水系統(tǒng)和控電系統(tǒng)；材料室存儲(chǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)需要的材料構(gòu)件和模型；空調(diào)小室為模擬與室外環(huán)境相對(duì)的室內(nèi)環(huán)境或其他測(cè)試環(huán)境，保證測(cè)試試件內(nèi)外邊界條件與實(shí)際所處的室內(nèi)外熱濕邊界條件相同。

根據(jù)DHCWT的使用要求和特點(diǎn)，風(fēng)洞洞體內(nèi)壁面采用316不銹鋼，外壁面為彩鋼板，內(nèi)外壁面之間填充100 mm厚度的聚氨酯保溫材料，達(dá)到保溫、隔熱、防潮、防腐、節(jié)能的目的；風(fēng)洞觀察窗采用保溫、隔熱的雙層鋼化玻璃，且其外部配有移動(dòng)保溫門，既保證觀察，又避免室外太陽(yáng)輻射對(duì)部分試驗(yàn)的影響。風(fēng)洞洞體頂部裝設(shè)由遮陽(yáng)裝置、噴霧裝置組成的透明玻璃遮陽(yáng)棚，以降低日照雨淋對(duì)于風(fēng)洞洞體老化和風(fēng)洞試驗(yàn)的影響，同時(shí)保證風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室整體白天的采光需求及內(nèi)部舒適性。

圖1 多參數(shù)熱濕氣候風(fēng)洞三維模型圖

圖2 多參數(shù)熱濕氣候風(fēng)洞剖面圖A-A（單位：mm）

圖3 多參數(shù)熱濕氣候風(fēng)洞剖面圖B-B（單位：mm）

圖4 多參數(shù)熱濕氣候風(fēng)洞平面布置示意圖（單位：mm）

2 DHCWT風(fēng)洞各參數(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 風(fēng)速的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)洞內(nèi)氣流循環(huán)采用一臺(tái)變頻軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量范圍為13 500~270 000 m3/h，電機(jī)功率110 kW，直徑為2 m。通過(guò)計(jì)算機(jī)讀入設(shè)定風(fēng)速，傳輸?shù)斤L(fēng)速控制器，經(jīng)傳感器反饋值與設(shè)定值的差值運(yùn)算后，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，在風(fēng)洞試驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)風(fēng)速在0.5~10 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

風(fēng)機(jī)段進(jìn)出口為圓形截面，前后風(fēng)管為矩形截面，為減小氣流的分流，在風(fēng)機(jī)前后增加過(guò)渡段。由于過(guò)渡段的長(zhǎng)度并沒有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，但需長(zhǎng)度應(yīng)適宜，過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加風(fēng)洞設(shè)備的制造成本，過(guò)短又會(huì)影響到風(fēng)機(jī)段的流動(dòng)特性，綜合Fluent軟件模擬結(jié)果，最終設(shè)置過(guò)渡段長(zhǎng)度為1.75 m，如圖1和5所示。此外，為改善試驗(yàn)段氣流特性，在試驗(yàn)段入口設(shè)置蜂窩器和阻尼網(wǎng)組成的穩(wěn)定段。蜂窩器長(zhǎng)度長(zhǎng)度越大，導(dǎo)直氣流效果越好，但是能量損失增加，口徑值越小，蜂窩器對(duì)降低紊流度的效果越明顯。根據(jù)相關(guān)研究/常取8~12[10]，這里采用損失系數(shù)較小的六角形蜂窩器，由樹脂結(jié)構(gòu)的蜂窩格子熱壓而成，/取10，為300 mm。為進(jìn)一步降低湍流度[11]，在試驗(yàn)段入口布置1層7.9目/cm（20目/英寸）的阻尼網(wǎng)，從而在風(fēng)洞內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻分布的流場(chǎng)。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)中的熱線風(fēng)速儀和三維超聲波風(fēng)速儀的測(cè)試，在最大風(fēng)速時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)段入口截面風(fēng)速平均偏差系數(shù)為1.72%，湍流度為1.35%，其均勻性和湍流度均滿足風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求[12]。

圖5 風(fēng)洞過(guò)渡段三維結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.2 溫度、濕度的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)溫度和濕度的精密調(diào)節(jié)，在風(fēng)洞洞體圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)較好的基礎(chǔ)上，風(fēng)洞配置的設(shè)備包括1臺(tái)制冷機(jī)組、1組表冷器、2組加熱器、1臺(tái)轉(zhuǎn)除濕機(jī)、1組電蒸汽加濕器、1臺(tái)冷卻塔、1個(gè)冷水保溫水箱、1個(gè)熱水保溫水箱。

