多功能風洞及CFD優化設計

陳作鋼，李金成，代 燚，馬 寧，任澤斌

（1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030；2.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽621000）

0 引 言

作為上海交通大學船舶海洋工程國家實驗室（籌）的重要實驗設備之一，風洞循環水槽將于2012年完成設計建造。該實驗設備由低速風洞和分層流循環水槽兩部分構成，二者相互關聯，形成風、浪及分層流環境條件下船舶與海洋工程結構物的流體動力性能試驗的能力，同時具備低速風洞的功能。該裝置的突出優點是可以實現流體動力及精細流場的長時間、多目標、自動化測量，并且能夠方便地實施流場的多種可視化方法，是傳統試驗裝置所無法比擬的，特別適合于開展新船型開發、船型優化等研究；該裝置還可用于船舶推進及操縱裝置、水下運載器、海上風力發電裝置以及帆船、游艇等的試驗研究與產品開發預研。

風洞循環水槽設備屬國內首創，國外也不多見。因此，對該設備的一些特殊點采用了CFD方法來進行研究與設計［1］，取得了良好效果。針對串列式風洞的大試驗段流場品質較差這一問題，通過CFD計算和優化方法來進行輔助設計。研究結果表明優化后的速度均勻性和湍流度指標都得到明顯提高。

1 多功能風洞的特點

圖1是風洞循環水槽設備的示意圖，水平式低速回流型風洞可以和位于其左側的垂直型循環水槽聯合使用，也可以單獨使用。風洞具有小試驗段 （高速試驗段，3m×2.5m×16m，最大風速60m／s）、大試驗段 （低速試驗段，6m×3.5m×14m，最大風速20m／s）和開口試驗段 （水面試驗段，2.6m×1m×4m，最大風速30m／s）。開口試驗段為循環水槽的測試部，在進行風浪流聯合作用下的試驗時，通過旁路風道將風引至該試驗段。小試驗段用于大氣邊界層條件下建筑物、風電設施結構部件、船舶與海洋結構物上層建筑物、高速運動體的氣動載荷、風壓分布及其流態影響測試；可模擬最大厚度1.2m的大氣邊界層速度剖面，前后方向配置兩個直徑2m的轉盤。大試驗段用于橋梁、體育場等超大型建筑物和機場、整個街區、工業園區等建筑群、船舶與海洋結構物上層建筑物的氣動載荷、氣動彈性響應和風壓分布，以及它們對周邊環境影響測試；可模擬最大厚度1m的大氣邊界層速度剖面；配置直徑4m的轉盤。

圖1 風洞循環水槽實驗設備Fig.1 Wind tunnel ＆circulating water channel system

在進行邊界層試驗時，通常需要在試驗段前部人工布置大量的尖劈和粗糙元以模擬不同地貌特征的平均風速和湍流度剖面。為提高試驗效率、降低人工成本，多功能風洞在大試驗段前部將設置自動升降粗糙元的裝置。如圖2所示，該裝置沿軸線方向設置成四塊區域，各區域粗糙元的升降可以獨立調節以形成不同邊界層剖面來滿足試驗需要。

開口試驗段位于循環水槽測試部上方，由旁路風道實現送風和回收。圖3中陰影部分表示垂直型循環水槽，其測試部長8m，位于水槽上方。在模擬船舶／海洋工程結構物在復雜海洋環境中的流體動力響應試驗時，通過水槽自帶的送流和造波裝置生成水流和波浪，并通過旁路風道將風洞的風送至該試驗段并通過收風段實現風的回收。除實現穩定送風外，還通過圖示的調節片式阻尼器來調節風速，模擬海洋環境中風速的周期性變化，變化速率最高為0.2個重力加速度。

圖2 粗糙元自動升降裝置Fig.2 Device of autocontrol roughness element

圖3 開口試驗段Fig.3 Open test section

該多功能風洞在技術上具備三個特點：（1）設置自動升降粗糙元裝置；（2）與循環水槽合用并形成周期性變化的脈動風；（3）在場地受限的情況下，大實驗段仍達到較高的流場指標。針對最后一個特點，也是技術上的難點，展開基于CFD的優化設計。

