吸氣式直流低速風洞實驗平臺設計與應用

王相軍， 楊俊偉， 楊 華， 黃小茜， 劉佳瑤

（1.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇揚州 225147；2.揚州大學廣陵學院，江蘇揚州 225127；3.江蘇維創散熱器制造有限公司，江蘇揚州 225261）

0 引 言

較小的直流低速風洞實驗平臺，風洞采用變頻器調節風速，擬用于教學、科研和部分工程模型的氣動分析。

風洞是一種管道系統，它通過動力裝置，在管道內產生可控氣流，從而在理想氣流下進行實物和模型的流場實驗。其是進行空氣動力學實驗的基礎，也是最重要的實驗設備，尤其廣泛應用于航空航天領域［1-2］。在風洞設計方面，魏巍等［3］設計了一座變密度平面葉柵風洞，進行雷諾數低至3.1 ×105/m的實驗，通過驗證得出實驗數據可靠性高。王營等［4］設計開發兆瓦級風力發電機組風洞實驗測試系統，得出風洞縮口應根據維新斯基曲線來設計，以降低風的湍流度，實驗段風洞要有小角度的仰角以減小邊界層效應。榮臻等［5］采用蜂窩器、多層阻尼網、大收縮比收縮段曲線、風洞管壁外隔聲處理、風洞管壁內消聲處理和減振處理等技術建成了一座低湍流度靜聲低速風洞。魏德宸等［6］設計了一座具有先進指標的微型低湍流度低速風洞，可滿足教學模擬實驗的需要。高勝寒等［7］設計了一種流場可視化的低速開路式小型風洞，通過數值仿真得出該風洞可以生成穩定的氣流來模擬周圍的模型流場。遙路等［8］研制了一種實用低速直流風洞的洞體結構，該風洞可用于完成飛行器氣動升力和阻力的測量。

隨著工程設計的需要和實驗技術的進步，風洞逐漸在車輛工程、風能利用、環境建設、土木工程等領域得到應用。郭薇薇等［9］采用風洞實驗技術研究了復雜交通狀態下車橋系統的氣動特性。馮茺蔚等［10］基于風洞實驗平臺，研究了3 種具有不同截面形狀的擴散體建筑對增強風速及強化風能的效果，得到截面形狀為腎形的建筑其風力集結效果最好，可利用風能的高度范圍較大。

盡管很多學者在風洞實驗平臺設計和工程應用方面開展了一系列的研究，但用于國內直流風洞的數量還較為有限，為此本文設計了一種成本較低，占地空間

1 吸氣式直流低速風洞設計

1.1 風洞氣動設計方案

風洞按通道的形式可以分為開路式和回流式［11］。開路式風洞的結構簡單，實驗段受動力段影響較小，但出口動能不能回收；回流式風洞的結構復雜，流場品質較好，能量耗散小，但成本較高。鑒于建造成本及占地面積等原因，本實驗平臺采用的是開路式風洞。該風洞主要由洞體以及驅動系統組成，其中洞體包括進口喇叭管、蜂窩器、阻尼網、收縮段、實驗段、擴散段、柔性減震帶，穩定段動力段等，風洞的氣動外形及參數如表1 和圖1 所示。實驗段主要對模型進行觀察和必要測量，從而獲得數據來進行分析。實驗段來流處需要有收縮段或噴管，使氣流加速到所需流速，同時使氣流品質達到實驗要求，收縮段前部還設計有穩定段，用來降低湍流度，使氣流均勻。實驗段下游需要有擴散段和排氣段，其中擴散段用來降低流速、減少能量損失，將來流動能轉化為壓力能，為出口氣流增壓，進而提高風洞運行效率，排氣段用來將氣流引向風洞外［12-13］。驅動系統由可控變頻器和風機組成，來流風速v的調節主要是由變頻控制電動機轉速來實現。

圖1 風洞氣動外形圖（mm）

表1 風洞設計相關參數

1.2 結構方案

1.2.1 實驗段

風洞實驗的實驗段要求氣流在其內部呈現均勻分布，湍流強度必須達到合理范圍，且氣流方向盡可能與風洞中軸線一致［14］，截面形狀設計成橢圓形、圓形和方形3 種。研究表明：在截面收縮比（即穩定段與實驗段截面積之比）相同的情況下，橢圓形截面的實驗段的流場最均勻，其次是圓形截面，最差的是方形截面［15］。本風洞的實驗段的截面形狀設計為方形，實驗段入口截面的水力直徑［16］

式中：A1為實驗段截面積；C1為實驗段截面周長。本風洞的截面尺寸為400 mm × 400 mm，計算得到D1=0.4 m。實驗段的長度L = 2.0 ～2.5D1，L 在本風洞取值為1 m。

