大型回流邊界層風(fēng)洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

余世策, 蔣建群, 樓文娟, 孫炳楠

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 杭州 310058)

0 引 言

風(fēng)洞是產(chǎn)生氣流的裝置，在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，隨著國內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)的蓬勃發(fā)展，超高層建筑、大型體育館和大跨度橋梁如雨后春筍般涌現(xiàn)，這些大型工程的抗風(fēng)問題是工程建設(shè)中最關(guān)注的問題之一。在這一背景下民用大氣邊界層風(fēng)洞的建設(shè)得到了長足的發(fā)展，近些年國內(nèi)興建了一大批大氣邊界層風(fēng)洞[1-4]，我國民用建筑大型邊界層風(fēng)洞的數(shù)量已居世界前列。風(fēng)洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是風(fēng)洞建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響邊界層風(fēng)洞的流場品質(zhì)包括氣流均勻性、軸向靜壓梯度、湍流強(qiáng)度等指標(biāo)，而這些指標(biāo)則直接影響建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程風(fēng)洞試驗(yàn)的測試結(jié)果。國內(nèi)學(xué)者對于風(fēng)洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了不少工作，李強(qiáng)等[4]對其主要部件(包括斜流式風(fēng)機(jī)、穩(wěn)定段、收縮段和試驗(yàn)段等)進(jìn)行詳細(xì)的氣動計(jì)算；祝長江等[5]針對Φ5m立式風(fēng)洞垂直布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；廖達(dá)雄等[6]介紹了連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了如何降低風(fēng)洞氣流脈動，改善流場品質(zhì)；朱幼君等[7]從流體動力學(xué)及聲學(xué)兩方面綜合考慮，在滿足試驗(yàn)段流速要求的前提下，提高試驗(yàn)段流場均勻性，降低試驗(yàn)段背景噪聲；周勇為等[8]采用在國內(nèi)外比較罕見的帶大角度擴(kuò)散段的離心下吹式形式設(shè)計(jì)了國內(nèi)首座低湍流度磁懸浮風(fēng)洞；侯志勇等[9]對減湍起重要作用的收縮段和穩(wěn)定段布局設(shè)計(jì)提出了新的通用便捷方法等。以上研究內(nèi)容對風(fēng)洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很好的借鑒意義。

本文以浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞建設(shè)為背景，詳細(xì)介紹該風(fēng)洞氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對風(fēng)洞流場校測結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到一些重要的結(jié)論，對于類似邊界層風(fēng)洞建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

1 風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)

為了提高風(fēng)洞的使用率，浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞設(shè)計(jì)考慮了該風(fēng)洞應(yīng)具有建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動力學(xué)、航空航天等方面的試驗(yàn)和研究功能。首先風(fēng)洞試驗(yàn)段要求有較大的截面，以滿足大比例建筑、橋梁模型的風(fēng)洞試驗(yàn)；其次風(fēng)洞試驗(yàn)段要求有較寬的風(fēng)速范圍，以滿足地面交通工具和工業(yè)空氣動力學(xué)試驗(yàn)以及雷諾數(shù)效應(yīng)試驗(yàn)對高風(fēng)速的要求；最后試驗(yàn)段還應(yīng)具有較高的流場品質(zhì)，以滿足低背景湍流的航空航天類或其它基礎(chǔ)空氣動力學(xué)研究的需求。為達(dá)到上述目標(biāo)，課題組經(jīng)過反復(fù)論證，在近800m2的占地面積限制下，設(shè)計(jì)出了能滿足目標(biāo)功能需求的大型回流邊界層風(fēng)洞，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如表2所示。

表1 風(fēng)洞主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 風(fēng)洞設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

2 風(fēng)洞氣動設(shè)計(jì)