由于風(fēng)洞內(nèi)氣流的加熱和除濕，相比制冷和加濕，其響應(yīng)存在滯后性，為提高其響應(yīng)速度，采用三級(jí)加熱、三級(jí)除濕的方式，控制流程如圖6所示。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)氣流循環(huán)經(jīng)一級(jí)空氣調(diào)節(jié)除濕表冷器、二級(jí)露點(diǎn)除濕專用表冷器、三級(jí)高效轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)實(shí)現(xiàn)三級(jí)快速除濕；氣流經(jīng)表冷器進(jìn)行一級(jí)升溫，再經(jīng)過(guò)兩組加熱器實(shí)現(xiàn)三級(jí)快速加熱。通過(guò)智能耦合控制，在試驗(yàn)段入口實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)溫度10~40 ℃、相對(duì)濕度的耦合范圍為40%~98%。

圖6 溫度和濕度控制流程圖

2.3 太陽(yáng)輻射照度模擬的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)段上部燈槽共安裝141盞175 W紅外燈模擬太陽(yáng)光源，可瞬時(shí)啟動(dòng)，光源能量主要分布在300~3000 nm波長(zhǎng)內(nèi)，基本包含了太陽(yáng)輻射的中短波輻射280~2500 nm波長(zhǎng)。通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定太陽(yáng)輻射照度值，經(jīng)輻射照度表反饋值與設(shè)定值的差值運(yùn)算后，自動(dòng)調(diào)節(jié)光源的輸入功率，在試件表面獲得設(shè)置的太陽(yáng)輻射照度。同時(shí)，燈槽頂部設(shè)置冷輻射板，及時(shí)帶走光源產(chǎn)生的熱量，保持燈槽空間的溫度在50 ℃以下，保證太陽(yáng)輻射燈的正常工作。

根據(jù)風(fēng)洞內(nèi)部構(gòu)造、316鋼板壁面以及玻璃觀察窗表面對(duì)于光源反射的不同影響，并考慮經(jīng)濟(jì)成本，在燈陣中央?yún)^(qū)域采用稀疏布置的梅花型陣列；燈陣的前后區(qū)域，由于無(wú)鋼板壁面的反射疊加作用，采用加密的矩陣陣列；燈陣的左右區(qū)域，根據(jù)鋼板壁面和玻璃壁面的反射疊加程度不同，采用矩陣陣列并進(jìn)行局部調(diào)整，見圖7。在距離輻射燈底部2.5 m處的試件槽表面，測(cè)得動(dòng)態(tài)范圍為0~1000 W/m2，可無(wú)極調(diào)節(jié)。

圖7 燈陣平面布置圖（單位：mm）

2.4 天空有效溫度模擬的實(shí)現(xiàn)

天空有效溫度是計(jì)算天空長(zhǎng)波輻射量的關(guān)鍵參數(shù)。在DHCWT實(shí)驗(yàn)段上部采用尺寸為3 m×3 m的輻射板與輻射燈耦合布置。為保證溫度分布的均勻性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)，在輻射板上設(shè)置8條水路，9個(gè)溫度控制點(diǎn)。在控制系統(tǒng)中輸入天空有效溫度設(shè)定值，經(jīng)測(cè)點(diǎn)反饋值的平均值與設(shè)定值的差值運(yùn)算，調(diào)節(jié)冷、熱水的供水量，實(shí)現(xiàn)天空有效溫度在7~45 ℃的動(dòng)態(tài)控制。

2.5 降雨的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)洞的降雨模擬系統(tǒng)由流量高、中、低3組不同孔徑（13.1 mm、6.0 mm、3.6 mm）的FullJet型雨滴模擬噴頭，不銹鋼分水、供水、過(guò)濾系統(tǒng)，便攜式降雨測(cè)控系統(tǒng)組成。通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)反饋值與設(shè)定值的差值比較，實(shí)時(shí)調(diào)整降雨噴頭的供水量和壓力、降雨噴頭以及供水溫度，在試驗(yàn)段可實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度為5~ 200 mm/h的動(dòng)態(tài)控制范圍。

