多功能大氣邊界層風洞的設計與建設

劉慶寬

(石家莊鐵道大學,石家莊 050043)

0 引 言

目前我國深入進行風工程的研究十分必要。其一是風災害為自然災害中最嚴重、最頻繁的一種,每年給我國及許多國家造成著巨大損失,并且隨著極端氣候現象增多,風災害也呈逐漸加劇的趨勢。其二是我國正在進行大規模的土木工程建設,已經建成和正在建設大量的風敏感結構如高層/高聳建筑、大跨空間結構、大跨橋梁等,同時地面交通工具如高速鐵路等大規模發展也對風工程的研究提出了新的要求。進行風工程研究,目前最直接、最常用也是最可靠的研究手段是進行風洞試驗[1-2]。由于風工程研究對象的多樣性和風速范圍要求的寬廣性,以及結構破壞時天氣的復雜性,多功能大氣邊界層風洞是必不可少的研究設備。

基于上述風工程研究對象,詳細介紹了石家莊鐵道大學多功能大氣邊界層風洞的設計和建設,為以后類似的風洞設計和建設提供參考。

1 風洞設計要求

1.1 試驗對象

根據大學的特色學科(土木、交通、車輛、力學等)、地理位置、行業特性、研究對象等,擬定的風洞方案,應具有橋梁、建筑、交通、工業空氣動力學等方面的試驗和研究功能。同時,因為國內有一定數量的邊界層風洞,因此要求設計上應具有一定的特色,避免簡單重復。

在反復論證的基礎上,最終確定的設計和建設方案需要滿足的試驗項目和具體的試驗功能如表1所示[3]。

表1 風洞設計的試驗功能Table 1 Test function of wind tunnel design

需要指出的是,具有上述試驗功能的風洞應滿足以下幾個要求：

風速范圍的寬廣性。例如橋梁的全橋模型試驗、結構的測壓試驗等,使用的風速大多在20m/s以下,橋梁的渦激振試驗大都在幾米的風速下進行[4-5],同時環境類試驗要求的風速也很低。但是,對于一些工業空氣動力學試驗和地面交通工具試驗,以及一些考慮雷諾數效應的基礎研究試驗,需要的風速則較高。

高流場品質的要求。與航空風洞相比,大氣邊界層風洞的流場要求相對較低[6],但是考慮一些基礎性研究對流場的要求,風洞的背景湍流度、速度場、方向場等需要相對較高的指標。

特殊天氣和特殊試驗的要求。例如我國東南地區發生的大風通常是臺風,而臺風往往攜帶大量降雨。評價降雨在風致結構破壞中的作用需要進行風雨試驗。西北地區,風吹雪、風吹沙導致雪或沙在軌道上堆積是鐵路的隱患,風吹雪、風吹沙也是考慮的試驗項目。同時污染物擴散也越來越受到人們的重視。

1.2 主要技術參數

根據風洞設計的試驗功能綜合考慮,確定風洞主要設計參數如表2所示[3]。

2 風洞的氣動設計

2.1 氣動輪廓

根據風洞總體設計要求,通過進行方案可行性技術論證,確定風洞的氣動輪廓圖。具體尺寸和結構如圖1所示。

圖1 風洞氣動輪廓圖Fig.1 Aerodynamic profile of wind tunnel

表2 風洞主要設計參數Table 2 Main parameters of wind tunnel design

2.2 收縮曲線

采用維特辛斯基三維收縮曲線公式計算各X位置處的半高(H)及半寬(B),由此求得各截面的高度(2H)與寬度(2B)。曲線及坐標如圖2所示。H的計算公式為：

圖2 收縮曲線Fig.2 Contraction curve

2.3 拐角及拐角導流片設計

風洞通過4個90°的拐角組成單回流形式,每個拐角的進出口截面積相等。第一、二兩個拐角的內壁圓弧半徑R=750mm,第三、四拐角的內壁圓弧半徑R=1000mm。導流片在各拐角對角線方向等間隔排列,一、二、三、四拐角導流片分別為9、9、13和17片。