2.1洞體氣動輪廓

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)洞的氣動輪廓圖，如圖1所示。擬建風(fēng)洞由1個(gè)動力段、3個(gè)擴(kuò)散段、1個(gè)等截面段、1個(gè)收縮段、1個(gè)試驗(yàn)段、4個(gè)拐角段組成，為抵消邊界層增厚對流場品質(zhì)的影響，風(fēng)洞試驗(yàn)段采用水平微幅擴(kuò)散的方法，試驗(yàn)段和3個(gè)擴(kuò)散段的擴(kuò)散角數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出各段當(dāng)量擴(kuò)散角均小于7°，可避免發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，值得注意的是試驗(yàn)段也設(shè)置了0.22°的當(dāng)量擴(kuò)散角，為平衡風(fēng)洞內(nèi)外的壓力差，在試驗(yàn)段與第一試驗(yàn)段交界處設(shè)置了寬180mm的壓力平衡縫。

表3 風(fēng)洞各段擴(kuò)散角數(shù)據(jù)

圖1 風(fēng)洞氣動輪廓圖(單位：m)

2.2收縮段收縮曲線計(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品質(zhì)，降低湍流度。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：

(1)

圖2 收縮曲線外形圖(單位：m)

2.3拐角及拐角導(dǎo)流片設(shè)計(jì)

由于本風(fēng)洞為單回流型式，通過4個(gè)90°的拐角形成回流，每個(gè)拐角的進(jìn)出口截面積相等。由于氣流流過4個(gè)拐角的損失將占到風(fēng)洞全部損失的40%以上，所以拐角導(dǎo)流片的設(shè)計(jì)極為重要。以往較早建成的風(fēng)洞大多采用翼形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流片，目前大多數(shù)風(fēng)洞已采用薄板彎曲成型的導(dǎo)流片。本風(fēng)洞拐角導(dǎo)流片外形按文獻(xiàn)[10]提供的方法進(jìn)行特殊處理。該導(dǎo)流片設(shè)計(jì)已應(yīng)用于日本東北大學(xué)的低湍流度風(fēng)洞，效果很好。取第一拐角的內(nèi)壁圓弧半徑(即導(dǎo)流片圓弧半徑)為800mm，第二拐角、第三與第四拐角為900mm，導(dǎo)流片在各拐角對角線方向等間隔排列，第一、二、三、四拐角的導(dǎo)流片分別為9片、10片、13片與13片。導(dǎo)流片外形如圖3所示，導(dǎo)流片的外形由圓弧BC(半徑R)加兩端直線AB及CD組成，弦長為AD，兩端直線長為L(=0.1AD)且相等，導(dǎo)流片進(jìn)口端直線AB與來流之夾角α1=4°，出口端直線CD平行于風(fēng)洞軸線，夾角α2=0°，導(dǎo)流片弦線AD與來流之夾角(即安裝角)α=47°。

2.4風(fēng)扇葉片和整流罩設(shè)計(jì)

風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)方法主要有Patterson、Collar和Wallis法。本風(fēng)洞采用文獻(xiàn)[10]提供的設(shè)計(jì)方法，即把風(fēng)扇及其整流系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮，計(jì)算過程解析化，借助計(jì)算機(jī)可方便地給出設(shè)計(jì)結(jié)果，葉片設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。整流罩由前罩、中罩(柱段)和尾罩3部分組成，前罩和尾罩的外形曲線按流線型旋成體坐標(biāo)值確定，中罩根據(jù)風(fēng)扇輪轂及電機(jī)安裝尺寸要求確定其長度。現(xiàn)風(fēng)扇段直徑為4.8m，當(dāng)罩殼比(即風(fēng)扇處整流罩直徑與風(fēng)扇直徑之比)為0.5時(shí)，整流罩最大直徑為2.4m；當(dāng)整流罩長細(xì)比為3時(shí)，其阻力最小，因此整流罩頭尾部分總長 7.2m。因前罩和尾罩長分別為其總長的40%及60%，故前罩長為2.88m，后罩長為4.32m。

圖3 拐角導(dǎo)流片外形圖

表4葉片設(shè)計(jì)參數(shù)

