小型低速風洞洞體結構設計研究

高勝寒，李宏剛，王國龍，張 堃，吳肇蘇

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

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小型低速風洞洞體結構設計研究

高勝寒，李宏剛*，王國龍，張 堃，吳肇蘇

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

為了對車身外部凸出物以及小比例油泥模型的空氣動力學性能進行評估，本研究設計了一種流場可視化的低速開路式小型風洞，該風洞采用離心式風機為氣流加速，風洞實驗段設計風速為120 km/h。完成了迷你風洞洞體結構形式的選擇，給出了各個段基本結構尺寸的計算方法，以及風機流量、電機功率的確定方法，確定了收縮段收縮曲線形態及具體尺寸，得到了完整的風洞洞體結構。設計中應用了UG軟件進行了三維建模，同時用Ansys CFX對流經洞體的氣流進行了仿真。仿真結果表明：該風洞可以在實驗段生成穩定的氣流來模擬車身外部凸出物及小比例模型在運行過程中周圍的流場，實驗段的最大氣流速度達到了設計要求。本研究提出的風洞洞體結構設計方案可行。

油泥模型；小型風洞；洞體結構設計

0 引 言

風洞是用來研究氣流與機械設備或者運輸車輛相互作用的裝置[1-3]。它可以用來模擬自然界的流場[4]。目前我國小型風洞實驗臺大部分從國外進口，價格昂貴。因此，設計制作滿足使用需求的小型低速風洞實驗臺具有現實意義。

受風洞尺寸的限制，一般風洞中模型多為縮比模型，但縮比模型試驗必須要考慮雷諾數效應(又稱尺度效應)，為保證雷諾數的不變，就必須提高試驗風速，這意味著風機功率極大且很難實現[5]，為保證可行性，本實驗臺的設計主要用來測量車身外部凸出物(如后視鏡，尺寸比例為1∶1)或其他適當尺寸的非縮比模型的空氣動力學性能，因此，不必考慮雷諾數效應，本實驗臺也可用于小比例汽車油泥模型外部流場的定性分析或可視化演示。

本文詳細探討了一種小型低速風洞實驗臺的洞體結構設計。該風洞實驗臺由一臺離心風機提供氣流，氣流由穩流段中的蜂窩器進行整流，再經收縮段加速后進入實驗段，最后流經被測物體。

1 小型低速風洞洞體結構設計

目前風洞的基本結構形式有兩種：開路式風洞和閉路式回路風洞[6]。開路式風洞又稱直流式風洞，它直接從大氣中吸進空氣，空氣流經洞體后再排到大氣中去。閉路式風洞又稱回流式風洞，它有連續的空氣回路，氣流通過試驗段后，經過迂回路線再循環返回到進氣口[7]。其中由于回路式的整體尺寸過大，拐角處倒流片制作與布置存在較大困難，導致空氣流向難以規整，同時該小型低速風洞實驗臺將安裝煙霧系統，回流式的設計無法進行良好的排煙，因此，本設計的洞體采用開路式結構。

該小型低速風洞實驗臺整體結構分為6個部分，沿氣流方向依次為風機、大角度擴散段、穩流段、收縮段、實驗段和擴散段，如圖1所示。一般實驗段截面形狀有圓形、方形、三角形、橢圓形以及長方形，在相似的穩流段和收縮比情況下，通過橢圓形截面的氣流最均勻，即均勻區所占比例最大，圓形次之，長方形再次之[8]。但長方形截面有以下優點：一是長方形底面為水平面，便于放置、安裝模型；二是洞體側壁為平面，便于觀察窗的布置，且有利于氣流觀察和圖像采集。同時，長方形截面加工工藝性好、成本低，因此，本風洞實驗段截面設計為長方形，其中長方形的高寬比為7∶10。

①風機；②大角度擴散段；③穩流段；④收縮段； ⑤實驗段；⑥擴散段圖1 小型低速風洞洞體結構Fig.1 Body structure of low speed mini wind tunnel

1.1 實驗段的設計

本小型低速風洞實驗臺中擬對小比例的油泥模型進行試驗分析，通過分析確定了小比例油泥模型可以簡化成尺寸為300 mm×100 mm×80 mm的立方體結構。根據相關資料[2]，實驗段長度公式為：

L=2.0D～2.5D。

(1)

