雨滴在邊界層風(fēng)洞中漂移軌跡研究

馬占元

摘 要：在邊界層風(fēng)洞中，研究雨滴在微風(fēng)速下的漂移軌跡，建立應(yīng)用于邊界層風(fēng)洞的雨滴運動模型，對不同粒徑雨滴的落地速度和飄移軌跡進行分析，結(jié)果表明，雨滴在邊界層風(fēng)洞中的漂移軌跡隨風(fēng)速的增加而跟隨性越差。

關(guān)鍵詞：雨滴;邊界層風(fēng)洞;漂移軌跡;粒徑

中圖分類號：P426 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0220-02

0 引言

邊界層風(fēng)洞是研究風(fēng)工程的重要設(shè)備，利用邊界層風(fēng)洞中的濕沉積系統(tǒng)進行降雨模擬逐漸成為一項重要的環(huán)境模擬手段，雨滴在邊界層風(fēng)洞中的軌跡運動是降雨模擬的重要課題，它對降雨終端設(shè)備的布置，水壓的確定，降雨高度的選擇和相關(guān)試驗粗糙元的布置都有著重要的影響。

以往針對雨滴運動的研究，通常都是對雨滴自然下落運動進行分析，主要研究自然運動受力狀況和自然收尾速度的控制狀況等。本文的研究建立在已有邊界層風(fēng)洞配置的濕沉積模擬系統(tǒng)上，根據(jù)已有的最大降落高度和濕沉積系統(tǒng)提供的雨滴初始參數(shù)，結(jié)合邊界層風(fēng)洞提供的可控的精確微風(fēng)速，對雨滴的漂移軌跡進行研究。

1 計算模型

1.1 邊界層風(fēng)洞計算模型

邊界層風(fēng)洞基本尺寸如圖1所示。取標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)進行計算，溫度為15℃，黏性系數(shù)為1.4607×10-5，通過變頻控制風(fēng)機和槳葉的變槳距，可實現(xiàn)風(fēng)洞試驗段風(fēng)速范圍：0.5-20m/s。風(fēng)洞總長71.1m，其中試驗段長度為28m，濕沉積系統(tǒng)布置在試驗段頂部，距離試驗段入口3m。邊界層風(fēng)洞試驗段截面尺寸：5m（寬）×3.5m（高），試驗研究風(fēng)速：1m/s，2m/s和3m/s。

3 計算結(jié)果

當(dāng)風(fēng)洞氣流速度一定時，隨著液滴粒徑的增大，液滴的x向落地速度逐漸增大;同一粒徑的液滴，隨著風(fēng)速的增大，x向落地速度逐漸增大;風(fēng)速越小，x向落地速度變化率越大，如圖2所示。分析原因：液滴在風(fēng)洞中沿x方向運動時，受到氣流加速和氣流阻力的綜合作用力的影響，液滴粒徑越小，受到的綜合作用力越大，因此速度變化也越大。

當(dāng)風(fēng)洞氣流速度變化時（1m/s-4m/s），液滴的y向落地速度不受風(fēng)速變化的影響，而只受液滴粒徑的影響，隨液滴粒徑的增大而增大，如圖3所示。這表明：在邊界層風(fēng)洞中，雨滴下落速度幾乎不受垂直方向的氣流浮力的影響，這與自然界雨滴的下落過程不同。

4 液滴軌跡

針對粒徑為1mm的液滴在不同風(fēng)速下的軌跡進行分析。當(dāng)風(fēng)速為1m/s時，1mm粒徑液滴在風(fēng)洞中的運動時間為1.3s，液滴噴射速度經(jīng)歷了初始減速和末端加速兩個歷程，減速時間歷程為：0-1.15s，速度表現(xiàn)為：由初始噴射速度4m/s逐漸降低至0.5m/s，在該階段，液滴減速是受氣體阻力的影響;加速時間歷程為：1.15s-1.3s，速度表現(xiàn)為：速度由0.5m/s加速至1m/s，即液滴x向落地速度達到1m/s，碰撞到風(fēng)洞底部，停止運動，液滴加速是受氣流吹拂速度的影響。

因此，在1m/s風(fēng)速下，液滴只經(jīng)歷初始減速和末端加速兩個歷程，液滴落地可實際跟隨氣流運動速度。

當(dāng)風(fēng)速為2m/s時，1mm粒徑液滴在風(fēng)洞中的運動時間為1.3s，液滴噴射速度經(jīng)歷了初始加速，中間減速和末端加速三個歷程，初始加速時間歷程為：0-0.08s，速度表現(xiàn)為：由初始噴射速度4m/s逐漸加速至4.25m/s;中間減速時間歷程為：0.08s-1.1s，速度表現(xiàn)為：速度由4.25m/s逐漸減速至1m/s;最后，末端加速時間歷程為：1.1s-1.3s，速度表現(xiàn)為：由1m/s逐漸加速至1.8m/s，即液滴x向落地速度達到1.8m/s，碰撞到風(fēng)洞底部，停止運動。

在初始加速，中間減速和末端加速這三個階段，分別是氣流加速，氣體阻力減速和邊界層氣流相對加速起主導(dǎo)作用。

風(fēng)速達到3m/s時，液滴運動軌跡和風(fēng)速2m/s時的運動趨勢一致，落地速度達到2.7m/s。

風(fēng)速達到4m/s時，液滴運動軌跡和風(fēng)速2m/s時的運動趨勢一致，落地速度達到3.4m/s。

5 結(jié)語

（1）液滴在風(fēng)洞中沿x方向運動時，受到氣流加速和氣流阻力的綜合作用力的影響，液滴粒徑越小，受到的綜合作用力越大，因此速度變化也越大。（2）當(dāng)風(fēng)速<1m/s時，液滴所受空氣阻力作用較小，液滴落地時可跟隨風(fēng)速達到風(fēng)速值。（3）當(dāng)風(fēng)速>2m/s時，液滴運動受到空氣阻力明顯的影響，跟隨空氣運動規(guī)律較差，并隨著風(fēng)速的增加跟隨性表現(xiàn)越差。

參考文獻

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