實(shí)驗(yàn)室用微小型二相流風(fēng)洞流道設(shè)計(jì)

徐新建， 胡光忠， 肖守訥， 蒲 凡， 鄒 亮

(1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000； 2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

·儀器設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)·

實(shí)驗(yàn)室用微小型二相流風(fēng)洞流道設(shè)計(jì)

徐新建1， 胡光忠1， 肖守訥2， 蒲 凡1， 鄒 亮1

(1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000； 2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

為了驗(yàn)證風(fēng)沙二相流風(fēng)洞數(shù)值模擬計(jì)算高速列車(chē)在風(fēng)沙環(huán)境下數(shù)值模擬的正確性,并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)行了風(fēng)沙二相流風(fēng)洞可行性驗(yàn)證及風(fēng)洞設(shè)計(jì)。本風(fēng)洞設(shè)計(jì)主要通過(guò)數(shù)值模擬確定試驗(yàn)列車(chē)模型按1∶100縮小,風(fēng)速為15 m/s情況下風(fēng)洞主要實(shí)驗(yàn)流道裝置的最小尺寸。結(jié)果顯示,試驗(yàn)段截面尺寸寬、高、長(zhǎng)分別為300 mm×300 mm×600 mm時(shí)滿足對(duì)高速列車(chē)縮小模型二相流風(fēng)洞試驗(yàn)要求。仿真模擬數(shù)據(jù)與大氣環(huán)境下數(shù)值計(jì)算工況相差微小，數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯失真。說(shuō)明該尺寸可以應(yīng)用于風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建,為風(fēng)洞初期設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)依據(jù)。

風(fēng)洞； 二相流； 數(shù)值模擬； 實(shí)驗(yàn)裝置

0 引 言

在抗側(cè)風(fēng)高速列車(chē)的設(shè)計(jì)流程中，大風(fēng)以及風(fēng)沙耦合等工況下對(duì)列車(chē)安全性的影響成為關(guān)注的重點(diǎn)。同時(shí)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展驅(qū)使鐵路線路向山區(qū)和沙漠邊緣地帶延伸,因此對(duì)沙漠鐵路的研究則更加具有必要性,而防風(fēng)固沙措施作為沙漠鐵路的重要組成部分,也具有了較大的可研究性[1]。在大風(fēng)作用下,尤其在新疆地區(qū)經(jīng)常存在著惡劣的天氣狀況對(duì)高速列車(chē)安全運(yùn)行存在著巨大的威脅[2]。因此,研究高速列車(chē)在風(fēng)沙環(huán)境下的安全運(yùn)行變的很有必要，但是只有少部分研究人員對(duì)風(fēng)沙耦合下高速列車(chē)穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，而且基本都是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對(duì)列車(chē)安全性進(jìn)行研究、評(píng)價(jià)，難以確定其數(shù)值模擬結(jié)果的正確性[3]。本文小型風(fēng)洞的設(shè)計(jì)目的就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，再通過(guò)正確的數(shù)值模擬方法分析高速列車(chē)在風(fēng)沙中運(yùn)行的安全性。

現(xiàn)有風(fēng)洞設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，隨著CFD軟件的發(fā)展，應(yīng)用CFD軟件指導(dǎo)風(fēng)洞流道的設(shè)計(jì)具有新的實(shí)用價(jià)值[4-6]。Moonen等[7-8]針對(duì)實(shí)驗(yàn)尺度的Jules Verne 全天候風(fēng)洞，采用了一定的近似簡(jiǎn)化進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比證明了整體模擬具有一定的合理性。代焱等[9]在聲學(xué)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)和研究中進(jìn)行了近似整體模擬，研究結(jié)果對(duì)于聲學(xué)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)具有借鑒價(jià)值。盡管現(xiàn)階段風(fēng)洞設(shè)計(jì)無(wú)法完全依靠CFD數(shù)值模擬，但是在設(shè)計(jì)階段計(jì)入多種影響因素對(duì)風(fēng)洞流道進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬對(duì)流道的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算方法

