小型風(fēng)洞實驗設(shè)計與布局方法的優(yōu)化

劉 帥,熱依汗古麗·木沙,金阿芳

[新疆大學(xué) 智能制造現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院(機(jī)械工程學(xué)院),烏魯木齊 830000]

風(fēng)洞實驗是空氣動力學(xué)研究的重要手段,可模擬實際飛行中的各種氣流條件,為飛行器設(shè)計提供理論支持及實驗依據(jù)。特別是在小型風(fēng)洞實驗中,由于實驗條件及環(huán)境的特殊性,其設(shè)計和布局的合理性直接關(guān)系著實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性[1]。由于小型風(fēng)洞尺寸和流場特性與大型風(fēng)洞存在較大的差異,要求在設(shè)計和布局上考慮其特有的流場特性及實驗要求。小型風(fēng)洞通常在空間和資金上存在一定的限制,如何在有限的條件下實現(xiàn)對流場的精確控制、最大限度地提高實驗準(zhǔn)確性及可重復(fù)性是需要考慮的重要因素,因此探討小型風(fēng)洞的設(shè)計與布局優(yōu)化方法不僅能夠提高實驗精度及效率,還能為相關(guān)研究和發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

圖1 小型風(fēng)洞結(jié)構(gòu)Fig.1 Small wind tunnel structure

1 小型風(fēng)洞實驗存在的問題

1.1 設(shè)備尺寸和空間利用率不高

在小型風(fēng)洞實驗流程中,風(fēng)洞的設(shè)備尺寸與空間利用問題是人們關(guān)注的熱點。根據(jù)小型風(fēng)洞設(shè)計與實驗中的闡述[2],在一些專為汽車實驗設(shè)計的風(fēng)洞中,汽車模型的迎風(fēng)面積不得超過實驗段截面積的10%,這制約了實驗精度及多樣性。假設(shè)一個風(fēng)洞的實驗段截面積為100 m2,意味著模型的迎風(fēng)面積不能超過10 m2,這一尺寸限制在一定程度上降低了實驗的靈活性及多樣性。在冰風(fēng)洞實驗中,由于需要配備大容量冷卻器和噴霧器來模擬真實飛行中的結(jié)冰條件,空間被占用,使得實驗操作空間受到嚴(yán)重影響,這些設(shè)備和儀器在物理空間上的占用導(dǎo)致整體空間利用率相對較低。

1.2 流場均勻性不足,導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)偏差

流場的均勻性是風(fēng)洞實驗中的核心因素,在基于CFD對低速風(fēng)洞試驗段的仿真研究中[3],即便是精心設(shè)計的風(fēng)洞,其流場均勻性也難以得到充分保障。在某一具體實驗中,流場在各個不同位置的速度偏差高達(dá)15%,數(shù)據(jù)偏差在一定程度上影響了實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度,可能會對實驗結(jié)果的可重復(fù)性與普適性產(chǎn)生影響。流場均勻性的問題不僅關(guān)乎設(shè)備的精密度,更與風(fēng)洞整體的設(shè)計和布局息息相關(guān)。

1.3 槳葉設(shè)計不合理,影響風(fēng)洞效率

在風(fēng)洞實驗中,風(fēng)扇及其槳葉的設(shè)計與運(yùn)作直接關(guān)系著整個風(fēng)洞的效率及實驗數(shù)據(jù)的可靠性。在實用直流式低速風(fēng)洞的研究中[4]分析了風(fēng)扇的基礎(chǔ)要素,如風(fēng)扇上游的防護(hù)網(wǎng)設(shè)置,可防止冰塊等異物對葉片造成損傷。但在一些實際的小型風(fēng)洞設(shè)計中,槳葉的設(shè)計常常忽視了一些關(guān)鍵的氣動特性及物理規(guī)律。例如,在某針對輕型飛行器的風(fēng)洞實驗中,由于槳葉的扭角設(shè)計不夠精確及材料選擇上的失誤,造成風(fēng)洞內(nèi)流體運(yùn)動的不穩(wěn)定,在實驗數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出高達(dá)20%的測量誤差。這種誤差累積到整體實驗數(shù)據(jù)中,將極大地影響研究成果的準(zhǔn)確性及可靠性。因此不能忽視槳葉設(shè)計中的每一個環(huán)節(jié),包括幾何形狀、安裝角度及材料選擇等。

