余世策， 胡志華， 冀曉華， 林 竣， 蔣建群

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058)

0 引言

風(fēng)速的測(cè)量是工程技術(shù)測(cè)量領(lǐng)域的重要組成部分，目前廣泛用于測(cè)試氣流速度的測(cè)試手段主要有熱線測(cè)試技術(shù)、超聲測(cè)試技術(shù)、壓差測(cè)試技術(shù)等。風(fēng)速測(cè)試前對(duì)傳感器的準(zhǔn)確標(biāo)定是保證測(cè)量精度的根本要求，特別是熱線測(cè)試技術(shù)對(duì)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(duì)標(biāo)定設(shè)備提出了很高的要求。文獻(xiàn)［1-2］中采用帶壓力調(diào)節(jié)器的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，但這種設(shè)備在應(yīng)用中對(duì)壓力調(diào)節(jié)的要求較高，氣流不夠穩(wěn)定;大型風(fēng)洞能提供穩(wěn)定的風(fēng)速，但使用前必須清空試驗(yàn)區(qū)所有裝置，應(yīng)用起來很不方便，而且大批量的標(biāo)定試驗(yàn)成本較高。事實(shí)上，采用可調(diào)風(fēng)速的專用小型風(fēng)洞來標(biāo)定風(fēng)速傳感器是一種理想的選擇，不但應(yīng)用方便、成本低，而且標(biāo)定質(zhì)量有保證。近年來，國內(nèi)研制了大量的風(fēng)洞［3-10］，用于風(fēng)工程及空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究，為風(fēng)洞的研制提供了很好的參考，但專門用于標(biāo)定的小型風(fēng)洞很少有報(bào)道，因此有必要開展這類型簡(jiǎn)易風(fēng)洞的研制工作，對(duì)于提升風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速測(cè)試水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室小型直流標(biāo)定風(fēng)洞研制為背景，對(duì)標(biāo)定風(fēng)洞設(shè)計(jì)、制作和流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果進(jìn)行了全面介紹，對(duì)于研制標(biāo)定風(fēng)洞有一定的參考價(jià)值。

1 標(biāo)定風(fēng)洞技術(shù)參數(shù)的確定

標(biāo)定風(fēng)洞的技術(shù)參數(shù)必須根據(jù)使用要求來確定。①由于標(biāo)定風(fēng)洞的功能主要是用于風(fēng)速傳感器的標(biāo)定，因此標(biāo)定風(fēng)洞首先確定為直流式風(fēng)洞，這樣在標(biāo)定過程中可直接在風(fēng)洞氣流出口處進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，可操作性強(qiáng);②由于風(fēng)速傳感器如熱線探針、五孔探針等尺寸一般較小，因此風(fēng)洞氣流出口截面不宜過大;③在大氣邊界層風(fēng)洞中風(fēng)速測(cè)量主要集中在20 m/s以下的低風(fēng)速范圍，考慮到制造成本，標(biāo)定風(fēng)洞至少能達(dá)到20 m/s以上的風(fēng)速;④標(biāo)定風(fēng)速傳感器時(shí)對(duì)氣流穩(wěn)定性較高，因此要求風(fēng)洞出口氣流的湍流強(qiáng)度盡可能小。

在前述分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)論證，設(shè)計(jì)出了能滿足目標(biāo)功能需求的小型直流標(biāo)定風(fēng)洞，其主要技術(shù)參數(shù)如下:風(fēng)洞型式為水平開口直流式;出口尺寸Φ200 mm;風(fēng)速0.5 ～20 m/s;風(fēng)洞收縮比 12.25 ∶1;交流風(fēng)機(jī)2.2 kW，1 450 r/min;調(diào)速方式交流變頻系統(tǒng);控制方式手動(dòng)開環(huán)控制;風(fēng)洞洞體玻璃鋼結(jié)構(gòu);最大氣動(dòng)尺寸(截面直徑 × 長)Φ0.7 m ×4.57 m。