其中：D為實驗段水力直徑。綜合試驗中所遇到的可能情況，取實驗段高D1=300 mm，由高寬比7∶10得出實驗段寬度D2=420 mm，水力直徑計算公式為：

D=2[D1D2÷(D1+D2)]。

(2)

式中：S為橫截面的面積，mm2；C為橫截面的周長，mm。

將D1、D2代入公式(2)得D=350 mm，考慮實際情況，由公式(1)得L=750 mm，則實驗段擬設計尺寸為750 mm×420 mm×300 mm，因為小型風洞針對汽車模型設計，寬度不需要很長，所以選擇正方形截面作為實驗段的截面形狀。最后實驗段實際尺寸優化為750 mm×400 mm×400 mm。

整個實驗段框架采用角鐵搭建，在表面覆蓋鋼化玻璃，既有足夠的強度，又便于觀察被測物體周圍流場的狀態。

1.2 風機流量及驅動電機功率的確定

低速風洞運轉時，維持氣流流動的能量是由電動機驅動風機葉輪提供的。氣流在風洞管道中的能量耗散，主要表現為壓力下降。風機的作用正是提高氣流的壓力。當二者達到平衡時，風洞便能穩定運轉[9]。該小型低速風洞實驗段設計風速為120 km/h(約33.3 m/s，小于102 m/s，屬于低速)，可認為該狀態下氣體不可壓縮。因此流量計算公式為：

Q=Sv。

(3)

式中：S為流體橫截面積，mm2；v為流體流速，m/s。所選風機輸出風量應滿足公式：

Q1≥Qmax。

(4)

式中：Q1為風機輸出風量，m3/s；Qmax為實驗段所需最大風量，m3/s。由公式(3)可得實驗段的Qmax為4.48 m3/s(約為1.61×104m3/h)。

為獲得較穩定的氣流，擬選用離心風機，由驅動電機通過帶傳動提供動力。理論上所選風機最大流量大于4.48 m3/s(1.61×104m3/h)即可。為降低風噪，同時保證有足夠的流量儲備，利于實驗臺未來的功能擴展，本設計選擇了一臺全負荷狀態下標稱風量為4×104m3/h(11.11 m3/s)的風機，額定轉速為940 r/min，出風口尺寸為650 mm×600 mm。

相同風機的風量和轉速關系見公式：

(5)

式中：Q2為風機滿負荷運行輸出的風量，m3/s；n2為風機滿負荷運行時的轉速，m/s；n1為達到試驗所需的最大風量時風機的轉速，m/s。相同風機下功率和轉速的關系見公式：

(6)

式中：P2為風機滿負荷運行時的功率，kW；P1為達到試驗所需的最大風量時風機的功率，kW。聯立公式(4)、(5)、(6)得

(7)

由公式(7)可得本設計的P1≥4.10 km。

綜合電機實際規格，選擇5.5kW的三相交流異步電機，通過與電機匹配的交流變頻器，異步電動機可實現電機在工作條件范圍內的無極變速，從而改變風速的大小，風速可由風速儀測定。

1.3 收縮段設計

(8)

該公式由理想不可壓軸對稱流動的結果推出。式中：D2為一半出口高或寬；N為收縮比；L為收縮段的長度；X為收縮段的縱向位移的長度[12]。

由于收縮比大都在7～10，考慮到設計的小型低速風洞主要用來分析汽車油泥模型，不需要很大的收縮比，因此選收縮比N為7，由公式：

(9)

式中：S2、S1分別為收縮段入口和出口的橫截面積，m2；D1為一半入口高或寬。

L取300 mm，聯立公式(8)、(9)可得出風洞收縮段的曲線如圖2所示。其中，X為洞體軸線方向尺寸。

圖2 風洞收縮段曲線Fig.2 Contraction curve of wind tunnel

1.4 穩流段設計

穩流段通常是一個等截面管道，下游與收縮段相連，所以面積大小取決于收縮段的收縮比，由先前計算的收縮段的進口截面半徑D=1 100 mm可知，穩流段的截面尺寸為1 100 mm×1 100 mm，合適的穩流段首先要保證可以安裝蜂窩器，并且還需要使氣流經過蜂窩器和紗網后可以保持一段距離穩定流動狀態。當收縮比小于5時，長度為直徑的1.0～1.5倍；當收縮比大于5時，長度為直徑的0.5～1.0倍[7]。因此穩流段的長度取1 100 mm。