1.2.2 穩定段

穩定段是一個等截面管道，其內部安裝整流裝置來縮短穩定段設計長度，穩定段的水力直徑［16］

式中：A2為穩定段截面積；C2為穩定段截面周長。穩定段的截面尺寸為1.2 m × 1.2 m，計算得到D2=1.2 m。穩定段長度在收縮比大于5 時一般取（0.5 ～1.0）D2，本風洞穩定段長度取0.833 倍D2，即1.0 m。

穩定段內部安裝的整流裝置由蜂窩網以及阻尼網構成。蜂窩網主要用來對氣流進行導流并分割，使大渦旋尺寸小于蜂窩網尺寸。蜂窩網孔徑邊長越大，網孔直徑越小，整流效果就越好，但損失也會增加。低速風洞的蜂窩網孔徑邊長通常控制在10 ～50 mm之間，而且蜂窩網孔徑邊長和孔徑之比在5 ～15 之間，因此本方案設計的蜂窩網邊長為15 mm，孔徑為φ 3 mm，蜂窩網截面形狀取整流效果最好六邊形網格。

阻尼網安裝于蜂窩網之后，可以使氣流湍流度降低。阻尼網的網越細或層數越多，整流效果會提升，但氣流經過紊流網的損失也會相對提高。阻尼網的選擇與網開口比β有關，其計算式為［16］

式中：d為網孔直徑；l 為網孔邊長。網孔開口較小會造成整流氣流的不穩定，開口較大又會造成整流效果削弱，低速風洞的β 通常取0.57 ～0.6，本風洞取β =0.6。同時設計3 層d =φ0.5 mm、l =2.2 mm 的阻尼網，相鄰兩層間距為200 mm。

1.2.3 收縮段

風洞的收縮段在穩定段和實驗段之間。收縮曲線很多，最為常用的有維氏曲線、雙三次曲線和五次方曲線。依據經驗，五次方曲線的收縮段出口過快，出口處會產生流速過沖的現象，并且均勻性較差。因此本風洞設計收縮段曲線主要參考的是維氏曲線。通常收縮段長度為其入口直徑的0.5 ～1 倍，該風洞收縮段的入口直徑為φ 1.2 m，則收縮段長度取值為1.2 m。收縮比的取值對實驗段的流場品質有主要影響。通過增加收縮比，可以很好地改善實驗段流場的均勻性，降低湍流度，但洞體造價也相對地隨之提升，所以選擇合適的收縮比顯得尤為重要。一般風洞的收縮比在4 ～10 范圍，考慮到本風洞的應用范圍，需要對流場有一定的要求，故取收縮比為9。

1.2.4 擴散段

擴散段又稱擴壓段，它處在實驗段之后。影響擴壓效率的重要因素是擴散角和擴壓比。低速風洞擴散段的擴散角一般小于5°，考慮到用途，本風洞擴散角取4°。擴散段兩端的面積比即為擴壓比，即

式中，A3為擴散段截面積，一般擴壓比為2.5 左右，本風洞取值為2.543。經計算，A3= 2.5A1≈0.407 m2，擴散段出口直徑為φ 0.72 m，擴散段長度為2.3 m。

2 風洞流場測試

設計風洞實驗平臺如圖2 所示。為了檢驗設計的風洞實驗段的實際流場情況，需對吸氣式直流低速風洞進行流場品質檢測，主要對實驗段風速擬定、實驗段截面流場穩定性、湍流度、氣動噪聲等進行測試。

圖2 風洞實驗平臺裝置

2.1 測試設備

流場測試設備采用熱線風速儀、三維移測支架、麥克風及動態采集器，通過移動移測架來測量實驗段截面不同位置的實時風速。測試截面距離實驗段入口0.5 m，截面上共布置25 個測點，中心測點布置在截面中心位置，且相鄰測點水平及垂直均距離5 cm，具體測量位置如圖3 所示。

圖3 實驗段截面測點布置示意圖

實驗采用兩點標定法進行速度標定，將熱線探頭置于實驗段中心位置（見圖4），再根據標定的速度電壓曲線將獲得的電壓信號轉換成實時的風速值，并進行溫度修正。測試時熱線采樣頻率為5 kHz，進行3 次重復測量，以保證測試結果準確。

圖4 風洞實驗平臺流場測試

2.2 流場測試結果分析

實驗測試結果如圖5 所示，圖中為變頻器在不同頻率f下與風洞來流風速v之間的關系，由圖可見，實驗段風速隨著頻率增加而增加，有較好的線性相關性，擬合曲線為v = 0.864 4f - 1.872，擬合優度R2=0.998 4，主要的偏差集中在低頻和高頻段，這可能是由于低頻率時風機沒有穩定旋轉，高頻時超頻運行而導致。

