小型直流標定風洞的研制

余世策， 胡志華， 冀曉華， 林 竣， 蔣建群

(浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058)

0 引言

風速的測量是工程技術測量領域的重要組成部分，目前廣泛用于測試氣流速度的測試手段主要有熱線測試技術、超聲測試技術、壓差測試技術等。風速測試前對傳感器的準確標定是保證測量精度的根本要求，特別是熱線測試技術對傳感器的標定要求很高，每次使用前都要進行標定，這就對標定設備提出了很高的要求。文獻［1-2］中采用帶壓力調節器的空氣壓縮機進行標定，但這種設備在應用中對壓力調節的要求較高，氣流不夠穩定;大型風洞能提供穩定的風速，但使用前必須清空試驗區所有裝置，應用起來很不方便，而且大批量的標定試驗成本較高。事實上，采用可調風速的專用小型風洞來標定風速傳感器是一種理想的選擇，不但應用方便、成本低，而且標定質量有保證。近年來，國內研制了大量的風洞［3-10］，用于風工程及空氣動力學領域的研究，為風洞的研制提供了很好的參考，但專門用于標定的小型風洞很少有報道，因此有必要開展這類型簡易風洞的研制工作，對于提升風洞實驗室的風速測試水平具有重要的現實意義。

本文以浙江大學ZD-1風洞實驗室小型直流標定風洞研制為背景，對標定風洞設計、制作和流場校測結果進行了全面介紹，對于研制標定風洞有一定的參考價值。

1 標定風洞技術參數的確定

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

在前述分析的基礎上，經過反復論證，設計出了能滿足目標功能需求的小型直流標定風洞，其主要技術參數如下:風洞型式為水平開口直流式;出口尺寸Φ200 mm;風速0.5 ～20 m/s;風洞收縮比 12.25 ∶1;交流風機2.2 kW，1 450 r/min;調速方式交流變頻系統;控制方式手動開環控制;風洞洞體玻璃鋼結構;最大氣動尺寸(截面直徑 × 長)Φ0.7 m ×4.57 m。

2 風洞氣動設計

2.1 洞體氣動輪廓

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。風洞由1個動力段、1個擴散段、3個穩定段、1個收縮段組成，各氣動輪廓均采用圓形截面。一般來講，擴散角小于7°時可避免發生氣流分離現象，本標定風洞擴散段采用了6°的擴散角，較為合理。

圖1 標定風洞氣動輪廓圖(mm)

2.2 收縮段收縮比和收縮曲線計算

收縮段的作用是均勻加速氣流，使其達到試驗段所需要的流速，同時進一步改善氣流的流動品質，降低湍流度，收縮比和收縮曲線是收縮段設計的關鍵。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。在一定的實驗段橫截面積和速度條件下，收縮比取得大一些，可使穩定段的速度相對降低，使穩定段、蜂窩器和整流網在提高流暢品質方面的效果相對好一些，而引起的氣流能量損失也相對小一些，本風洞的收縮比取12.25∶1，收縮比較大。本風洞采用維特辛斯基三維收縮曲線計算公式來設計收縮曲線，可獲得良好的試驗段氣流品質，計算公式如下:

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為收縮段計算長度，收縮段的計算長度一般取其入口當量直徑的(0.5～1.0)倍，為了得到更好的實驗段流場品質，收縮段長度至少應達到收縮段入口直徑或邊長的0.8倍。本風洞入口處直徑為0.7 m，收縮段總長取0.6 m，達到入口處直徑的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 蜂窩器和阻尼網設計

穩定段內安裝有蜂窩器和阻尼網，其作用是導直氣流，提高氣流品質，降低湍流度。實驗研究表明［11-12］，六邊形格子的損失系數最小，管道內的氣流流動均勻、壓力損失小，對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構，由蜂窩格子(對邊距離20 mm)膠接而成，長250 mm。適當選配阻尼網使穩定段流動速度剖面更均勻，可進一步搗碎蜂窩器后面的旋渦，以減小穩定段氣流的湍流強度，阻尼網共兩層，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］。本風洞絲徑0.1 mm，網孔間距為絲徑的4倍。

3 標定風洞整體結構設計與制作

根據風洞的氣動外形，本風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構底座連接，動力段直接選用相應規格的軸流風機，并固定于橡膠支座以減少風機運行的振動，同時動力段與擴散段結構上分開，盡可能減小風機振動對洞體的影響。研制成功的標定風洞外形如圖3所示。

圖3 標定風洞示意圖

4 風洞流場校測

4.1 變頻器輸出頻率與風速的關系

開環控制變頻器輸出頻率與標定風洞出口風速的關系是確定標定風洞應用范圍的重要環節，本文將皮托管安裝于距風洞出口15 cm中心位置，采用電子壓力掃描閥測定皮托管動壓，得到不同變頻器輸出頻率與風速的關系曲線如圖4所示，可見變頻器輸出頻率與出口風速成線性關系，標定風洞可控最低風速為0.7 m/s，最高風速達到23.9 m/s，基本滿足設計要求。經擬合后風速與變頻器輸出頻率的關系為

可見風速與變頻器輸出頻率有良好的線性關系。進一步試驗表明，風速與輸出頻率的關系受溫度和大氣壓的影響很小，因此可以利用這一關系來手動精確控制風速。

圖4 風速與變頻器輸出頻率的關系

4.2 出口氣流的動壓穩定性

由皮托管測出一定時間內的最大動壓qmax和最小動壓qmin，計算出動壓穩定性系數η:

表5為不同風速下氣流的動壓穩定性系數，可見，風速為10 m/s時動壓穩定性系數偏大，但對于標定風洞穩定性足夠，風速為20 m/s時動壓穩定性系數僅為2%，品質較好。

表2 不同風速下的動壓穩定性系數

4.3 出口氣流的湍流強度

出口氣流的湍流強度是影響標定風洞品質的重要標志，本文將二維熱線風速探頭安裝于距風洞出口15 cm中心位置，采用熱線風速儀測定出口氣流的湍流強度，結果如圖5所示。從圖中看出，風速較小時湍流強度不超過2%，風速較大時也不超過3%，說明從軸流風機中出來的風通過蜂窩器、阻尼網和收縮段，湍流強度已大大降低，可以滿足傳感器標定的要求［14］。

圖5 湍流強度隨風速的變化曲線

4.4 出口氣流速度場和方向場不均勻性

出口氣流的速度場和方向場不均勻性直接影響標定的質量，本文采用二維熱線風速探頭安裝于距風洞出口15 cm處距截面中心徑向不同的位置進行測量，由于洞體為軸對稱結構，因此僅測試一半的數據，然后得到全截面范圍內風速平均值和風速偏離軸向的方向角，分別如圖6和圖7所示。可以看出，在風洞出口截面中部±6 cm的范圍內，風速比較均勻，相對誤差在3%以內，這個范圍內的氣流方向角也在±1°以內，表明這個范圍比較適宜標定風速傳感器［15］。

圖6 出口風速均勻性測試結果

圖7 出口風速方向角測試結果

5 結語

本文采用空氣動力學原理自行研制了一套小型直流標定風洞專門用于風速傳感器標定。從風洞氣動輪廓設計、結構設計和制作均作了介紹，從流場校測結果來看，本文研制的小型直流標定風洞有較好的流場品質，可以用于傳感器標定，本文的研究成果對同類型風洞的研發有重要的參考價值。

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