1.4 整流罩設(shè)計與布局不當(dāng),導(dǎo)致流動分離與損失

整流罩在風(fēng)洞中負(fù)責(zé)引導(dǎo)流體、減小湍流及提高流動效率。在大型氣動聲學(xué)風(fēng)洞全風(fēng)洞流場特性的數(shù)值模擬中[5],整流罩的設(shè)計與布局直接關(guān)系著風(fēng)洞內(nèi)部的氣流特性。在一些小型風(fēng)洞中,由于對流體動力學(xué)理論把握不足或出于成本考慮,整流罩的設(shè)計與布局常常無法達(dá)到理論要求。在一項關(guān)于無人機(jī)模型的風(fēng)洞實驗中,由于整流罩的角度和長度選擇不當(dāng),造成實驗段內(nèi)部氣流速度分布不均,特別是在靠近壁面的區(qū)域,流速數(shù)據(jù)顯示氣流速度在不同位置的變化達(dá)到8%左右,這增加了流動的能量損失,在實驗數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出顯著的非均勻性。因此整流罩的設(shè)計不僅要考慮流體引導(dǎo)效果,還要深入研究其在具體實驗中的氣動特性,確保設(shè)計和布局的科學(xué)性。

2 小型風(fēng)洞的優(yōu)化設(shè)計

2.1 根據(jù)流場需求調(diào)整風(fēng)洞尺寸和形狀

在風(fēng)洞實驗中,合理的風(fēng)洞尺寸與形狀至關(guān)重要。以某次小型無人機(jī)氣動特性研究為例,風(fēng)洞的測試段截面面積僅為2.0 m×1.5 m,而無人機(jī)翼展達(dá)到了0.8 m,占據(jù)了風(fēng)洞截面的較大部分[6]。在風(fēng)速達(dá)到20 m/s時,由于無人機(jī)模型占據(jù)了過大的風(fēng)洞截面,流場的均勻性受到了明顯影響,導(dǎo)致測量的阻力系數(shù)與理論計算值相比偏差達(dá)到10%以上。因此在保證風(fēng)洞流場質(zhì)量的前提下,縮小風(fēng)洞尺寸或優(yōu)化形狀成為必然。例如,引入具有一定曲率的弧形天花板和地板,利用壁面的流體導(dǎo)向作用,有可能在不增加風(fēng)洞尺寸的前提下減小流場中的三維效應(yīng),提高流場的均勻性。

2.2 采用高效率的風(fēng)扇和槳葉,提高風(fēng)速與均勻性

風(fēng)洞實驗的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于風(fēng)扇與槳葉的性能。以某低速風(fēng)洞為例,該風(fēng)洞使用的風(fēng)扇直徑為2 m,設(shè)計的最大風(fēng)速為25 m/s。在一個關(guān)于微型飛行器的實驗中,為了模擬飛行器在高速飛行狀態(tài)下的氣動特性,增加了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,以達(dá)到更高的風(fēng)速。但由于槳葉設(shè)計不合理,當(dāng)風(fēng)速超過30 m/s時,風(fēng)洞內(nèi)的流場開始出現(xiàn)不穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)的波動范圍超過5%,因此合理的風(fēng)扇與槳葉設(shè)計對于保證風(fēng)洞實驗的準(zhǔn)確性來說至關(guān)重要。例如,采用更加精細(xì)的槳葉扭角分布和翼型設(shè)計或引入變槳距技術(shù),可在不增加能耗的前提下進(jìn)一步提高風(fēng)扇效率和風(fēng)洞的最大風(fēng)速。

圖2 風(fēng)洞尺寸和形狀數(shù)值模擬Fig.2 Numerical simulation of wind tunnel size and shape

