內窺鏡在氣象低速風洞的應用與流速穩(wěn)定性分析

武燦燦，顏平江，李文博

（天津市氣象探測中心，天津 300061）

0 引言

風洞，即風洞實驗室，是以人工的方式產(chǎn)生并控制氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，能量度氣流對實體的作用效果，觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設備，是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一[1-3]。DZS-II 型氣象低速風洞能夠根據(jù)設定值，在其內部產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，主要用于風速儀的檢定與校準工作。風速儀廣泛應用于氣象、環(huán)境保護、消防等部門，其示值的準確與否直接關系到防災減災、公共安全以及節(jié)能減排等工作的成效[4-5]。DZS-II 型氣象低速風洞具有操作簡單、準確可靠的特點，作為檢定、校準風速傳感器和風速儀的設備，其作用不言而喻[6]。

隨著科技的發(fā)展，風速儀逐步向著輕便化、一體化的方向發(fā)展，應用的行業(yè)領域也更加廣泛[7-10]。然而，風速儀較高的集成度為試驗過程中數(shù)據(jù)的讀取和儀器狀態(tài)的了解帶來了困難。因此，此類風速儀的校準需要在風洞內部通過添加攝影設備以實現(xiàn)可視化功能。內窺鏡是集光學、精密機械、現(xiàn)代電子和軟件于一體的現(xiàn)代精密檢測儀器，廣泛應用在醫(yī)學、工業(yè)、汽車制造和修理行業(yè)[11]。通過在DZS-II 型低速風洞內加裝內窺鏡的方式實現(xiàn)風洞內部可視化，從而解決現(xiàn)有風洞無法校準便攜式手持風速儀的問題，并通過試驗探索加裝內窺鏡前后以及在風洞內部不同位置加裝內窺鏡對風洞流速穩(wěn)定性的影響。

1 試驗儀器

試驗中用到的標準器為皮托靜壓管與數(shù)字壓力計，配套設備為DZS-II 型低速風洞、數(shù)字氣壓計和溫濕度記錄儀。其主要技術指標見表1。

表1 標準器及配套設備主要技術指標

天津地區(qū)氣象計量業(yè)務使用的風洞為DZS-II 型低速風洞，主要由收縮段、試驗段、擴散段和風機組成，如圖1 所示，試驗段的長度約225 cm，整個試驗段的形狀類似管道狀，管內直徑約50 cm。試驗段是風速最穩(wěn)定的區(qū)域，也是日常使用最多的區(qū)域，通常把標準設備和被測設備放到該段進行試驗。對風洞內部進行可視化改造，將內窺鏡加裝于試驗段，分別將其與皮托靜壓管放入試驗段，通過控制風洞內空氣流速，利用數(shù)字壓力計讀取風壓并計算出相應的標準風速示值。

圖1 風洞結構

試驗中用到的內窺鏡為工業(yè)超清內窺鏡，鏡頭直徑12.5 mm，長度48 mm，鏡頭變焦方式為數(shù)碼變焦，該鏡頭可根據(jù)物體的距離自動變焦。軟管連接鏡頭與內窺鏡屏幕，軟管直徑約8 mm，在試驗過程中可根據(jù)需要手動調節(jié)軟管的角度以控制內窺鏡位置。

試驗中的DZS-II 型低速風洞、皮托管、數(shù)字壓力計、數(shù)字氣壓計儀器等設備均正在使用，且經(jīng)過法定計量檢定機構定期溯源，處于檢定有效期內。試驗過程中的環(huán)境溫度、濕度均符合測試規(guī)范的相關要求。

2 風洞流速穩(wěn)定性性能測試試驗

2.1 測試依據(jù)

試驗方法依據(jù)QX/T 84—2007《氣象低速風洞性能測試規(guī)范》[12]。

2.2 流速穩(wěn)定性測試

2.2.1 內窺鏡鏡頭放置點的選擇

沒有加裝內窺鏡時，選擇試驗段儀器安裝截面中心；加裝內窺鏡后，在保證圖像清晰穩(wěn)定的情況下，分別將內窺鏡鏡頭放置在風洞試驗段截面中間位置、側面及試驗段與擴散段交界處截面中下方。