2 用CFD優化氣動設計

串列式風洞雙試驗段的橫截面大小分別是3m×2.5m和6m×3.5m，沿軸線方向面積變化較大而風洞的布置場地相對狹小，使得大試驗段的收縮比較小導致其流場品質不高。為使該試驗段滿足流速分布≤±1.5%，湍流度分布≤1.5%的設計指標，必須精心設計，計算流體力學（CFD）作為一種高效靈活的工具，被用于最佳設計的探索中。

2.1 風扇段的CFD計算與試驗對比

為驗證CFD計算的可靠性，首先對風扇段的流場進行數值模擬，并將計算結果和試驗結果進行對比。風扇段如圖4所示，直徑5.5m，總長12m，槳轂比0.70，內部有前支撐、葉輪、止旋片和尾支持等結構。該風扇設計壓升3200Pa，電機額定輸出軸功率2300kW，額定轉速490r／min。為便于設置計算的邊界條件，沿軸向向上下游分別擴張計算區域。用GAMBIT2.3生成了混合型網格，網格單元數約270萬。

圖4 風扇段模型Fig.4 Fan section model

采用FLUENT6.3進行了流場模擬，即用有限體積法求解RANS方程，采用了SST k－ω湍流模式，對近壁流動采用壁函數進行簡化，對風扇旋轉區域采用 MRF（Multiple Reference Frame）方法［2］處理。對計算區域的入口和出口分別采用速度入口條件和壓力出口條件，對所有物面采用無滑移壁面條件。SIMPLE法［3］被用于速度與壓力之間的耦合，對動量方程采用三階 MUSCL（Monotone Upstream－Centered Schemes for Conservation Laws）格式，k和ω方程采用二階上風格式。

各轉速下風扇前后的壓升計算結果如圖5所示，CFD計算結果和實驗數據吻合良好，在同幾何形狀、同轉速、同流量的條件下，計算結果大體上比實驗數據小10%～15%。偏差的原因來自于兩方面：（1）實驗數據取自某座風洞，而本計算沒有獲取風扇段以外的風洞形狀數據，故僅以風扇段為計算對象。實驗時風扇上游的來流是非均勻的，而計算時在計算區域入口處以流量相等的原則，采用了均勻分布。（2）數值計算中MRF法、壁函數近似處理、網格密度、湍流模型等因素也會帶來一定數值誤差。

圖5 不同轉速下的壓升值Fig.5 Pressure rise at various rotational speeds

結果表明計算和試驗結果對比偏差較小，CFD方法可用于模擬風洞內的流場并給出定量結果。

2.2 大試驗段的數值優化方案

增加收縮段的收縮比是提高試驗段流場指標的主要手段之一，但對串列式雙試驗段風洞，選用大的收縮比使上游穩定段的橫截面面積變大，位于其上游擴散段的擴張角相應變大而導致擴散段容易產生流動分離，添加隔板將擴散段分割成若干子區域，各子區域的擴散角較小也就抑制了流動分離的發生，但隔板數量太大必然提高建造成本。大試驗段上游穩定段的橫截面的初始設計為7.5m×7.0m，其中，高度方向7m的設計方案已使該穩定段的底面低于實驗室地面，需要向下挖掘1m左右，因此，從控制成本的角度，本優化設計不再將穩定段的高度作為設計變量。

為了使大實驗段的氣流盡量均勻，必須合理選擇穩定段的寬度以及擴散段高度和寬度方向上隔板數量，可以采用傳統的“手工優化”方法對各種不同的參數組合進行CFD計算，從中選擇最佳設計方案。但是這種優化方法效率較低，人工干預的強度較大，也難以得到最優組合。對相關問題進行適當的簡化后，運用優化軟件ISIGHT集成GAMBIT和FLUENT兩個CFD計算相關軟件，進行優化策略組合，得到最優解并加以驗證。

將設計變量設定為穩定段的寬度，擴散段寬度和高度方向上的隔板數量，而目標函數為大實驗段轉盤中心（該位置距試驗段入口8.5m）所處橫截面寬高各70%區域的速度標準差和湍流強度平均值，權重為1：1。利用ISIGHT將參數的修改、網格的生成、CFD計算集成，整個過程不需要人工干預、由計算機自動完成。ISIGHT集成的框圖如圖6所示，過程如下：