穩流段中還安裝有蜂窩器等穩流部件，可以對流場進行梳理，提高流場的氣流質量。蜂窩器有助于減小湍流[13]，它由許多六角形(或方形、或圓形)小截面管道組成，從氣流產生的阻力損失方面考慮，六角形蜂窩管的阻力損失最小，方形次之，圓形再次之[14]。考慮到加工方便，選取方形截面。隨著蜂窩長度的增加、孔口尺寸的減小，蜂窩器出流方向的一致性更好，湍流度降低。由試驗結果確定蜂窩長度為0.075 m，蜂窩孔口尺寸為0.02 m時[15]，氣流質量較好，同時確定蜂窩器的材質為不銹鋼。

1.5 大角度擴散段設計

試驗表明，一般對于可壓縮流體擴壓角控制在6°～7°以內，不可壓縮流體擴壓角應控制在 8°～10°以內，則氣流[16]不會產生分離。根據相關資料，為了防止氣流分離，擴壓半角應控制在3.5°以內[17]，但對于低速風洞，由于馬赫數很小，氣流可看作不可壓縮流體[18]。因此，本風洞實驗臺采用9°的擴壓角，由于大角度擴散段的入口與風機出口相連，大角度擴散段的出口與穩流段的進口相連，角度確定的情況下可以得出穩流段的長度L為1 700 mm。

1.6 擴散段設計

由于擴散段的作用是在氣流通過實驗段后能降速增壓，減小對外界環境的干擾。參照大角度擴散段的設計并進行一定的調整，此處選取擴壓角為12°，長度為1 550 mm。

2 洞體流場數值實驗

對洞體內部流體區域進行三維建模，并導入ANSYS中進行流場模擬。因蜂窩板為薄片式結構，主要起整流作用，對氣體流動產生的阻礙較小，但對模型網格劃分及計算影響太大，因此忽略。仿真模型采用速度進口和壓力出口，進口初始速度為14 m/s，出口初始壓力為0。仿真結果如圖3所示，實驗段流速約為37.9 m/s，實驗段中的模擬風速高于理論設計風速33.3 m/s，考慮到對蜂窩板的忽略，以及風機出口截面流速的不均勻性，實際風速會低于模擬風速，而更接近設計風速，故該小型低速風洞結構設計可行。

圖3 風洞流場仿真結果Fig.3 Flow field simulated results of wind tunnel

3 結 論

本文設計了一種流場可視化的小型低速風洞實驗臺。通過設計計算得到了各段的結構尺寸，確定了風機功率，同時，應用CFD軟件對風洞內部流場進行了數值仿真試驗，結果表明設計的風洞結構能夠達到設計目標，該小型風洞設計方法可行。設計的小型風洞洞體結構具有結構簡單、加工工藝性好、成本低的特點，能夠滿足日常教學性能測試和評估的需要。

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Study on Structure Design of Mini Car Wind-Tunnel

Gao Shenghan，Li Honggang*，Wang Guolong，Zhang Kun，Wu Zhaosu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate aerodynamic performances of external projections of car body and small proportion clay modeling for automobile prototypes，this study designed a low-speed and open-circuit small wind-tunnel with the visualization of the flow field.The designed tunnel used a centrifugal blower to accelerate air flow and the air speed in the test section of the wind tunnel was 120 km/h.The structural style of the mini wind-tunnel was selected，the calculation methods on the structural sizes of each section were given，and the determination methods on the blower flow rate and the motor power were determined.The shape and sizes of the curve of contraction section were obtained，and the full structure of the wind-tunnel body was completed.The design established a 3D solid model with UG，and process of air through the tunnel was simulated using Ansys CFX program.The simulation results showed that the mini wind-tunnel can form stable airflow in the test section to simulate the air around external projections of car body and small scale model，meanwhile，the top air speed in the test section reached the destination.It was concluded that design scheme of mini wind-tunnel structure was feasible.

Clay modeling；small wind-tunnel；structure design of tunnel body

2016-04-18

東北林業大學大學生創新訓練項目(201510225003)

高勝寒，本科生。研究方向：車輛工程。

*通信作者：李宏剛，碩士，副教授。研究方向：載運工具功能創新。E-mail：lhg@nefu.edu.cn

高勝寒，李宏剛，王國龍，等.小型低速風洞洞體結構設計研究[J].森林工程，2016，32(6)：77-80.

V 211

A

1001-005X(2016)06-0077-04