2 風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 洞體氣動(dòng)輪廓

根據(jù)風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過方案可行性論證，確定風(fēng)洞的氣動(dòng)輪廓圖，如圖1所示。風(fēng)洞由1個(gè)動(dòng)力段、1個(gè)擴(kuò)散段、3個(gè)穩(wěn)定段、1個(gè)收縮段組成，各氣動(dòng)輪廓均采用圓形截面。一般來講，擴(kuò)散角小于7°時(shí)可避免發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，本標(biāo)定風(fēng)洞擴(kuò)散段采用了6°的擴(kuò)散角，較為合理。

圖1 標(biāo)定風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓圖(mm)

2.2 收縮段收縮比和收縮曲線計(jì)算

收縮段的作用是均勻加速氣流，使其達(dá)到試驗(yàn)段所需要的流速，同時(shí)進(jìn)一步改善氣流的流動(dòng)品質(zhì)，降低湍流度，收縮比和收縮曲線是收縮段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。收縮比定義為收縮段入口處橫截面積與出口處橫截面積的比值。在一定的實(shí)驗(yàn)段橫截面積和速度條件下，收縮比取得大一些，可使穩(wěn)定段的速度相對(duì)降低，使穩(wěn)定段、蜂窩器和整流網(wǎng)在提高流暢品質(zhì)方面的效果相對(duì)好一些，而引起的氣流能量損失也相對(duì)小一些，本風(fēng)洞的收縮比取12.25∶1，收縮比較大。本風(fēng)洞采用維特辛斯基三維收縮曲線計(jì)算公式來設(shè)計(jì)收縮曲線，可獲得良好的試驗(yàn)段氣流品質(zhì)，計(jì)算公式如下:

式中:R為某截面半徑;R1為入口截面半徑;R2為出口截面半徑;X為從收縮段入口到某截面的軸向距離;A為收縮段計(jì)算長度，收縮段的計(jì)算長度一般取其入口當(dāng)量直徑的(0.5～1.0)倍，為了得到更好的實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)，收縮段長度至少應(yīng)達(dá)到收縮段入口直徑或邊長的0.8倍。本風(fēng)洞入口處直徑為0.7 m，收縮段總長取0.6 m，達(dá)到入口處直徑的0.86倍，滿足要求，將R1=0.35 m，R2=0.1 m，l=0.6 m 代入式(1)，可得收縮段各截面處的半徑，如圖2所示。

圖2 收縮曲線外形圖(mm)

2.3 蜂窩器和阻尼網(wǎng)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定段內(nèi)安裝有蜂窩器和阻尼網(wǎng)，其作用是導(dǎo)直氣流，提高氣流品質(zhì)，降低湍流度。實(shí)驗(yàn)研究表明［11-12］，六邊形格子的損失系數(shù)最小，管道內(nèi)的氣流流動(dòng)均勻、壓力損失小，對(duì)降低湍流度的效果非常顯著。因此蜂窩器采用正六角形玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由蜂窩格子(對(duì)邊距離20 mm)膠接而成，長250 mm。適當(dāng)選配阻尼網(wǎng)使穩(wěn)定段流動(dòng)速度剖面更均勻，可進(jìn)一步搗碎蜂窩器后面的旋渦，以減小穩(wěn)定段氣流的湍流強(qiáng)度，阻尼網(wǎng)共兩層，安裝在蜂窩器后面，由不銹鋼絲編織而成，絲徑越小效果越好［13］。本風(fēng)洞絲徑0.1 mm，網(wǎng)孔間距為絲徑的4倍。

3 標(biāo)定風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)風(fēng)洞的氣動(dòng)外形，本風(fēng)洞洞體采用玻璃鋼制作，各段之間采用法蘭連接，將法蘭加長落地與鋼結(jié)構(gòu)底座連接，動(dòng)力段直接選用相應(yīng)規(guī)格的軸流風(fēng)機(jī)，并固定于橡膠支座以減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)，同時(shí)動(dòng)力段與擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)上分開，盡可能減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)對(duì)洞體的影響。研制成功的標(biāo)定風(fēng)洞外形如圖3所示。

圖3 標(biāo)定風(fēng)洞示意圖

4 風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)

