微型低湍流標定風洞結構設計研究

郝春生，李匯軍，張思聰，周晨陽，胡捷

(南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

工程運用中風速測量技術是重要的一環。風速測量傳感器使用前必須標定，才能保證精準度。大型風洞可以提供穩定的風速段，但是標定成本太高，因此有必要研發微型標定風洞，不但應用方便、成本低，而且標定質量較高。這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[1]。

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[2]。所以標定風洞的基本要求與風速傳感器的工作條件有直接的關系，普通風速儀測量范圍集中在0～30m/s，部分熱線風速儀的量程達到了0～60m/s。

浙江大學的余世策等在2014年進行了小型直流標定風洞的研制[2]，但是該標定風洞的尺寸接近5m，控制系統采用主動變頻控制，不僅不方便移動，而且主動控制方式精度不高。內蒙古農業大學的劉海洋等在2016年進行了可移動低速風洞的設計與試驗[3],該標定風洞的尺寸也達到了2.63m，實驗段風速0～17.6m/s，雖然在可移動性得到了提升，但是標定風洞的標定范圍降低了很多。

根據這一實際情況，研制出一種微型、經濟、實用的直流標定風洞。本文以南京航空航天大學風洞實驗室微型直流標定風洞為例，詳細討論了風洞洞體結構設計、仿真模擬，對標定風洞的研究有著較高的參考價值。

1 涵道氣動結構設計

1.1 涵道氣動輪廓

目前主流的標定風洞控制方式大多采用交流變頻控制系統，這種控制系統存在耐久性的問題，并且標定風洞本身第一次使用需要風速儀反向標定，較不方便。在上述分析前提下，提出如下總體設計方案：1)標定風洞整體尺寸不宜過大；2)在風速要求范圍內保證穩定工作的基礎上，結構盡量簡單；3)出口流場湍流度滿足風速儀的試驗要求。標定風洞由動力段、擴散段、蜂窩器、穩定段、收縮段組成如圖1所示。動力段由軸流風機供能，出口尺寸φ90mm，面積為6.4×10-3m2，試驗需要標定測試的風速傳感器的迎風面積為8×10-5m2，占出風口面積的1.25%。入口尺寸φ250mm，收縮比7.72∶1；收縮曲線采用雙三次收縮曲線；整體長度630mm，達到桌面級別。

圖1 微型標定風洞結構圖

1.2 動力段設計

動力段是為標定風洞提供風源的重要組成部分，其中軸流風機體積較小，且結構簡單，便于安裝，采用電機驅動，降低風扇對氣流的影響，將電機置于后置導葉整流罩內。軸流風機主要參數計算如下。

1)比轉速

比轉速可以用來表征不同類型的通風機性能的主要參數，通常R+S級[4]軸流通風機比轉速>200，比轉速大表明其流量大而壓力小，同時，比轉速由全壓、流量和轉速決定，并影響著葉輪直徑等參數[5]。

計算可得比較速ns=220。

2)葉輪直徑

葉輪直徑直接影響通風機的性能和結構。并且葉輪直徑受全壓的限制，受比轉速的影響[6]。

式中：Ku為系數，取ns=259，Ku取2.53，計算得D=0.25。

3)輪轂比

輪轂比對軸流風機的用途及氣動流型選擇有著較大的影響，其中電機固定在后導葉處，因此輪轂的尺寸也由電機直徑尺寸決定，所以輪轂比是軸流風機設計中全局性問題。

計算得到軸流風機的主要參數后，導入CFturbo進行參數化建模，翼型采用NACA65-010，葉片數目為7，導葉數目為9。葉片輪廓如圖2所示。

圖2 軸流風機葉片模型

1.3 收縮段設計

氣流經過穩定段進入收縮段，得到均勻加速，從而達到額定流速，收縮段的設計直接決定實驗段的流體質量，所以收縮段的設計是風洞設計中至關重要的部分。收縮段的設計和性能主要取決于收縮比C和收縮曲線，收縮比定義為收縮段入口處橫截面積與收縮段出口處橫截面積的比值[5]。收縮比C與氣流在收縮段速度增量成正比，另外較大的收縮比可以減小能耗，同時也可以一定程度上降低2個方向的分速度，在一定程度上降低相對湍流度，但是收縮比過大的話，收縮段之前的穩定段的面積過大，不僅成本高，而且容易引起漩渦及影響各向同性[6]。收縮段出口處的湍流強度與收縮段入口處的湍流強度比為湍流度減小收縮比作用系數，湍流度減小收縮比作用系數fC與收縮比C的關系為：

(1)

fC與C的關系曲線如圖3所示[7-9]。

圖3 收縮比作用系數fC與收縮比C的 關系曲線

由圖3可得，收縮比在0～5之間時，fC減小得比較明顯；在15～50之間，fC的變化不大。考慮到成本問題，而且過大的收縮比需要二次收縮，所以收縮比取5～10之間。本風洞收縮比取7.72∶1，常用的收縮曲線有維特辛斯基收縮曲線、雙三次曲線、五次方曲線，公式分別為：

R=R2+(R1-R2)[1-10(X/l)3+15(X/l)4-6(X/l)5]

圖4是3種曲線的對比圖，由圖中可以看出：維特辛斯基曲線在進口部分收縮較其他2個曲線快，后半段收縮平緩，這樣可以較大程度地保證出口處速度均勻，但是可能會出現逆壓梯度[9]；雙三次曲線和五次方曲線的進口都比較平緩，雙三次曲線在進出口處都比五次方曲線更為平緩，本風洞采用更平緩的雙三次曲線。