風(fēng)洞設(shè)計(jì)目的是為了研究高速列車(chē)在強(qiáng)側(cè)風(fēng)及風(fēng)沙環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性。首先確定需要計(jì)算的高速列車(chē)模型的尺寸，長(zhǎng)、寬、高分別為79 mm、30 mm、40 mm。然后通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽鐏?lái)確定試驗(yàn)用風(fēng)洞的尺寸，使設(shè)計(jì)的風(fēng)洞具有合理的尺寸，保證風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)計(jì)算的實(shí)用性。本文采用CFD軟件在15 m/s風(fēng)沙條件下,在無(wú)限環(huán)境與有限環(huán)境多種工況下多次計(jì)算高速列車(chē)模型在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下的壓力、速度變化值[10]。以無(wú)限環(huán)境下，壓力、速度的計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)分析有限環(huán)境下壓力、速度的值。根據(jù)這兩個(gè)值的相似度來(lái)確定風(fēng)洞模型的尺寸。

2 風(fēng)洞高度的確定

為了確定風(fēng)洞模型最佳的高度，即滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不失真,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有參考性的前提下有最小的風(fēng)洞模型尺寸。通過(guò)流體力學(xué)軟件進(jìn)行多次數(shù)值模擬后擬合出速度和壓力變化曲線。由圖1可以看出,風(fēng)洞模型高度<300 mm時(shí)，風(fēng)洞的最大、最小壓力呈現(xiàn)出了明顯的上升和下降趨勢(shì)。其原因主要是因?yàn)榱熊?chē)模型的存在與風(fēng)洞壁之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，而在風(fēng)洞高度為300 mm時(shí)風(fēng)洞壁與列車(chē)模型之間的相互作用效果對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響已經(jīng)開(kāi)始變得明顯[11]。再由速度隨模型尺寸變化曲線圖可以看出,隨著風(fēng)洞尺寸的減小,風(fēng)洞高度在小于400 mm時(shí)風(fēng)洞內(nèi)速度開(kāi)始發(fā)生劇烈變化，但是在高度為300 mm的地方速度僅比無(wú)限環(huán)境增加1.1 m/s，相對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求，此誤差是滿足的,因此確定風(fēng)洞的高度為300 mm。

圖1 風(fēng)洞高度、壓力與速度變化曲線

3 寬度校核

由上面確定風(fēng)洞的高度，然后在風(fēng)機(jī)功率、設(shè)備美觀和穩(wěn)定的考慮,初步確定風(fēng)洞的寬度為300 mm。同時(shí)運(yùn)用Fluent計(jì)算速度為15 m/s情況下，無(wú)限寬度壓力與速度的大小與在300 mm×300 mm風(fēng)洞尺寸下壓力與速度的大小進(jìn)行比較[12]。通過(guò)比較得到設(shè)計(jì)寬度最大速度為17.61 m/s，壓力為137.1 Pa。無(wú)限寬度最大速度17.21 m/s，壓力為131.1。由圖2數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,縮小的風(fēng)洞與野外空曠環(huán)境下的壓力速度的變化值均小于1%，可以滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)野外環(huán)境模擬的要求，所以風(fēng)洞截面設(shè)計(jì)為300 mm×300 mm是滿足試驗(yàn)要求的。

圖2 無(wú)限寬與300 mm環(huán)境下壓力與速度的比較

4 試驗(yàn)段長(zhǎng)度的確定

由于高速列車(chē)屬于細(xì)長(zhǎng)物體，在側(cè)風(fēng)作用下高速列車(chē)的后方會(huì)產(chǎn)生一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的渦[13]，為了能使渦充分的發(fā)展并且能方便地觀察渦的存在，同時(shí)研究渦的變化規(guī)律對(duì)細(xì)長(zhǎng)物體的影響。在確定了風(fēng)動(dòng)截面后,下一步就是確定試驗(yàn)段的長(zhǎng)度。根據(jù)后面的湍流區(qū)域的長(zhǎng)度確定試驗(yàn)段的長(zhǎng)度。由圖3可以看出，湍流區(qū)域的存在。再根據(jù)計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度及云圖比例確定湍流區(qū)域長(zhǎng)度為415 mm。所以增加裕量后將試驗(yàn)段長(zhǎng)度確定為600 mm。

