基于流體分析的科技館展品龍卷風研制

徐玉龍

（天津科學技術館，天津 300201）

龍卷風是在極不穩定的天氣條件下，由冷暖兩股空氣強烈相向對流運動形成的空氣漩渦。龍卷風威力十分強大，風速超過100 m/s，有時甚至超過200 m/s，還可以與火焰結合形成火龍卷，對人、畜、樹木、房屋等都有很大的破壞力。

多數科技館展品都是利用抽吸水霧來模擬龍卷風。超聲波霧化器噴出的水霧被上風機抽成柱狀，同時又在風柱內形成空氣旋渦，從而模擬出了龍卷風。由于展品有效高度較低，一般為1.5～2 m，整體效果不夠震撼。為提高展示效果，計劃將有效高度提升至3.5 m。由于龍卷風的形成受上下風機功率、風柱角度和氣孔直徑多方面影響，若采用實驗方式成本較高，因此考慮利用Solidworks 的流體仿真功能針對不同設計參數進行模擬，得到最優的參數組合，為展品研制提供技術支撐。

1 建立龍卷風模型

利用Solidworks 建立展品龍卷風三維模型，如圖1 所示，其由上安裝座、上風機、風柱、超聲水波發生器、下風機以及底座組成。上安裝座一方面固定風柱，另一方面中心安裝有上風機，使得上安裝座下部氣流向中心流動并排出；風柱上按一定間距進行打孔并相對于底座中心旋轉一定角度，用于形成旋轉氣流；超聲水波發生器用于形成水霧；底座一方面安裝風柱，另一方面裝有下風機，下風機出口與四個風柱相連。

圖1 展品龍卷風三維模型圖

2 參數設定

龍卷風主要設計參數包括風柱入口風速、出口風速、風柱孔直徑和數量、風柱角度等。單個風柱入口風速決定了下風機功率，設定可選擇參數為0.005 m3/s、0.0075 m3/s、0.001 m3/s；出口風速決定了上風機功率，設定可選擇參數為1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.5 m3/s；根據經驗值，選定風柱孔直徑范圍為5～10 mm，設定可選擇參數為6 mm、8 mm、10 mm，相鄰間距為100 mm，風柱出風口方向與底座中心圓盤相切，每根風柱孔數量為26 個。

3 參數輸入

在Solidworks 流體仿真模塊中，按照設定的參數值在模型中進行輸入，如圖2 所示。

圖2 參數輸入

4 仿真結果輸出

將不同的參數組合進行計算。計算結果以風柱孔直徑Φ6 mm、入口風速0.01 m3/s 和出口風速2.0 m3/s 為例進行說明。

4.1 流速切片顯示

水平流速切片和垂直流速切片分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 水平流速切片圖

圖4 垂直流速切片圖

4.2 粒子軌跡顯示

為了更加直觀地顯示霧化的水分子運動軌跡，將超聲波霧化器霧化后的水霧直徑設定為5 μm，同時利用粒子研究[1]進行展示。水霧分子設定和粒子研究結果分別如圖5 和圖6所示。

圖5 水霧分子設定

圖6 粒子研究結果圖

4.3 參數優選

根據粒子研究結果中粒子形態確定最優組合參數如表1所示。

表1 優選組合參數表

5 展品現場試驗

根據模擬仿真結果對風柱進行了打孔并購置上、下風機。整體組成完成后進行測試，龍卷風顯示效果良好，基本符合仿真預期。展品龍卷風試驗如圖7 所示。

圖7 展品龍卷風試驗圖

6 結論

利用Solidworks 建立了有效高度為3.5 m 的展品龍卷風三維模型；利用流體仿真模塊模擬了不同入口和出口流速以及風柱孔徑對于龍卷風效果的影響；根據計算結果優選了入口和出口參數和風柱孔直徑，為展品的成功研制提供了有效技術支撐。