Table4Bladedesignparameters

相對半徑葉片弦長C/mm扭轉(zhuǎn)角θ/(°)升力系數(shù)CL總效率ηT0．0391．200．80000．810．1373．7?3．290．77820．810．2356．2?6．10．76130．810．3338．7?8．510．74920．810．4321．1?10．620．74170．810．5303．6?12．460．73870．810．6286．1?14．080．74040．800．7268．6?15．530．74690．800．8251．1?16．830．75860．800．9233．5?17．990．77600．791．0216．0?19．050．80000．79

2.5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。蜂窩器為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由正六角形蜂窩格子(對邊距離30mm)膠接而成，深300mm；阻尼網(wǎng)共兩層安裝在蜂窩器后面，由不銹鋼絲編織而成，其規(guī)格為18目/英寸。根據(jù)文獻(xiàn)[10]對湍流度的理論估算，若阻尼網(wǎng)前氣流湍流度為2%～3%，則試驗(yàn)段內(nèi)的湍流度將降為0.38%～0.57%。

2.6風(fēng)洞能量比、電機(jī)功率及風(fēng)扇增壓量計(jì)算

3 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)洞的氣動外形及占地面積的限制，本風(fēng)洞采用了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的立式混合結(jié)構(gòu)型式，其中穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、第一擴(kuò)散段和動力段采用鋼結(jié)構(gòu)、第二、第三擴(kuò)散段、等截面段和4個(gè)拐角段均采用混凝土結(jié)構(gòu)，動力段位于地下一層，最低點(diǎn)標(biāo)高為-7.0m，試驗(yàn)段位于二層，最高點(diǎn)標(biāo)高約為10.0m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

4 風(fēng)洞流場品質(zhì)測試

風(fēng)洞流場品質(zhì)測試是檢驗(yàn)風(fēng)洞氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要環(huán)節(jié)，自風(fēng)洞建成后課題組組織專家對風(fēng)洞流場品質(zhì)進(jìn)行了全面的校測[11]，流場校測依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行[12]，主要包括空風(fēng)洞風(fēng)速及能量比、動壓穩(wěn)定系數(shù)、試驗(yàn)段軸向靜壓梯度、試驗(yàn)段截面動壓場不均勻性、試驗(yàn)段截面方向場不均勻性和湍流度分布等內(nèi)容的測試。

4.1空風(fēng)洞風(fēng)速及能量比測試

由標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速管感受風(fēng)洞運(yùn)行穩(wěn)定后的試驗(yàn)段氣流動壓，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，記錄對應(yīng)不同輸出功率條件下的動壓(風(fēng)速)，輸出功率由直流調(diào)速柜的直流電壓表和直流電流表讀出，測試結(jié)果如表5所示。可以看出，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求風(fēng)速V=55m/s時(shí)，消耗功率603kW，僅為電機(jī)額定功率的60%，轉(zhuǎn)速也只達(dá)到481r/min， 為額定轉(zhuǎn)速的90%。可見，風(fēng)洞還可以提供更高的最大風(fēng)速。從風(fēng)洞能量比數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)測最大能量比接近2.0，與估算值相比略為偏小。

表5 風(fēng)洞風(fēng)速和能量比測試結(jié)果

4.2動壓穩(wěn)定系數(shù)

動壓穩(wěn)定系數(shù)表征了動壓的穩(wěn)定性，由皮托管感受風(fēng)洞運(yùn)行穩(wěn)定后的試驗(yàn)段氣流動壓，經(jīng)電子式壓力掃描閥轉(zhuǎn)換成電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，記錄給定風(fēng)速下達(dá)到穩(wěn)態(tài)后1min的時(shí)間歷程，獲得1min內(nèi)氣流動壓的最大值qmax和最小值qmin，計(jì)算出動壓穩(wěn)定性系數(shù)η：

(2)

表6為不同風(fēng)速下前后轉(zhuǎn)盤截面中心處氣流的動壓穩(wěn)定性系數(shù)。可以看出，兩種風(fēng)速下，動壓穩(wěn)定性系數(shù)均小于1%，40m/s風(fēng)速下主試驗(yàn)區(qū)的動壓穩(wěn)定性系數(shù)均小于0.5%，達(dá)到了航空風(fēng)洞的標(biāo)準(zhǔn)。