導流片外形由圓弧加兩端直線L組成,弦長為AB,圓弧半徑為R,兩端直線長為L且相等,導流片進口端直線與來流夾角α1=4°,出口端直線平行于風洞軸線,夾角α2=0°。導流片弦長 AB與來流之夾角(即安裝角)為47°。

2.4 風扇設計

2.4.1 風扇設計的原始數據

低速試驗段入口截面積AT=12m2,設計風速28m/s;動力段直徑D=4.0m,風扇的罩殼比(即整流罩最大直徑與風扇段直徑之比)r0=0.6;風洞能量比ER=3.99;風扇軸設計轉速n=585r/min;風扇葉片數I=8枚,設計升力系數CL=0.88～0.95。

2.4.2 設計計算結果分析

將上述原始參數作為風扇設計的初始參數,計算出風扇葉片翼型數據。葉片的相對厚度從葉尖至葉根的變化為12%左右,這不僅使葉片具有較好的空氣動力性能,而且也保證了葉片具有足夠的剛度和強度。為了使風扇與風洞的壓力損失特性有良好的匹配性,除電機轉速可調節外,葉片安裝角在額度值附近的±5°范圍內可以微調。實際微調值的大小通過風洞試車的結果來確定。為提高有效載荷,減小葉尖的壓力損失,在工藝允許的條件下盡可能減小葉尖與洞壁之間的間隙δ,現設計的相對間隙小于0.25%。

2.5 整流罩設計

動力段內整流罩的外形按流線型旋成體坐標值來確定。整流罩分前罩、中罩(柱段)和尾罩三個部分。前罩用來均勻加速氣流,以免引起分離;中罩根據風扇輪轂及電機等尺寸安裝要求來確定其長度;尾罩用來緩慢擴散氣流,使速度減小,壓力增加,并應盡量減少氣流的分離損失,為此過渡段殼體由進口至出口其截面積應逐漸減小,使尾罩所在部位之內側流道的當量擴散角在8°～10°的范圍內,以避免氣流的分離。現選用整流罩頭尾之長細比為3,其尾罩長細比為1.8,由此算出尾罩部位之當量擴散角θ＜9.39°,滿足了θ=8°～10°的設計要求。

2.6 風洞的能量比和電機功率

能量比的定義為試驗段氣流的動能與通過動力系統輸入風洞的能量之比,用ER表示,采用分段計算方法,算出風洞各段當量損失系數K0i,通過公式可以算得能量比。根據我國絕大多數風洞的實際運行結果,考慮到一些不可預計的壓力損失,把計算得到的總損失系數提高10%,最后得到本風洞的能量比為=4.09。

根據風洞試驗段最大風速、面積、風扇的氣動特性及能量比,計算出電機功率為395.8kW。

2.7 湍流度計算

影響試驗段湍流度的主要因素分別是風洞的收縮比和穩定段中阻尼網的規格與層數。按氣動布局,大小收縮段的收縮比分別為3和3.03,總收縮比為9.1,穩定段中選用阻尼網三層,規格為18目/英寸,若假定阻尼網前的原始湍流度為3.0%,則低速試驗段內的湍流度可降低到0.52%,高速試驗段內的湍流度可降低到0.28%。

3 附屬設備設計參數

風洞附屬設備的設計參數如表3所示。

表3 風洞附屬設備的設計參數Table 3 Design parameters of accessory facilities

4 風洞的結構設計

根據風洞性能、總體投資等多種因素考慮,按氣流方向,從風洞大收縮段經低速試驗段、小收縮段、高速試驗段、第一擴散段、第一拐角、第二擴散段、第二拐角、等直段到動力段為鋼結構,從第三擴散段經第三拐角、等截面段、第四拐角到穩定段部分為磚混結構。實驗室大廳僅覆蓋鋼洞體部分,磚混部分則置于實驗室之外。

為了在風洞中具備風雨、風沙等試驗功能,進行了如下設計：風洞的一、二拐角上下游通過法蘭與相鄰洞體連接,下側通過架車安放在軌道上,將法蘭的螺栓打開,可以將兩拐角沿軌道移開,第一擴散段的氣流經實驗室外墻上的大門吹到室外,室外的空氣從另一大門吸入動力段,此操作可將風洞由回流結構改為直流結構,滿足上述特殊試驗的要求。結構示意圖見圖3。

