微型低湍流標(biāo)定風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

郝春生，李匯軍，張思聰，周晨陽，胡捷

(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

工程運(yùn)用中風(fēng)速測量技術(shù)是重要的一環(huán)。風(fēng)速測量傳感器使用前必須標(biāo)定，才能保證精準(zhǔn)度。大型風(fēng)洞可以提供穩(wěn)定的風(fēng)速段，但是標(biāo)定成本太高，因此有必要研發(fā)微型標(biāo)定風(fēng)洞，不但應(yīng)用方便、成本低，而且標(biāo)定質(zhì)量較高。這對于提升風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速測試水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

熱線測試技術(shù)對傳感器的標(biāo)定要求很高，每次使用前都要進(jìn)行標(biāo)定，這就對標(biāo)定設(shè)備提出了很高的要求[2]。所以標(biāo)定風(fēng)洞的基本要求與風(fēng)速傳感器的工作條件有直接的關(guān)系，普通風(fēng)速儀測量范圍集中在0～30m/s，部分熱線風(fēng)速儀的量程達(dá)到了0～60m/s。

浙江大學(xué)的余世策等在2014年進(jìn)行了小型直流標(biāo)定風(fēng)洞的研制[2]，但是該標(biāo)定風(fēng)洞的尺寸接近5m，控制系統(tǒng)采用主動變頻控制，不僅不方便移動，而且主動控制方式精度不高。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉海洋等在2016年進(jìn)行了可移動低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[3],該標(biāo)定風(fēng)洞的尺寸也達(dá)到了2.63m，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速0～17.6m/s，雖然在可移動性得到了提升，但是標(biāo)定風(fēng)洞的標(biāo)定范圍降低了很多。

根據(jù)這一實(shí)際情況，研制出一種微型、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的直流標(biāo)定風(fēng)洞。本文以南京航空航天大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室微型直流標(biāo)定風(fēng)洞為例，詳細(xì)討論了風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真模擬，對標(biāo)定風(fēng)洞的研究有著較高的參考價值。

1 涵道氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 涵道氣動輪廓

目前主流的標(biāo)定風(fēng)洞控制方式大多采用交流變頻控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)存在耐久性的問題，并且標(biāo)定風(fēng)洞本身第一次使用需要風(fēng)速儀反向標(biāo)定，較不方便。在上述分析前提下，提出如下總體設(shè)計(jì)方案：1)標(biāo)定風(fēng)洞整體尺寸不宜過大；2)在風(fēng)速要求范圍內(nèi)保證穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡量簡單；3)出口流場湍流度滿足風(fēng)速儀的試驗(yàn)要求。標(biāo)定風(fēng)洞由動力段、擴(kuò)散段、蜂窩器、穩(wěn)定段、收縮段組成如圖1所示。動力段由軸流風(fēng)機(jī)供能，出口尺寸φ90mm，面積為6.4×10-3m2，試驗(yàn)需要標(biāo)定測試的風(fēng)速傳感器的迎風(fēng)面積為8×10-5m2，占出風(fēng)口面積的1.25%。入口尺寸φ250mm，收縮比7.72∶1；收縮曲線采用雙三次收縮曲線；整體長度630mm，達(dá)到桌面級別。

圖1 微型標(biāo)定風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖

1.2 動力段設(shè)計(jì)

動力段是為標(biāo)定風(fēng)洞提供風(fēng)源的重要組成部分，其中軸流風(fēng)機(jī)體積較小，且結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，采用電機(jī)驅(qū)動，降低風(fēng)扇對氣流的影響，將電機(jī)置于后置導(dǎo)葉整流罩內(nèi)。軸流風(fēng)機(jī)主要參數(shù)計(jì)算如下。

1)比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速可以用來表征不同類型的通風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)，通常R+S級[4]軸流通風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速>200，比轉(zhuǎn)速大表明其流量大而壓力小，同時，比轉(zhuǎn)速由全壓、流量和轉(zhuǎn)速決定，并影響著葉輪直徑等參數(shù)[5]。

計(jì)算可得比較速ns=220。

2)葉輪直徑

葉輪直徑直接影響通風(fēng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)。并且葉輪直徑受全壓的限制，受比轉(zhuǎn)速的影響[6]。

式中：Ku為系數(shù)，取ns=259，Ku取2.53，計(jì)算得D=0.25。

3)輪轂比

輪轂比對軸流風(fēng)機(jī)的用途及氣動流型選擇有著較大的影響，其中電機(jī)固定在后導(dǎo)葉處，因此輪轂的尺寸也由電機(jī)直徑尺寸決定，所以輪轂比是軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中全局性問題。