表6 風(fēng)洞動壓穩(wěn)定性測試結(jié)果

4.3試驗(yàn)段軸向靜壓梯度

軸向靜壓梯度是衡量試驗(yàn)段軸向靜壓變化的重要指標(biāo)，采用下式計(jì)算：

(3)

式中：Xi為第i測點(diǎn)距試驗(yàn)段入口的距離；Cpi為第i測點(diǎn)的壓力系數(shù)；m為測量點(diǎn)數(shù)。針對試驗(yàn)段后轉(zhuǎn)盤和前轉(zhuǎn)盤兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，以轉(zhuǎn)盤中心截面為中線，以1m為間距，分別測試了中線前后3m共7個(gè)截面的靜壓系數(shù)，代入式(3)得到軸向靜壓梯度，結(jié)果如表7所示。可以看出，后轉(zhuǎn)盤區(qū)的軸向靜壓梯度略為偏大，但仍低于1.0%的指標(biāo)，由于在氣動設(shè)計(jì)中對試驗(yàn)段設(shè)置了一定的擴(kuò)散角，保證了較低的軸向靜壓梯度，滿足了設(shè)計(jì)要求。

表7 風(fēng)洞軸向靜壓梯度測試結(jié)果

4.4試驗(yàn)段截面動壓場不均勻性

用動壓探頭測出試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)的動壓分布，按下列公式計(jì)算動壓場不均勻性系數(shù)μi：

(4)

圖5 40m/s風(fēng)速下后轉(zhuǎn)盤動壓場不均勻性系數(shù)分布

4.5試驗(yàn)段截面方向場不均勻性

試驗(yàn)段截面方向場不均勻性采用五孔探針測定，試驗(yàn)得到截面156個(gè)測點(diǎn)的水平氣流偏角Δβ和豎向氣流偏角Δα，圖6為40m/s風(fēng)速下后轉(zhuǎn)盤中心截面水平氣流偏角和豎向氣流偏角的等值線曲線圖。可以看出，水平氣流偏角和豎向氣流偏角均小于1°，除靠近上壁面的局部區(qū)域大于0.5°外，其余部分區(qū)域小于0.5°；同時(shí)也可以注意到，水平氣流偏角Δβ水平方向呈現(xiàn)一定的反對稱特征，豎向氣流偏角Δα水平方向一致性較好，這也說明了由于立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)域水平方向流場品質(zhì)要優(yōu)于豎直方向。

圖6 40m/s風(fēng)速下后轉(zhuǎn)盤截面氣流偏角分布

4.6試驗(yàn)段湍流度

湍流度是評價(jià)風(fēng)洞流場品質(zhì)的重要指標(biāo)，采用下式計(jì)算：

(4)

式中：σ為脈動風(fēng)速均方根，U為脈動風(fēng)速平均值。流場校測時(shí)采用熱線風(fēng)速儀測試各截面均布的42個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程，統(tǒng)計(jì)得到各測點(diǎn)的湍流度，將截面各測點(diǎn)湍流度的平均值和最大值列于表8中。可以看出，兩個(gè)主要截面在兩個(gè)風(fēng)速下的湍流度最大值均不超過0.5%，均優(yōu)于1.0%的設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，而平均值則只在0.3%附近，這說明對于蜂窩器和阻尼網(wǎng)的設(shè)計(jì)是成功的，測試結(jié)果與估算值較為接近。

表8 風(fēng)洞試驗(yàn)段湍流度測試結(jié)果

5 結(jié) 論

通過對浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)洞建成后的流場校測，得出以下結(jié)論：

(1) 氣動設(shè)計(jì)包括擴(kuò)散角設(shè)計(jì)、拐角片設(shè)計(jì)和收縮曲線設(shè)計(jì)方法是合理的；

(2) 在試驗(yàn)段中設(shè)置擴(kuò)散角有利于降低軸向靜壓梯度，提高流場品質(zhì)；

(3) 立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了速度場和方向場的水平均勻性，對提升邊界層風(fēng)洞測試精度效果明顯。

參考文獻(xiàn):

[1]榮柏森, 陸永定, 韓珠鳳. 汕頭大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞的設(shè)計(jì)和研制[J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量, 1998, 12(4):67-72.