2.6 鹽霧的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)洞的鹽霧系統(tǒng)是按比例配制好鹽溶液過(guò)濾后輸送到鹽霧發(fā)生箱中，經(jīng)超聲波霧化器，產(chǎn)生分散精細(xì)而濕潤(rùn)的濃霧，通過(guò)調(diào)節(jié)噴霧壓力和噴嘴孔徑開度可調(diào)節(jié)鹽霧顆粒直徑大小，經(jīng)風(fēng)洞中的鹽霧噴嘴均勻分布在試驗(yàn)段中，根據(jù)鹽霧收集器收集試驗(yàn)段中的鹽溶液樣本，以測(cè)試鹽霧的沉降率，及時(shí)補(bǔ)充鹽溶液。風(fēng)洞內(nèi)暴露于鹽霧環(huán)境下的部位均做耐鹽防腐蝕處理。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的鹽霧濃度的動(dòng)態(tài)控制范圍為0.3~25 mg/m3，鹽霧顆粒直徑大小1~5 μm占85%以上，可滿足沿海城市及海島地區(qū)的大氣鹽霧濃度范圍[13]。

2.7 空調(diào)小室

空調(diào)小室位于風(fēng)洞試驗(yàn)段下方，采用2 HP風(fēng)冷壓縮冷凝機(jī)組和功率為6 kW的電加熱器調(diào)節(jié)溫度，并且在其送風(fēng)和出風(fēng)口采用孔板型風(fēng)口，保證空調(diào)小室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性。空調(diào)小室溫度控制范圍為16~30 ℃，風(fēng)速≤0.5 m/s。

3 DHCWT動(dòng)態(tài)周期性工況模擬

DHCWT風(fēng)洞不僅可以對(duì)單一氣候參數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，也可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)動(dòng)態(tài)耦合控制。本節(jié)對(duì)熱濕地區(qū)廣州夏季典型氣象日[14]進(jìn)行連續(xù)3 d的動(dòng)態(tài)復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，并采用標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)周期性工況的控制偏差。各參數(shù)動(dòng)態(tài)周期性模擬結(jié)果如表1和圖8所示。

各參數(shù)的測(cè)量值均能較好跟蹤其設(shè)定值，僅在風(fēng)速較低且相對(duì)濕度較高時(shí)，空氣溫度和天空有效溫度出現(xiàn)較大的波動(dòng)；空氣溫度在高濕且低風(fēng)速的一段時(shí)間內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)的測(cè)量值與控制值絕對(duì)偏差大于0.2 ℃，其他大部分偏差均在±0.2 ℃以內(nèi)；天空有效溫度在高溫高濕且低風(fēng)速的這段段時(shí)間內(nèi)，測(cè)量值與控制值的絕對(duì)偏差大于0.5 ℃，其他均在0.5 ℃以內(nèi)。

表1 各參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制偏差

圖8 各參數(shù)周期性動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

4 結(jié)論

（1）自主研發(fā)的多參數(shù)動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞，通過(guò)設(shè)置相關(guān)氣候參數(shù)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了室外自然氣候中風(fēng)速、溫度、濕度、太陽(yáng)輻射照度、天空背景輻射溫度、降雨、鹽霧共7個(gè)參數(shù)的模擬，控制范圍分別為0.5~ 10 m/s、10~40 ℃、40%~98%、0~1000 W/m2、7~45 ℃、5~200 mm/h、0.3~25 mg/m3。對(duì)廣州夏季典型氣象日連續(xù)測(cè)試表明，測(cè)量值與控制值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.01 m/s、0.19 ℃、0.53%、0.96 W/m2、0.35 ℃。該風(fēng)洞的建設(shè)，為大陸及海島極端含鹽熱濕氣候環(huán)境下，建筑物理的研究提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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Development of multi-parameter dynamic hot-humid climate wind tunnel

LI Lingling, MENG Qinglin, ZHANG Lei, LI Qiong

(State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

A multi-parameter dynamic hot-humid climate wind tunnel is independently developed and built, and the equipment configuration of seven parameters, namely temperature, humidity, solar radiation illumination, sky effective temperature, rainfall, wind speed and salt fog is completed. By taking typical environmental parameters as an example, the coupling experimental results of some climatic parameters are presented. From the experimental results, it can be seen that the design has achieved the expected goal. The construction of the wind tunnel provides a new experimental platform for the study of thermal and physical properties of buildings in the extreme salt-bearing hot-humid climate of the mainland and islands.

wind tunnel; multi-parameter; dynamic state; hot-humid climate;

V211.74

A

1002-4956(2019)10-0095-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.023

2019-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（51590912）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51678243）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A030313506）

李令令（1990—），女，河南周口，博士研究生，主要從事建筑熱環(huán)境與節(jié)能研究。E-mail: huananlilingling@163.com

孟慶林（1963—），男，吉林海龍，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事建筑物理與節(jié)能技術(shù)研究。