圖3 風(fēng)扇段內(nèi)空間流動特性Fig.3 Space flow characteristics in the fan segment

2.3 考慮反扭導(dǎo)流片與預(yù)扭導(dǎo)流片的合理應(yīng)用

反扭導(dǎo)流片與預(yù)扭導(dǎo)流片作為風(fēng)洞流場質(zhì)量的重要保障,其設(shè)計和應(yīng)用通常涉及準(zhǔn)確的數(shù)值計算和實驗驗證。以某型號的小型風(fēng)洞實驗為例,在進(jìn)行無人機(jī)氣動性能測試時,原始設(shè)計的風(fēng)洞由于沒有采用合適的導(dǎo)流片,流場在模型周圍表現(xiàn)出明顯的不均勻性。通過測量發(fā)現(xiàn),風(fēng)速在橫截面上的分布變化達(dá)到10%左右,這影響了氣動性能測試的準(zhǔn)確性。為了解決這一問題,在風(fēng)洞入口處引入預(yù)扭導(dǎo)流片,其主要設(shè)計參數(shù)包括扭角30°、展弦比6、弦長300 mm、間距150 mm等。這些預(yù)扭導(dǎo)流片能夠在較大的攻角范圍內(nèi)保持較好的流場均勻性。實驗證明,經(jīng)過預(yù)扭導(dǎo)流片的調(diào)整,流場速度分布的均勻度在橫截面上提高到97%,明顯改善了風(fēng)洞的流場質(zhì)量。

2.4 根據(jù)實驗需求選擇合適的長細(xì)比與擴(kuò)散角

風(fēng)洞的長細(xì)比與擴(kuò)散角的選擇通常依賴于具體的實驗需求和風(fēng)洞的使用目的。在一項針對高速列車模型的小型風(fēng)洞實驗中,考慮到列車模型的長度及流體在模型后方的恢復(fù)情況,選擇了一個相對較大的長細(xì)比——7∶1,以保證流體在流過模型后能夠有足夠的距離恢復(fù)到自由流動狀態(tài),減小尾跡區(qū)的影響。實驗中通過比較不同長細(xì)比下測得的阻力系數(shù)發(fā)現(xiàn),在7∶1的長細(xì)比下,模型阻力系數(shù)測量值與理論值的相對誤差控制在2%以內(nèi)。對于擴(kuò)散角的選擇,依據(jù)實驗中的一項關(guān)于風(fēng)洞邊界層控制的研究,考慮到防止流動分離的需要及減小出口速度的目的,選擇了一個12°的擴(kuò)散角。實驗證明,該擴(kuò)散角能夠在保證流動不分離的前提下有效減小風(fēng)洞出口的流速,降低系統(tǒng)的動能損失,減輕風(fēng)洞出口處的湍流強(qiáng)度。

3 小型風(fēng)洞的布局優(yōu)化方法

3.1 優(yōu)化整體布局,確保各部件間的合理配合

在小型風(fēng)洞的設(shè)計與布局優(yōu)化中,整體協(xié)調(diào)性與部件之間的合理配合是關(guān)鍵,尤其是在尺寸約為2 m×2 m的風(fēng)洞實驗環(huán)境中[7],風(fēng)扇的選擇和布局至關(guān)重要,如選用Dyson的PureCoolTower風(fēng)扇能產(chǎn)生高達(dá)18.7 L/s的氣流量,具備出色的流量穩(wěn)定性及噪音控制。其出風(fēng)口距離實驗段起始位置至少需0.5 m,以確保進(jìn)入測試段的流場具有充分的穩(wěn)定性。應(yīng)精心設(shè)計傳感器的分布,如在測試段中均勻分布Honeywell的HPM系列顆粒物傳感器和Testo405i熱線陣風(fēng)速儀,不僅要避免彼此間的氣流干擾,還要確保數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性。測試模型的放置要確保與傳感器保持合理距離,如模型周圍至少0.3 m范圍內(nèi)不應(yīng)放置其他設(shè)備或物體,以便精確捕獲模型周圍的流場參數(shù)。控制室的布局應(yīng)盡可能靠近測試段,如距離不超過10 m,確保數(shù)據(jù)線纜的簡潔布局,減少線纜帶來的干擾,降低維護(hù)難度。

圖4 風(fēng)洞整體對稱面總壓云圖Fig.4 Total pressure cloud image of the whole symmetric surface of wind tunnel

3.2 根據(jù)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)與氣流特性調(diào)整整流罩的位置及角度