圖3 列車(chē)縮小模型在風(fēng)洞中的壓力、速度云圖，流線圖

5 二相流混合入口的選擇

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)主要是為多相流的模擬而服務(wù)，因此,在設(shè)計(jì)之初不得不考慮次相加入口的布置位置。通過(guò)多次模擬對(duì)比之后最終確定將固體相與氣相混合點(diǎn)布置在一元收縮段與穩(wěn)定段的連接處。由圖4看出，此處在沒(méi)有添加混合口時(shí)就處于流速變化點(diǎn)，流場(chǎng)混亂，流速大。這正好符合對(duì)次相添加點(diǎn)的要求。同時(shí)在一元收縮段與穩(wěn)定段之間加一遮風(fēng)板可以擴(kuò)大負(fù)壓區(qū)的范圍，使氣固二相混合更加充分[14]。①流場(chǎng)混亂適合主相與次相的充分混合，且可以減弱次相添加而對(duì)流場(chǎng)的影響。②大的流速可以加快流場(chǎng)由亂流變?yōu)閷恿鞯乃俣取Ｍㄟ^(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可以驗(yàn)證在次相入口處得到了一個(gè)負(fù)壓區(qū)，方便將次相均勻地散入風(fēng)洞，實(shí)現(xiàn)與主相的混合，且不至于發(fā)生由于風(fēng)洞中的壓力而出現(xiàn)氣體泄漏的情況。

圖4 二相流混合口壓力與速度云圖

由圖4可以看出，由于次相入口的存在，其下方造成了一個(gè)速度、壓力都比較高的的區(qū)域，但是在通過(guò)次相入口一段距離后流場(chǎng)又恢復(fù)正常的壓力，速度也趨于穩(wěn)定。所以次相入口既可以滿足次相的添加又不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生太大影響，次相入口選擇是合理的。

6 實(shí)驗(yàn)裝置確定

此試驗(yàn)裝置主要用于氣固二相流實(shí)驗(yàn)，氣體中存在高速流動(dòng)的固體，如果試驗(yàn)裝置太復(fù)雜會(huì)影響二相流的流動(dòng)，造成固相過(guò)早沉積，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)固相清理困難的問(wèn)題，故將風(fēng)洞設(shè)計(jì)為直流式風(fēng)洞[15]。由圖5可見(jiàn),風(fēng)機(jī)從左側(cè)吹入高速空氣，經(jīng)一元收縮段1加速之后在次相入口處流經(jīng)遮風(fēng)板，在遮風(fēng)板后方形成一處負(fù)壓區(qū)。次相由次相入口2進(jìn)入流道入高速流動(dòng)的負(fù)壓區(qū)，經(jīng)主次相充分混合后，在穩(wěn)定段3逐漸進(jìn)入層流狀態(tài)，然后經(jīng)二元收縮段4再次加速之后進(jìn)入試驗(yàn)段5，試驗(yàn)段流出的高速流體經(jīng)擴(kuò)散段6擴(kuò)散減速之后排出。

1-一元收縮段, 2-次相入口, 3-穩(wěn)定段, 4-二元收縮段,5-試驗(yàn)段, 6-擴(kuò)散段

7 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)風(fēng)洞尺寸有要求，在設(shè)計(jì)具體風(fēng)洞尺寸時(shí)要考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)風(fēng)洞尺寸的影響，15 m/s風(fēng)沙對(duì)列車(chē)影響的風(fēng)洞試驗(yàn)中列車(chē)按1∶100縮小，風(fēng)洞最小尺寸為300 mm×300 mm×600 mm。

本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法指導(dǎo)風(fēng)沙二相流試驗(yàn)風(fēng)洞的尺寸的確定，對(duì)微小型專(zhuān)用試驗(yàn)室風(fēng)洞的設(shè)計(jì)提出了一種新方法，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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TheDesignofMiniatureTwo-phaseFlowWindTunnelforLaboratoryTest

XüXinjian1,HUGuangzhong1,XIAOShoune2,PUFan1,ZOULiang1

(1. School of Mechanical Engineering, Sichuan University Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan, China; 2. Southwest Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China)

In order to verify the accuracy of numerical simulation of the wind tunnel of the high-speed train in the wind-sand environment, and further to correct the numerical simulation, a wind tunnel of the two-phase flow is designed to validate the correctness of the design results. The model of the test train is reduced by the proportion of 1∶100, and wind speed is 15 m/s. The results show that when the wind tunnel test section is 300 mm×300 mm×500 mm, the test requirement can be satisfied. The theoretical data are similar to the numerical calculation in the atmospheric environment, and the data are not obviously distorted. The size can be used to build pneumatic experimental device. In this paper, a method for determining the size of the special wind tunnel by using the simulation software is established. It provides a basis for the design of wind tunnel.

wind tunnel; two-phase flow; numerical simulation; experimental device

TH 122

A

1006-7167(2017)09-0042-04

2016-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275432)；四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(y2016002)

徐新建(1991-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士生，主要研究方向：高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)。Tel.:13183937866;E-mail:1064791635@qq.com

胡光忠(1972-),男，四川南江人，博士，教授，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與理論。Tel.：13990004352;E-mail：568092170@qq.com