（1）首先執行DEL批處理文件，刪除整個過程中產生的不必要的文件，例如msh文件，GAMBIT的jou文件，輸出文件output.txt等。

（2）輸入文件input.txt包含3個參數，即穩定段的寬度以及擴散段寬度和高度方向上的隔板數量。利用ISIGHT的快速文件解析確定輸入的參數名稱，ISIGHT會根據優化方案改變輸入參數的值寫入input.txt文件中。

（3）可執行程序prologue.exe的主要任務是根據input.txt內參數值生成GAMBIT運行所需的jou文件。在執行本集成方案前，prologue.exe需根據實際的研究對象而專門編寫。

圖6 集成流程圖Fig.6 Flow chart of the optimal design

（4）GAMBIT運行jou文件生成msh文件，即CFD計算的網格。

（5）FLUENT讀入預定的jou文件，進行重復的操作，因為每次生成msh文件后FLUENT計算所需要的設定都是相同的。而FLUENT的cas和dat文件沒有必要保存，只需要運用Transcript命令輸出結果文件即可。

（6）輸出文件outputF.txt包含兩個目標參數的值，利用ISIGHT的高級文件解析把目標參數的值從outputF.txt中提取出來。

ISIGHT中有許多設計優化方法，比如優化算法、試驗設計DOE、近似模型、可靠性分析等。對于不同的問題要選擇不同的設計優化方法。由于每一個case的計算時間較長，直接采用優化算法的策略較為困難。因此選擇先進行DOE，然后建立近似模型，在近似模型上尋找最優點。

試驗設計（DOE）是以概率論和數理統計為理論基礎，高效地安排實驗的一項技術［4］。ISIGHT中包含7種DOE方法：（1）全因子法；（2）參數試驗；（3）數據文件；（4）正交數組法；（5）中心復合法；（6）拉丁方法；（7）優化拉丁方法。由于隔板的數量必須為整數，因此選擇可以自主設定水平（Level）與值（Value）的全因子試驗設計方法。穩定段的寬度設定為3個水平：6.5、7.0和8.0m。高度與寬度方向上的隔板數量也分別設定為1、3、5共3個水平，總共27個cases。在DOE的Post－Processing選項選擇建立kriging近似模型［5－6］。

為節約計算時間，計算區域只包含如圖7所示的大試驗段、上游部分區域和下游延伸區域，并且用GAMBIT生成網格時將網格單元總數控制在17萬左右，全部采用結構化網格。CFD計算采用RANS作為控制方程，用SSTk－ω模式封閉湍流方程，速度與壓力的耦合采用SIMPLE算法，離散格式采用一階迎風方法。為考慮流線旋轉的影響并與大試驗段的風速18m／s對應，在入口邊界設定軸向速度為30.98m／s，切向速度為6.2m／s的速度入口條件，進口湍流強度設置為5%，計算域出口則采用靜壓為0的壓力出口條件。

圖7 優化設計的計算區域Fig.7 Computational domain for the optimal design

在DOE結果生成的Kriging模型上進行優化，因為設計參數之一為整數并且為得到全局最優解，采用多島遺傳算法。得到的最優解為：寬度為8.0m，高度與寬度方向各為4塊隔板。速度標準差為1.694m／s，湍流強度為8.09%。用CFD計算后得到的速度標準差為1.695m／s，湍流強度為8.57%，與近似模型的結果相近。另外，計算了在穩定段寬度為7.5m、擴散段寬度／高度方向各設置2塊隔板的情況下，速度標準差為2.227m／s，湍流強度為10.64%。優化后的流場品質明顯得到提高。

2.3 風洞內部流場的整體數值模擬

在前兩小節研究的基礎上，對風洞內部流場進行整體數值模擬。

根據風洞方案設計的參數，在GAMBIT中完成了如圖8所示的計算模型。風扇段外罩直徑為3.8m，內部包含前支撐、葉輪、止旋片和尾支持等結構。在兩個試驗段對應的穩定段中均設置了蜂窩器。用GAMBIT對計算領域進行分區，生成了混合型網格，網格單元數約為500萬。計算中采用SSTk－ω湍流模型，PISO（Pressure－Implicit with Splitting of Operators）法用于壓力和速度之間的耦合。導流片和蜂窩器均設定為無滑移壁面。風扇旋轉部分采用MRF方法處理，并給定轉速為600r／min。

