大型回流邊界層風洞研制

2014-03-25 09:01:04余世策蔣建群樓文娟孫炳楠

實驗技術與管理 2014年3期

余世策，蔣建群，樓文娟，孫炳楠

(浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058)

風洞試驗是目前公認的研究風工程問題的最有效方法[1]。浙江省是我國受臺風影響最嚴重的地區之一，在浙江省建設一座高水平的邊界層風洞非常有必要。浙江大學風工程研究團隊自上世紀90年代就開始風工程研究，一直以來就有籌建風洞的計劃，2003年浙江大學邊界層風洞的建設被重新提上日程。由于建設用地有限，課題組只能充分利用有限的空間研制大型回流邊界層風洞。本文以浙江大學ZD-1邊界層風洞研制為背景，對大型回流邊界層風洞設計和建造中的關鍵技術問題進行了全面介紹，對于邊界層風洞建設有一定的參考價值。

1 風洞主要技術參數確定

根據浙江大學現有的相關優勢學科，擬定的風洞方案應具有建筑、橋梁、交通、工業空氣動力學、航空航天等方面進行試驗和研究的功能。從目標功能分析，首先風洞試驗段要求有較大的截面，以滿足大比例建筑、橋梁模型的風洞試驗；其次風洞試驗段要求有較寬的風速范圍，以滿足地面交通工具和工業空氣動力學試驗以及雷諾數效應試驗對高風速的要求；最后試驗段還應具有較高的流場品質，以滿足低背景湍流的航空航天類或其他基礎空氣動力學研究的需求。

在目標功能分析的基礎上，經過反復論證，在近800 m2占地面積限制下，研制出能滿足目標功能需求的大型回流邊界層風洞，主要技術參數見表1。

表1 風洞主要設計參數

2 風洞的氣動輪廓及結構方案

根據風洞總體設計要求及技術參數，經過方案可行性論證，確定風洞的氣動輪廓圖如圖1所示。擬建風洞由1個動力段、3個擴散段、1個等截面段、1個收縮段、1個試驗段、4個拐角段組成。為抵消附面層增厚對速度均勻性的影響，風洞試驗段采用水平微幅擴散的方法。試驗段和3個擴散段的擴散角數據[2]見表2。可以看出，各段當量擴散角α當量均小于7°，可避免發生氣流分離現象。為平衡風洞內外的壓力差，在試驗段與第1試驗段交界處設置了寬為180 mm的壓力平衡縫。

表2 風洞各段擴散角數據

由于占地面積的限制，本風洞采用了鋼結構與混凝土結構相結合的立式混合結構型式，其中穩定段、收縮段、試驗段、第1擴散段和動力段采用鋼結構、第2、第3擴散段、等截面段和4個拐角段均采用混凝土結構，動力段位于地下一層，最低點標高為-7.0 m，試驗段位于二層，最高點標高約為10.0 m，結構示意如圖2所示。

圖1 風洞氣動輪廓圖

圖2 風洞結構示意圖

3 動力及控制系統

風洞氣流動力驅動系統是風洞的核心部件，本風洞動力采用1 000 kW直流電機驅動，根據該風洞動力系統的需求和工況分析，考慮到整體投資造價以及系統的先進性與可靠性，最終設計了小觸大的控制驅動方案。具體來說，風洞動力控制系統以工控機為速壓控制主機，全數字直流調速/驅動器為調速驅動核心，可編程控制器PLC為系統邏輯、連鎖控制核心，直流電機配增量式脈沖編碼器作為速度反饋裝置，以實現高精度速度閉環控制。安裝于風洞試驗段中的速壓傳感器測量實際速壓值，作為反饋量送入工控機，工控機內的數字速壓控制算法完成高精度穩速壓控制。同時風洞還設開環控制方式直接控制電機轉速，一旦閉環控制系統失靈，也可以采用人工控制風速運行。

4 附屬裝置

4.1 β轉盤機構

β轉盤機構是建筑結構風洞試驗必備的裝置，用來調節模型的風偏角β。本風洞在同一試驗段內設置了大小2個轉盤，大轉盤直徑2.5 m，距試驗段入口處13.5 m，主要用于大氣邊界層流場風洞試驗；小轉盤直徑1.5 m，距試驗段入口3.75 m，主要用于覆面層較薄的均勻流場風洞試驗。轉盤機構采用外置式β角無級變速，可以正反轉，最小轉角步長為 0.1°，最低轉速不小于1.0°/s(滿負載時)，轉盤角度給定及限位保護由計算機控制，控制精度為±0.05°，轉動范圍為±180°。在結構設計時增加立柱高度達到0.5 m以上，將立柱中間約1 m直徑的圓盤設計成可拆卸，同時轉臺中間設連接支座，用于安裝天平等測試設備。經過改良的轉盤結構可塑性強，大大提高了模型安裝的靈活性和效率，轉盤機構立面如圖3所示。