2.2.2 流速選擇

參照國家氣象計量站對本風洞的穩(wěn)定性性能測試報告，穩(wěn)定性測試選擇2 m/s、20 m/s、40 m/s（被測截面流速）3 種流速。

2.2.3 測試步驟

（1）將皮托管迎風端安裝在所選試驗段截面中心，測試不加裝內窺鏡時風洞的流場穩(wěn)定性。

（2）通過調整控制器頻率從而控制電機轉速[13]，使流速穩(wěn)定在選定流速。流速穩(wěn)定后每隔5 s 讀一次標準風速值，測試時間為1 min，每種流速下測3 次。

（3）皮托管位置不動，將內窺鏡軟管固定在風洞一側內壁上以調節(jié)合適的鏡頭角度，分別將內窺鏡鏡頭放置在風洞試驗段截面中間位置、側面及試驗段與擴散段交界處截面中下方。鏡頭所在位置如圖2 所示。

圖2 內窺鏡鏡頭位置

（4）重復步驟（2），測量內窺鏡鏡頭分別放置在風洞試驗段截面中間位置、側面及試驗段與擴散段交界處截面中下方時風洞的流場穩(wěn)定性。

3 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

每分鐘的流速穩(wěn)定性系數(shù)按照式（1）計算。

式中，η 為穩(wěn)定性系數(shù)；vi為某次測試中第i 個瞬時流速值，m/s；為某次測試1 min 內的平均流速值，m/s。

將這3 種流速下3 次測得的穩(wěn)定性系數(shù)計算出算術平均值，為所測風洞該流速下的穩(wěn)定性系數(shù)。通常風洞在某一流速下的穩(wěn)定性系數(shù)不大于0.5%[14]。

按照風洞流速穩(wěn)定性測試步驟對不加裝內窺鏡的風洞進行穩(wěn)定性測試，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 無加裝內窺鏡風洞測試數(shù)據(jù) m/s

計算3 次測得的穩(wěn)定性系數(shù)的平均值，結果見表3。

由表3 可知，不加裝內窺鏡時，風洞在各測試點的流速穩(wěn)定性均在0.5%及以下。測試點20 m/s 和40 m/s 的流速穩(wěn)定性系數(shù)均小于0.5%，由于低風速時風洞風場的穩(wěn)定性受外界影響較大，所以測試點為2 m/s 時的流速穩(wěn)定性系數(shù)為0.50%。總體來說，不加裝內窺鏡時風洞內流速穩(wěn)定性系數(shù)符合風洞測試標準。

表3 無加裝內窺鏡風洞穩(wěn)定性系數(shù)

將內窺鏡鏡頭放置在試驗段截面中間位置時，3 次測得的穩(wěn)定性系數(shù)平均值見表4。

由表4 可知，測試點為2 m/s時，風洞內流速穩(wěn)定性系數(shù)最大，2 m/s 和20 m/s 時的流速穩(wěn)定性系數(shù)均大于0.5%，測試點為40 m/s 時的流速穩(wěn)定性系數(shù)最小。其原因一方面是在風洞試驗段加裝內窺鏡后氣流經(jīng)過內窺鏡鏡頭后空氣流場發(fā)生變化，對皮托管前段氣流穩(wěn)定性造成影響；另一方面由于內窺鏡軟管用膠帶固定在試驗段側面內壁上，給試驗段內空氣流場的穩(wěn)定性增加了干擾因素。

表4 內窺鏡加裝在試驗段中間時風洞穩(wěn)定性系數(shù)

將內窺鏡鏡頭放置在試驗段截面?zhèn)让鏁r，3 次測得的穩(wěn)定性系數(shù)平均值數(shù)據(jù)見表5。

由表5 可知，將內窺鏡鏡頭放置在側面后，在2 m/s 和20 m/s 時風洞內流速穩(wěn)定性系數(shù)依然大于0.5%。在風洞試驗段中加裝內窺鏡以后，氣流在經(jīng)過該截面段時的截面變小，根據(jù)伯努利原理，導致流速瞬時值增大，所以前后流速差增大，根據(jù)公式，的值增大，從而導致流速氣流穩(wěn)定性系數(shù)增大。由此可見，在風洞試驗段截面的中間和側面加裝內窺鏡后，對風洞中的中低流速的穩(wěn)定性影響較大，對高流速的穩(wěn)定性影響較小。