圖4 3種曲線的對比圖

1.4 蜂窩器設計

為了提高進入收縮段的氣流品質，需要在穩定段安裝蜂窩器和阻尼網。由于此風洞的尺寸較小，且整體結構為3D打印材料。所以簡化掉阻尼網，蜂窩器對氣流有導向作用，有效降低氣流橫向的湍流度[2]，蜂窩器由許多小截面管道組成，其中六角形蜂窩管的阻力損失最小[10]，本蜂窩器長度尺寸為75mm，對邊尺寸為20mm。

圖5 蜂窩器結構放大圖

2 風速儀兩自由度夾具設計

出口氣流的湍流強度影響標定風洞的品質[11]，為了不影響出口的速度場，設計兩自由度二維熱線風速儀夾具，夾具力臂采用1/4圓弧段，最大限度地減少對流場的影響。在舵機與上、下臂連接處安裝紅外線，交點在風速儀探頭處，使風速儀探頭始終位于夾具兩自由度軸線交點處也是標定風洞的軸線處，夾具采用360°高精度舵機驅動，這樣可以不改變風速儀探頭位置而改變探頭的指向角度，測量出口氣流場的不均勻性也可以測量出口風速方向角。夾具實物及整體效果圖如圖6所示。

圖6 夾具實物及整體效果圖

3 標定風洞流場數值模擬設置

3.1 網格劃分

風扇葉片模型由CFturbo導入solidworks，然后進行整體涵道建模，并進行結構簡化，簡化后風洞如圖7所示。其中將整個風洞分成4個部分，分別是旋轉域葉輪、靜止域后導葉、靜止域進口、靜止域出口。結構化網格的質量高于非結構網格，且同尺寸標準下網格數量低于非結構網格。葉輪和導葉結構復雜，采用結構網格，這樣可以解決因為網格質量太差或網格數量過多導致計算出錯的問題。分別對邊界層及復雜構形處進行加密處理，4個域的網格劃分結構如圖8所示，結構網格采用turbogrid劃分，要提前對葉輪、導葉進行流道提取。靜止域的進出口網格采用icem劃分。

圖7 標定風洞簡化圖

圖8 網格劃分結構圖

3.2 邊界條件

整個風洞涵道分為4個域，旋轉域R(rotaing)設置轉速1 400 r/min，參考壓力為1 Pa，傳熱模型選擇Total Energy，流模型設置成更適合旋轉機械的SSTκ-ε模型。進口設置速度進口(進口速度8 m/s)，總溫293 K，出口設置參考氣壓0 atm，其余均設置為wall，因為有4個域，所以需要設置3個interface，其中有兩個設置轉靜交界面Frozen Rotor，360degree。邊界條件設置如圖9所示。求解精度設置為10-5。

圖9 邊界條件

4 標定風洞流場數值模擬結果分析

4.1 出口速度場均勻性分析

風洞整體及蜂窩器前后局部放大流線圖如圖10所示。葉輪旋轉對進口產生負壓，氣流經過葉輪加速，后置導葉加蜂窩器起到了很好的導流作用。圖10(b)可以看出氣流流經蜂窩器后流場均勻性得到了顯著提高，氣流的切向速度經過蜂窩器得到減弱，這是因為蜂窩器打散了大尺度渦，加速湍流耗散，極大地降低了湍流度。出口氣流的速度場風速如圖11、圖12所示，出口風速為65m/s時，在出口截面中部7.6cm范圍內，風速較為穩定，相對誤差較小，出口風速為32m/s時，速度風場均勻截面積變小，風場均勻性相對較差，隨出風口速度增加逐漸趨于穩定，出風口速度為32m/s時，不穩定風場邊界層厚度為1cm，風場穩定面積占比75%以上。風速均勻截面積遠大于標定風速儀，可以滿足標定風洞設計要求。

圖10 風洞整體及蜂窩器局部放大流線圖

圖11 出口風速分布圖

圖12 出口橫截面流場分布圖

4.2 出口氣流湍流強度分析

雷諾數是表征流體流動特性的重要參數。雷諾數小時，影響流體流動的主要是各質點間的黏性力，這時流體呈層流狀態；雷諾數大時，影響流體流動的主要是慣性力，這時流體呈紊流狀態。對于管道來說，雷諾數Re<2 000為層流狀態，Re>4 000為紊流狀態，2 000～4 000為過渡狀態[3]。

其中：ρ為流體密度，這里是空氣密度1.29kg/m3；υ、α分別為涵道流體的平均速度及涵道直徑。最大風速出口平均速度65m/s，出口段長度為0.1m，空氣的黏滯系數η為1.8×10-3Pa·s，湍流強度計算公式為I=0.16Re-1/8。

當電機在最大轉速時，此時湍流強度為2%，可以滿足設計要求。

5 結語

1)結合空氣動力學在風工程的研究，研制了一種微型直流式標定風洞，給出了各個結構處參數確定方法；

2)保證出風口質量的前提下，提高了標定風洞的可操作、可移動性；

3)利用Ansys CFX對整體風洞進行模擬仿真，仿真結果表明，出風口速度分布均勻性面積遠大于標定風速儀，湍流強度均滿足設計要求，為之后的試驗提供了理論依據。