Rong Baisen, Lu Yongding, Han Zhufeng. The design and manufacture of boundary layer wind tunnel of Sando University[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 1998, 12(4):67-72.

[2]劉慶寬. 多功能大氣邊界層風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與建設(shè)[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2011, 25(3): 66-70.

Liu Qingkuan. Aerodynamic and structure design of multifunction boundary-layer wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(3):66-70.

[3]李明水, 廖海黎, 陳淳. 西南交通大學(xué)大型大氣邊界層風(fēng)洞[C]//第十四屆全國結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會議論文集, 2009.

Li Mingshui, Liao Haili, Chen Chun. Southwest Jiaotong University boundary-layer wind tunnel[C]//Proceedings of the Fourteenth National Structural Wind Engineering, 2009.

[4]李強(qiáng), 丁玨, 翁培奮. 上海大學(xué)低湍流度低速風(fēng)洞及氣動設(shè)計(jì)[J]. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 13(2): 203-206.

Li Qiang, Ding Jue, Weng Peifen. Aerodynamic and structural design of low-velocity and low-turbulence wind tunnel[J]. Journal of Shanghai University(Natural Science), 2007, 13(2): 203-207.

[5]祝長江, 呂波, 虞擇斌, 等.Φ5m立式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2011, 25(2): 93-96.

Zhu Changjiang, Lu Bo, Yu Zebin, et al. The mechanics design forΦ5m vertical wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(2): 93-96.

[6]廖達(dá)雄, 陳吉明, 彭強(qiáng), 等. 連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2011, 25(4): 74-78.

Liao Daxiong, Chen Jiming, Peng Qiang, et al. Key design techniques of the low noise continuous transonic wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(4): 74-78.

[7]朱幼君, 歐陽華, 杜朝輝. 低噪聲風(fēng)洞的氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2012, 26(4): 222-225.

Zhu Youjun, Ouyang Hua, Du Zhaohui. The aerodynamic and structural design of low noise wind tunnel[J]. Power Equipment, 2012, 26(4): 222-225.

[8]周勇為, 常熹鈺, 易仕和. 低湍流度磁懸浮風(fēng)洞的氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 流體力學(xué)試驗(yàn)與測量, 2001, 15(4): 1-6.

Zhou Yongwei, Chang Xiyu, Yi Shihe. The aerodynamic and structural design of low turbulence intensity of MSWT[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2001, 15(4): 1-6.

[9]侯志勇, 王連澤, 周建和, 等. 低(變)湍流度風(fēng)洞設(shè)計(jì)再探討[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2011, 25(1): 92-96.

Hou Zhiyong, Wang Lianze, Zhou Jianhe, et al. The further research on the design of low(varying) turbulence wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(1): 92-96.

[10] Barrett R V. Design and performance of a new low turbulence wind tunnel at Bristol University[J]. Aeronautical Journal, 1984, 88(873): 86-90.

[11] 浙江大學(xué)邊界層風(fēng)洞流場校測報(bào)告[R]. 上海: 上海同濟(jì)科技開發(fā)有限公司, 2010.

Zhejiang University boundary-layer wind tunnel flow field calibration report[R]. Shanghai: Shanghai Tongji Science and Technology Development Co., Ltd., 2010.

[12] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會, GJB1179-91高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場品質(zhì)規(guī)范[S]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1991.

Commission of Science, Technology and Industry for National Defense. GJB1179-91 High speed and low speed wind tunnels flow quality specification, Beijing: National Defence Industry Press,1991.

作者簡介:

余世策(1979-), 男, 浙江樂清人, 博士, 高級工程師。研究方向：結(jié)構(gòu)風(fēng)工程。通訊地址：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院(310058)。E-mail:yusc@zju.edu.cn