計(jì)算得到軸流風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)后，導(dǎo)入CFturbo進(jìn)行參數(shù)化建模，翼型采用NACA65-010，葉片數(shù)目為7，導(dǎo)葉數(shù)目為9。葉片輪廓如圖2所示。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)葉片模型

1.3 收縮段設(shè)計(jì)

氣流經(jīng)過穩(wěn)定段進(jìn)入收縮段，得到均勻加速，從而達(dá)到額定流速，收縮段的設(shè)計(jì)直接決定實(shí)驗(yàn)段的流體質(zhì)量，所以收縮段的設(shè)計(jì)是風(fēng)洞設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的部分。收縮段的設(shè)計(jì)和性能主要取決于收縮比C和收縮曲線，收縮比定義為收縮段入口處橫截面積與收縮段出口處橫截面積的比值[5]。收縮比C與氣流在收縮段速度增量成正比，另外較大的收縮比可以減小能耗，同時也可以一定程度上降低2個方向的分速度，在一定程度上降低相對湍流度，但是收縮比過大的話，收縮段之前的穩(wěn)定段的面積過大，不僅成本高，而且容易引起漩渦及影響各向同性[6]。收縮段出口處的湍流強(qiáng)度與收縮段入口處的湍流強(qiáng)度比為湍流度減小收縮比作用系數(shù)，湍流度減小收縮比作用系數(shù)fC與收縮比C的關(guān)系為：

(1)

fC與C的關(guān)系曲線如圖3所示[7-9]。

圖3 收縮比作用系數(shù)fC與收縮比C的 關(guān)系曲線

由圖3可得，收縮比在0～5之間時，fC減小得比較明顯；在15～50之間，fC的變化不大?？紤]到成本問題，而且過大的收縮比需要二次收縮，所以收縮比取5～10之間。本風(fēng)洞收縮比取7.72∶1，常用的收縮曲線有維特辛斯基收縮曲線、雙三次曲線、五次方曲線，公式分別為：

R=R2+(R1-R2)[1-10(X/l)3+15(X/l)4-6(X/l)5]

圖4是3種曲線的對比圖，由圖中可以看出：維特辛斯基曲線在進(jìn)口部分收縮較其他2個曲線快，后半段收縮平緩，這樣可以較大程度地保證出口處速度均勻，但是可能會出現(xiàn)逆壓梯度[9]；雙三次曲線和五次方曲線的進(jìn)口都比較平緩，雙三次曲線在進(jìn)出口處都比五次方曲線更為平緩，本風(fēng)洞采用更平緩的雙三次曲線。

圖4 3種曲線的對比圖

1.4 蜂窩器設(shè)計(jì)

為了提高進(jìn)入收縮段的氣流品質(zhì)，需要在穩(wěn)定段安裝蜂窩器和阻尼網(wǎng)。由于此風(fēng)洞的尺寸較小，且整體結(jié)構(gòu)為3D打印材料。所以簡化掉阻尼網(wǎng)，蜂窩器對氣流有導(dǎo)向作用，有效降低氣流橫向的湍流度[2]，蜂窩器由許多小截面管道組成，其中六角形蜂窩管的阻力損失最小[10]，本蜂窩器長度尺寸為75mm，對邊尺寸為20mm。

圖5 蜂窩器結(jié)構(gòu)放大圖

2 風(fēng)速儀兩自由度夾具設(shè)計(jì)

出口氣流的湍流強(qiáng)度影響標(biāo)定風(fēng)洞的品質(zhì)[11]，為了不影響出口的速度場，設(shè)計(jì)兩自由度二維熱線風(fēng)速儀夾具，夾具力臂采用1/4圓弧段，最大限度地減少對流場的影響。在舵機(jī)與上、下臂連接處安裝紅外線，交點(diǎn)在風(fēng)速儀探頭處，使風(fēng)速儀探頭始終位于夾具兩自由度軸線交點(diǎn)處也是標(biāo)定風(fēng)洞的軸線處，夾具采用360°高精度舵機(jī)驅(qū)動，這樣可以不改變風(fēng)速儀探頭位置而改變探頭的指向角度，測量出口氣流場的不均勻性也可以測量出口風(fēng)速方向角。夾具實(shí)物及整體效果圖如圖6所示。