圖3 風洞結構示意圖Fig.3 Structure diagram of wind tunnel

5 建設方式

實驗室整個項目采用招標的方式選擇設計、施工、調試單位,為整體招標,中標單位以“交鑰匙”工程方式向業主提供完整的工程項目,以減少中間環節和管理、協調工作量,保證工程質量。在建設過程中,業主的技術人員充分參與整個過程中的技術交流活動,隨時將意見反饋給對方,不斷優化設計和施工方案。

6 流場品質校測結果

由第三方參照規范[7]組織進行的流場校測結果[8]如表4所示。

表4 試驗模型區流場校測結果Table 4 Flow field measurement of model district

7 風洞的特點

建成后的風洞具有以下幾個方面的特色：

(1)低速試驗區轉盤中心截面寬高為4.38m× 3.00m,能較好滿足建筑類結構試驗對斷面的要求;試驗段長24m,達到了高度的8倍,能模擬出很好的大氣邊界層風場;

(2)高速試驗段寬度為2.2 m,適合橋梁節段模型試驗和其它工業類試驗。如果寬度過大,保證模型的剛度會變得困難;如果斷面尺寸過小,會造成試驗中低速段的靜壓過大;

(3)通過優化風場控制系統設計,使得低速試驗段流場達到了優秀邊界層風洞標準,高速試驗段流場達到了工業空氣動力學風洞標準;

(4)高低速試驗段串聯設計,拓寬了風速范圍,優化了試驗功能。低速試驗段風速1.5～30.0m/s,高速試驗段風速3.7～80.0m/s;

(5)第一、二拐角閉、開設計,可改回流為直流風洞,滿足風雨、風沙、風雪、環境污染等不適合在回流風洞內進行的試驗。其中降雨設備可以模擬雨強10～240mm/h的各種強度的降雨。風洞內降雨的照片見圖4;

(6)在洞體內安裝了三維移測架,做到了在連續吹風狀態下對風場任意位置的參數進行監控和測試,提高了測試效率。移測架的移動由測控間的控制計算機完成,測試結束后可收藏至洞頂的腔內。移測架照片見圖5。

圖4 洞體內降雨模擬Fig.4 Rainfall simulation in wind tunnel

圖5 移測架Fig.5 Movable testing frame

風洞驗收后,已分別進行了斜拉索風雨振、抑制風雨振的氣動措施、橋梁與結構基本構件的氣動特性等國家自然科學基金、省自然科學基金、省科技支撐計劃項目等基礎性科研項目的研究和金東大橋、石家莊火車站、神華國華惠州熱電廠等30余項大型橋梁與結構工程的風荷載、風致振動與控制試驗研究。試驗結果表明：該風洞流場品質好,使用方便,設計的功能都能在風洞內實現。

致謝：感謝同濟大學林志興教授、北京大學魏慶鼎教授、南京航空航天大學姚惠中教授、中國空氣動力研究與發展中心施洪昌研究員對風洞的設計和施工提供的技術咨詢;感謝中國空氣動力研究與發展中心樂嘉陵院士對本文的指導。

[1] 賀德馨.風工程與工業空氣動力學[M].北京：國防工業出版社,2006.

[2] 中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.低速風洞試驗[M].北京：國防工業出版社,2002.

[3] 綿陽六維科技有限責任公司.石家莊鐵道大學邊界層風洞氣動設計[R].綿陽：綿陽六維科技有限責任公司,2008.

[4] 陳政清.橋梁風工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[5] 張相庭.結構風工程[M].北京：中國建筑工業出版社, 2006.

[6] 林志興.結構風工程邊界層風洞的流場品質討論[C].全國結構風工程試驗技術研討會,2004.

[7] 國防科學技術工業委員會.高速風洞和低速風度流場品質規范(GJB1179-91)[S].北京：國防工業出版社,1991.

[8] 石家莊鐵道大學風洞流場校測報告[R].上海：上海同濟科技開發有限公司,2009.