整流罩在風(fēng)洞實驗中占據(jù)舉足輕重的地位,對風(fēng)洞內(nèi)部的流場質(zhì)量具有直接影響。例如,在一個長度為2 m的風(fēng)洞實驗中,整流罩的位置與角度的精確調(diào)整尤為關(guān)鍵。整流罩的長度通常應(yīng)為風(fēng)洞長度的1/3,約為0.67 m,這樣能夠在確保流場穩(wěn)定性的同時避免過度占用寶貴的風(fēng)洞空間。在截面形狀的選擇上,橢圓形或圓形是理想選擇,這樣可以最大程度地減少邊界產(chǎn)生的渦流。整流罩與風(fēng)扇的相對位置通常為整流罩入口端距離風(fēng)扇出口至少0.5 m處,以確保風(fēng)扇產(chǎn)生的湍流在進(jìn)入整流罩前能夠獲得必要的穩(wěn)定及均勻分布。內(nèi)部流體導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計不可忽視,如使用Vortex Generators等,可顯著改善流體的層流特性,而這些結(jié)構(gòu)尺寸和分布均需依據(jù)CFD(計算流體動力學(xué))仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。整流罩的出口需在與測試段交接處采用漸進(jìn)式設(shè)計,如擴(kuò)張角度控制在2°～3°,防止流體的突然擴(kuò)張導(dǎo)致流動不穩(wěn)定。

3.3 強(qiáng)化數(shù)據(jù)采集與傳感器布局,提高實驗的準(zhǔn)確性

在風(fēng)洞實驗中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性極為重要,直接決定著實驗結(jié)果的真實性和可靠性。以O(shè)megaEngineering的FMA-A2311/2361空氣速度傳感器為例,其在0～30 m/s的測速范圍內(nèi)擁有±1%FS的精度和小于1 s的響應(yīng)時間,展現(xiàn)出對多種復(fù)雜流場測量的適應(yīng)性。此外,Keyence的FD-Q10C流量傳感器和Honeywell的HPM系列PM2.5傳感器也是優(yōu)選,均在精度、穩(wěn)定性及響應(yīng)速度上表現(xiàn)卓越。考慮到傳感器布局,如在一個2 m長的測試段中,應(yīng)在入口、中部和出口各布置一排傳感器,分別為模型表面0.1 m、0.3 m、0.5 m的位置上,以便從多個距離、多個角度捕獲流場的詳盡信息。數(shù)據(jù)線布局可采用Panduit線槽和線夾進(jìn)行整齊導(dǎo)引至數(shù)據(jù)處理中心,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,便于后續(xù)維護(hù)。數(shù)據(jù)處理與存儲環(huán)節(jié)可利用NI的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合LabVIEW軟件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、處理及存儲,保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

圖5 等間距法測點布置Fig.5 Measuring point arrangement with equal spacing method

3.4 考慮設(shè)備維護(hù)與升級的便利性,在布局中預(yù)留必要空間

在風(fēng)洞設(shè)計與布局階段深入考慮設(shè)備的維護(hù)與升級便利性,合理預(yù)留必要空間,以保證風(fēng)洞長期穩(wěn)定運(yùn)行及科研適應(yīng)性。例如,在一個2 m寬的測試段中至少需預(yù)留0.5 m寬的空間用于設(shè)備檢修,確保維護(hù)人員方便進(jìn)出。設(shè)備的模塊化設(shè)計(風(fēng)扇、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等),采用模塊化設(shè)計理念,如風(fēng)扇的安裝架可設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)化模塊,便于快速更換不同類型或規(guī)格的風(fēng)扇,應(yīng)對不同的實驗需求。在風(fēng)洞的關(guān)鍵部位(測試段、數(shù)據(jù)處理中心等)預(yù)留一定的空間,用于未來可能的設(shè)備升級,例如,在數(shù)據(jù)處理中心預(yù)留足夠的空間和接口,確保便于增加更多的數(shù)據(jù)處理及存儲設(shè)備,適應(yīng)未來數(shù)據(jù)處理需求的增長。維護(hù)通道的設(shè)定也不可忽視,在風(fēng)洞的整體布局中應(yīng)設(shè)置專用的維護(hù)通道,如在風(fēng)洞的一側(cè)設(shè)置一個寬度至少為0.5 m的通道,用于維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備檢查及維修。

4 結(jié)束語

針對小型風(fēng)洞實驗的設(shè)計與布局進(jìn)行全面優(yōu)化,經(jīng)過實驗驗證,優(yōu)化措施有效解決了設(shè)備尺寸及空間利用、流場均勻性、槳葉設(shè)計及整流罩設(shè)計等問題,優(yōu)化后的風(fēng)洞實驗在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實驗重復(fù)性和整體效率上都有了顯著提升,空間利用率得到提高,實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性得到保證,實驗的不確定性和風(fēng)險得到降低。此優(yōu)化方法和結(jié)果為小型風(fēng)洞實驗提供了新的設(shè)計與布局思路,為未來風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新提供了參考。