表5 內窺鏡加裝在試驗段側面時風洞穩(wěn)定性系數(shù)

將內窺鏡鏡頭放置在試驗段與擴散段交界處的截面中下方時，3 次測得的穩(wěn)定性系數(shù)平均值數(shù)據(jù)見表6。

由表6 可知，將內窺鏡鏡頭放在試驗段于擴散段交界處的截面中下放時，在20 m/s 和40 m/s 時的流速穩(wěn)定性系數(shù)較低，均在0.5%以下，但是在低風速的2 m/s時，穩(wěn)定性系數(shù)高于0.5%。內窺鏡鏡頭在該位置時，由于風洞內壁軟管及膠帶的影響，導致低風速時的摩擦力和阻力增大，中高風速時受摩擦力和阻力的影響比較小。因此，在該位置放置內窺鏡鏡頭對低風速的流速穩(wěn)定性影響較大，對中高風速的流速穩(wěn)定性影響很小。

表6 內窺鏡加裝在交界處截面中下方時風洞穩(wěn)定性系數(shù)

為了便于比較和分析，將國家計量站對本風洞的測試結果與不同試驗位置下的穩(wěn)定性系數(shù)進行數(shù)據(jù)匯總（圖3）。

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)匯總

從圖3 可以看出，在風洞內加裝內窺鏡對風洞內流速的穩(wěn)定性有一定的影響，風洞在不加裝內窺鏡時得到的穩(wěn)定性系數(shù)與國家計量站測試報告中的數(shù)據(jù)基本一致。在風洞試驗段加裝內窺鏡后，增加了氣體與內窺鏡鏡頭之間的摩擦力，使得風格洞內流速阻力增加，穩(wěn)定性系數(shù)增大。在試驗段截面中間和側面加裝內窺鏡使截面減小，某一瞬時流速值會突然變大，導致氣流在經(jīng)過內窺鏡鏡頭前后的流速差增大，穩(wěn)定性系數(shù)增大。試驗證實，無論將內窺鏡鏡頭放置在哪個位置都對2 m/s 的流速穩(wěn)定性有較大的影響，均大于0.5%，但是對高風速流速的穩(wěn)定性影響較小。所以，將內窺鏡鏡頭加裝在截面中間及側面時，中低風速段風洞風場的穩(wěn)定性受外界影響較大，高風速段風洞風場的穩(wěn)定性受外界影響較小。將內窺鏡鏡頭加裝在試驗段與擴散段交界處中下方時，低風速段風洞風場的穩(wěn)定性受外界影響較大，中高風速段風洞風場的穩(wěn)定性受外界影響較小。

4 結論

DZS-II 型氣象低速風洞在風速儀的檢定與校準中發(fā)揮著重要作用，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)因為風洞內部因缺少可視化設備導致便攜式手持風速儀無法校準。因此，為了解決該問題，通過在風洞內部加裝內窺鏡的形式對風洞內部進行可視化改造，通過試驗的方式探索內窺鏡鏡頭在不同位置對風洞內部流速穩(wěn)定性的影響。試驗表明，在保證內窺鏡圖像清晰穩(wěn)定的前提下，將鏡頭加裝在風洞試驗段截面中間及側面時，對風洞內2 m/s和20 m/s 時的流速穩(wěn)定性影響較大，對40 m/s 時的流速穩(wěn)定性影響較小；將內窺鏡鏡頭加裝在試驗段與擴散段交界處中下方時，對風洞內2 m/s 時的流速穩(wěn)定性影響較大，對20 m/s 和40 m/s 時的流速穩(wěn)定性影響較小。

未來可通過選用規(guī)格更小的內窺鏡、更換其他無線連接攝影設備，或將攝影設備安裝在離風洞試驗段更遠位置的方式解決風洞流速穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)風洞內部可視化，使風洞更好的投入氣象及各行業(yè)的應用中。