圖8 風洞計算模型Fig.8 Computational model of the wind tunnel

首先對大試驗段上游擴散段中有無隔板的情況分別進行了計算。迭代收斂后得到了整個風洞內部的流場。取大實驗段轉盤中心位置（距試驗段入口8.5m）截面數據作為比較對象，為扣除近壁面處邊界層的影響，取該截面上寬、高均為70%的矩形區域。如圖9和10所示，擴散段無隔板時該截面上的平均流速為14.224m／s，標準差為5.365m／s；而設置隔板的條件下，截面上的平均速度為14.399m／s，標準差為1.771m／s，隔板明顯改善了試驗段流速分布的均勻性。從圖11所示的流線圖中可以明顯觀察到隔板對流動分離的抑制作用，這也是流場品質得到提高的原因。

圖9 截面上速度分布（擴散段無隔板）Fig.9 Velocity distribution on the cross section （without separate plate in the divergent section）

圖10 截面上速度分布（擴散段設置隔板）Fig.10 Velocity distribution on the cross section（with separate plates in the divergent section）

對2.2節的優化結果進行了計算。將穩定段的寬度由7.5m增加至8m，將擴散段內寬度／高度方向的隔板數量均增加到4塊。計算結果如圖12所示，截面上的平均速度為14.69m／s，標準差為1.09m／s。表1比較了3個算例的結果，設置隔板明顯提高了試驗段的流場指標，而優化后的結果使速度標準差和湍流度指標得到進一步提高，三種情況下的平均流速依次提高，表明流場優化的結果也降低了能耗。

表1 三種情況下速度分布的比較Table1 Comparison of velocity distributions under 3cases

需要指出的是，由于和前一小節中計算區域和流場平均速度不同，所以得到的標準差和湍流強度有一定差異。此外，由于計算中均未考慮阻尼網的影響，所以計算得到的速度均勻性和湍流度都比實際情況下的結果大，但優化的結果明顯好于初始設計方案?？梢酝茰y，在優化結果的基礎上加裝阻尼網后，大試驗段的流場品質將得到明顯提高。

3 結論與展望

介紹了上海交通大學風洞循環水槽實驗設備的幾個創新點。針對串列式風洞的大試驗段流場品質較差這一問題，基于CFD計算來優化風洞的氣動設計方案。風扇段的計算結果與試驗結果吻合良好，表明CFD方法可以合理地用于數值風洞的構建。通過ISIGHT集成GAMBIT和FLUENT軟件，建立了高效的自動優化體系，該體系的運行結果表明，在原方案設計的基礎上，將大試驗段上游穩定段的寬度由7.5m擴展至8m，并將其上游擴散段中隔板數量由寬度／高度方向各設置2塊隔板改為各設置4塊隔板，可以顯著提高大試驗段流場速度的均勻性和湍流度指標。

本項工作在數值風洞、計算風工程方面做了有益探索，為風洞的氣動設計提供了優化方法。

致謝：本文的工作是在上海交通大學船舶與海洋工程國家實驗室建設項目（985二期能力建設）的支持下完成的，中國空氣動力研究與發展中心施洪昌研究員等專家、同濟大學林志興研究員等業界知名學者也為本研究提供了有益的意見和建議，作者在此深表謝意。

［1］ 陳作鋼，馬寧，橋詰泰久，等.循環水槽中分層流模擬試驗與CFD研究［C］.第二十一屆全國水動力學研討會暨兩岸船舶與海洋工程水動力學研討會文集，2008.

［2］ LUO J Y，ISSA R I，GOSMAN A D.Prediction of impeller－induced flows in mixing vessels using multiple frames of reference［J］.In IchemE Symposium Series，1994，（136）：549－446.

［3］ PATANKAR S V.Numerical heat transfer and fluid flow［M］.Washington：Hemisphere Publishing Corporation，1980.

［4］ 趙選民.實驗設計方法［M］.北京：科學出版社，2006.

［5］ 王勁峰，姜成晟，李連發，等.空間抽樣與統計推斷［M］.北京：科學出版社，2009.