圖3 轉盤結構設計立面圖

4.2 三維移測架

本風洞最大的特色是配置了帶收藏機構的三維移測架，該移測架有效行程為縱向2.0 m、橫向2.0 m、豎向1.5 m，定位精度為單次移動±0.2 mm，累計移動±1.0 mm，2根15 m軸向工字鋼導軌通長固定于試驗段頂壁兩側，采用移測架在導軌上滾動再鎖緊的方式使風速探頭游測于整個風洞試驗段的大部分試驗空間。移測架帶半自動收藏機構，試驗段進口部位上方設專用貯藏室(見圖2)，當流場調試結束時移測架通過收藏機構收藏于專用貯藏室內。三維移測架的結構如圖4所示。三維移測架使風洞流場調試的效率和質量大大提高，除了流場調試外移測架還可以用于風環境試驗和其他需要附加支撐的風洞試驗。

圖4 帶收藏功能的移測架

5 風洞維護方案

國內某大型風洞曾出現過葉片損毀的事故[3]，導致風洞在很長時間內處于癱瘓狀態，因此風洞維護是風洞運行的重要保障。本風洞驅動系統位于地下一層，而風洞采用立式結構，一旦發生電機損壞需返廠維修或更換，就相當困難。為此，結構設計時在動力段頂部一層地板上預留了一個足夠大的檢修孔，并將第1擴散段下的二層樓板改為預制可拆卸樓板。這樣一旦返廠維修可采用吊車將第1擴散段、二層地板及一層檢修孔蓋板依次移開，就可將地下室的電機吊出。

電機振動直接影響風洞的使用壽命，為了降低電機在運行過程中的振動，在電機支座設計時采取雙層鋼板中間夾橡膠墊的方法，同時為了保證混凝土底座的可靠性，加強了混凝土支墩內部鋼筋的連接。另外，為了解電機運行狀態，在電機基座水平和豎向兩個方向分別安裝加速度傳感器，用來監控電機的振動情況，并在風洞測控系統中設置了振動加速度的限值，一旦超過這一限值，就自動停車并提示檢查，這樣就能在發生危險前提前防范，從而提高了設備使用的壽命。

濕度是影響地下室電機正常運行的另一重要因素，在長江以南地區的梅雨季節，地下室與室外溫差較大，使得地下室的濕度很大，濕氣長時累積會造成電機絕緣部件失效而短路，最終損壞電機。為此在地下室安裝一臺大功率工業除濕機，濕度傳感器監控地下室的濕度，當超過一定濕度時工業除濕機自動啟動。除濕得到的水集中于地下室的貯水箱中，箱中設置自動排水裝置，當水位超過限值時自動將箱中水抽到室外。

6 風洞監控系統

嚴密的監控系統能提高風洞控制和運行的效率，降低風洞運行風險。圖5為風洞主控窗口界面，其中設置了主/從調電流/電壓監控、電機轉速及勵磁電流監控、電機運行溫度和電機振動監控、風速控制與風速顯示、轉盤控制與偏角顯示等功能。為了監控風洞各部分的工作狀態，在各關鍵部位安裝了數只監控探頭，對地下室動力段、試驗段、控制室、強電室、轉盤室等工作狀態進行實時監控，以確保風洞正常運行。

圖5 風洞主控窗口界面

7 風洞建設及運行情況

浙江大學ZD-1風洞自2008年初開始建設，歷時2年多時間于2010年10月底通過專家組驗收[4]并交付使用，風洞外觀見圖6。自風洞投入使用以來，學院為風洞購置了電子壓力掃描閥、熱線風速儀、高頻測力天平、數據采集系統等高精度測試設備，并組織技術力量積極開發風洞試驗技術，在2年多時間里，成功開發出具有一定特色的大氣邊界層流場調試技術、建筑結構表面動態風壓測試技術、高頻底座天平測力技術、風環境試驗技術等[5-7]，獲批國家專利5項[8-12]，完成了國家自然科學基金、863計劃、國家科技支撐計劃和浙江省自然科學基金等10多項基礎性科研項目研究以及100余項工程抗風試驗，風洞機組榮獲浙江大學 2011年度大型儀器共享服務優秀機組稱號。