圖6 夾具實(shí)物及整體效果圖

3 標(biāo)定風(fēng)洞流場數(shù)值模擬設(shè)置

3.1 網(wǎng)格劃分

風(fēng)扇葉片模型由CFturbo導(dǎo)入solidworks，然后進(jìn)行整體涵道建模，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，簡化后風(fēng)洞如圖7所示。其中將整個風(fēng)洞分成4個部分，分別是旋轉(zhuǎn)域葉輪、靜止域后導(dǎo)葉、靜止域進(jìn)口、靜止域出口。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的質(zhì)量高于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，且同尺寸標(biāo)準(zhǔn)下網(wǎng)格數(shù)量低于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。葉輪和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這樣可以解決因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量太差或網(wǎng)格數(shù)量過多導(dǎo)致計(jì)算出錯的問題。分別對邊界層及復(fù)雜構(gòu)形處進(jìn)行加密處理，4個域的網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖8所示，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用turbogrid劃分，要提前對葉輪、導(dǎo)葉進(jìn)行流道提取。靜止域的進(jìn)出口網(wǎng)格采用icem劃分。

圖7 標(biāo)定風(fēng)洞簡化圖

圖8 網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)圖

3.2 邊界條件

整個風(fēng)洞涵道分為4個域，旋轉(zhuǎn)域R(rotaing)設(shè)置轉(zhuǎn)速1 400 r/min，參考壓力為1 Pa，傳熱模型選擇Total Energy，流模型設(shè)置成更適合旋轉(zhuǎn)機(jī)械的SSTκ-ε模型。進(jìn)口設(shè)置速度進(jìn)口(進(jìn)口速度8 m/s)，總溫293 K，出口設(shè)置參考?xì)鈮? atm，其余均設(shè)置為wall，因?yàn)橛?個域，所以需要設(shè)置3個interface，其中有兩個設(shè)置轉(zhuǎn)靜交界面Frozen Rotor，360degree。邊界條件設(shè)置如圖9所示。求解精度設(shè)置為10-5。

圖9 邊界條件

4 標(biāo)定風(fēng)洞流場數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 出口速度場均勻性分析

風(fēng)洞整體及蜂窩器前后局部放大流線圖如圖10所示。葉輪旋轉(zhuǎn)對進(jìn)口產(chǎn)生負(fù)壓，氣流經(jīng)過葉輪加速，后置導(dǎo)葉加蜂窩器起到了很好的導(dǎo)流作用。圖10(b)可以看出氣流流經(jīng)蜂窩器后流場均勻性得到了顯著提高，氣流的切向速度經(jīng)過蜂窩器得到減弱，這是因?yàn)榉涓C器打散了大尺度渦，加速湍流耗散，極大地降低了湍流度。出口氣流的速度場風(fēng)速如圖11、圖12所示，出口風(fēng)速為65m/s時，在出口截面中部7.6cm范圍內(nèi)，風(fēng)速較為穩(wěn)定，相對誤差較小，出口風(fēng)速為32m/s時，速度風(fēng)場均勻截面積變小，風(fēng)場均勻性相對較差，隨出風(fēng)口速度增加逐漸趨于穩(wěn)定，出風(fēng)口速度為32m/s時，不穩(wěn)定風(fēng)場邊界層厚度為1cm，風(fēng)場穩(wěn)定面積占比75%以上。風(fēng)速均勻截面積遠(yuǎn)大于標(biāo)定風(fēng)速儀，可以滿足標(biāo)定風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求。

圖10 風(fēng)洞整體及蜂窩器局部放大流線圖

圖11 出口風(fēng)速分布圖

圖12 出口橫截面流場分布圖

4.2 出口氣流湍流強(qiáng)度分析

雷諾數(shù)是表征流體流動特性的重要參數(shù)。雷諾數(shù)小時，影響流體流動的主要是各質(zhì)點(diǎn)間的黏性力，這時流體呈層流狀態(tài)；雷諾數(shù)大時，影響流體流動的主要是慣性力，這時流體呈紊流狀態(tài)。對于管道來說，雷諾數(shù)Re<2 000為層流狀態(tài)，Re>4 000為紊流狀態(tài)，2 000～4 000為過渡狀態(tài)[3]。

其中：ρ為流體密度，這里是空氣密度1.29kg/m3；υ、α分別為涵道流體的平均速度及涵道直徑。最大風(fēng)速出口平均速度65m/s，出口段長度為0.1m，空氣的黏滯系數(shù)η為1.8×10-3Pa·s，湍流強(qiáng)度計(jì)算公式為I=0.16Re-1/8。

當(dāng)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時，此時湍流強(qiáng)度為2%，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

1)結(jié)合空氣動力學(xué)在風(fēng)工程的研究，研制了一種微型直流式標(biāo)定風(fēng)洞，給出了各個結(jié)構(gòu)處參數(shù)確定方法；

2)保證出風(fēng)口質(zhì)量的前提下，提高了標(biāo)定風(fēng)洞的可操作、可移動性；

3)利用Ansys CFX對整體風(fēng)洞進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果表明，出風(fēng)口速度分布均勻性面積遠(yuǎn)大于標(biāo)定風(fēng)速儀，湍流強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，為之后的試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。