4.1 變頻器輸出頻率與風(fēng)速的關(guān)系

開環(huán)控制變頻器輸出頻率與標(biāo)定風(fēng)洞出口風(fēng)速的關(guān)系是確定標(biāo)定風(fēng)洞應(yīng)用范圍的重要環(huán)節(jié)，本文將皮托管安裝于距風(fēng)洞出口15 cm中心位置，采用電子壓力掃描閥測(cè)定皮托管動(dòng)壓，得到不同變頻器輸出頻率與風(fēng)速的關(guān)系曲線如圖4所示，可見變頻器輸出頻率與出口風(fēng)速成線性關(guān)系，標(biāo)定風(fēng)洞可控最低風(fēng)速為0.7 m/s，最高風(fēng)速達(dá)到23.9 m/s，基本滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)擬合后風(fēng)速與變頻器輸出頻率的關(guān)系為

可見風(fēng)速與變頻器輸出頻率有良好的線性關(guān)系。進(jìn)一步試驗(yàn)表明，風(fēng)速與輸出頻率的關(guān)系受溫度和大氣壓的影響很小，因此可以利用這一關(guān)系來手動(dòng)精確控制風(fēng)速。

圖4 風(fēng)速與變頻器輸出頻率的關(guān)系

4.2 出口氣流的動(dòng)壓穩(wěn)定性

由皮托管測(cè)出一定時(shí)間內(nèi)的最大動(dòng)壓qmax和最小動(dòng)壓qmin，計(jì)算出動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η:

表5為不同風(fēng)速下氣流的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)，可見，風(fēng)速為10 m/s時(shí)動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)偏大，但對(duì)于標(biāo)定風(fēng)洞穩(wěn)定性足夠，風(fēng)速為20 m/s時(shí)動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)僅為2%，品質(zhì)較好。

表2 不同風(fēng)速下的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)

4.3 出口氣流的湍流強(qiáng)度

出口氣流的湍流強(qiáng)度是影響標(biāo)定風(fēng)洞品質(zhì)的重要標(biāo)志，本文將二維熱線風(fēng)速探頭安裝于距風(fēng)洞出口15 cm中心位置，采用熱線風(fēng)速儀測(cè)定出口氣流的湍流強(qiáng)度，結(jié)果如圖5所示。從圖中看出，風(fēng)速較小時(shí)湍流強(qiáng)度不超過2%，風(fēng)速較大時(shí)也不超過3%，說明從軸流風(fēng)機(jī)中出來的風(fēng)通過蜂窩器、阻尼網(wǎng)和收縮段，湍流強(qiáng)度已大大降低，可以滿足傳感器標(biāo)定的要求［14］。

圖5 湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速的變化曲線

4.4 出口氣流速度場(chǎng)和方向場(chǎng)不均勻性

出口氣流的速度場(chǎng)和方向場(chǎng)不均勻性直接影響標(biāo)定的質(zhì)量，本文采用二維熱線風(fēng)速探頭安裝于距風(fēng)洞出口15 cm處距截面中心徑向不同的位置進(jìn)行測(cè)量，由于洞體為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此僅測(cè)試一半的數(shù)據(jù)，然后得到全截面范圍內(nèi)風(fēng)速平均值和風(fēng)速偏離軸向的方向角，分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，在風(fēng)洞出口截面中部±6 cm的范圍內(nèi)，風(fēng)速比較均勻，相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，這個(gè)范圍內(nèi)的氣流方向角也在±1°以內(nèi)，表明這個(gè)范圍比較適宜標(biāo)定風(fēng)速傳感器［15］。

圖6 出口風(fēng)速均勻性測(cè)試結(jié)果

圖7 出口風(fēng)速方向角測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

本文采用空氣動(dòng)力學(xué)原理自行研制了一套小型直流標(biāo)定風(fēng)洞專門用于風(fēng)速傳感器標(biāo)定。從風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作均作了介紹，從流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果來看，本文研制的小型直流標(biāo)定風(fēng)洞有較好的流場(chǎng)品質(zhì)，可以用于傳感器標(biāo)定，本文的研究成果對(duì)同類型風(fēng)洞的研發(fā)有重要的參考價(jià)值。

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