圖5 不同頻率下實驗段實測風速及擬合值

通過測量中心測點處1 min 內的風速變化，評價風洞流場的穩定性，其計算式為

式中：η為不穩定度；umean為平均風速；Δu 為實時風速與平均風速的差值。測試結果如圖6 所示，由圖6（a）可知，隨著風速的增加，不穩定度總體呈下降趨勢，測試風速內不穩定度最大值在1.6%左右。

圖6 不同風速下不穩定度及湍流強度變化

同時，順風向湍流強度為

式中：ui為第i個采樣點的瞬時風速；n 為采樣數據的點數；σu為順風向風速脈動分量的均方根值。不同風速下實驗段中心測點的順風向湍流強度見圖6（b）。在低風速段內的湍流強度相對較大，隨著風速的增加，湍流強度數值逐漸降低，實驗段風速分布更加均勻。結果說明采用較大收縮比、正六邊形蜂窩網和小孔格阻尼網的風洞實驗平臺的湍流強度符合設計要求。

2.3 噪聲測試結果分析

圖7 所示為實驗段中心測點處噪聲（Leq）與v 的關系，圖中噪聲采用1/3 倍頻A 聲級加權計算得到。風洞噪聲主要源于風機系統噪聲，即風輪由于周期性旋轉產生的中低頻噪聲；氣流通過風洞內整流裝置造成的振動噪聲；以及設備支架振動的結構噪聲。由圖7 可知，Leq與v 呈正相關，v ＜25 m/s 時，噪聲低于90 dB，滿足實驗需求。

圖7 不同風速下實驗段內部氣動噪聲變化

3 縮尺模型實驗

（1）風力機尾流特性實驗。圖8 所示為風洞中煙線法進行的風力機尾流場實驗，由圖8（b）可見，位于來流風向前方的旋轉風力機的渦流尾跡影響到后方風力機的來流風場，尾跡中渦圈的形狀和尺寸隨著距離風力機的位置的不同而改變，可進行風力機尾流結構及相互作用的機理研究及教學活動。

圖8 風力機尾流特性實驗

（2）低矮房屋風載特性實驗。圖9 所示為低矮房屋風載特性實驗，將需要分析的房屋模型按比例縮小放置在風洞中，利用動態壓力掃描閥進行測壓，利用風洞中模擬的流場進行測量從而獲得平均風速剖面和湍流剖面，計算分析建筑屋頂的風壓系數和風荷載。圖9（a）給出了低矮房屋中軸線測量布置圖，圖9（b）為縮尺比為1∶100 的模型風壓系數的測量結果。由圖可見，屋面不同位置的風壓具有明顯的規律性，最大的吸力出現在背風墻面，屋面的平均風壓系數在-1.3 ～-0.7 之間，在迎風前面的平均風壓系數在0.5 附近，基本接近規范給定的體型系數結果，最大脈動風壓系數在0.3 左右。由此可以看出，本風洞實驗室可開展小縮尺比的建筑模型氣動特性的研究。

圖9 低矮房屋風載特性曲線

（3）翼型氣動特性實驗。圖10 所示為風力機葉片翼型氣動特性實驗結果，實驗主要測試翼型在俯仰狀態時的動態氣動特性及表面壓力系數分布、計算升力系數和阻力系數和力矩系數。測得的翼型俯仰周期內的壓力系數分布見圖10，翼型表面壓力分布在一個周期內出現明顯的不對稱性。在前25%的周期內，翼型表面存在逆向流動并向上游擴展，隨著下俯運動繼續，吸力面風壓峰值減小，在周期的70%的失速渦消失，流動重新附著。驗證了本風洞實驗在翼型氣動特性測量的有效性。

圖10 風力機葉片翼型氣動特性曲線

4 結 語

本文設計的吸氣式直流低速風洞實驗平臺，進行了風力機尾流特性實驗、低矮房屋風載特性實驗和翼型氣動特性實驗，結果表明：

（1）本風洞實驗在設計階段所采用的相關參數（不同截面的尺寸、阻尼網間隔、蜂窩器邊長等）取值可以得到較為均勻的流場，湍流強度小于0.7%，且實驗段中心測點處Leq在v ＜25 m/s時均低于90 dB，滿足縮尺實驗的需求。

（2）通過開展風力機模型尾流可視化實驗、低矮建筑表面測壓實驗、動態翼型表面測壓實驗，分別得到：來流前方的旋轉風力機渦流尾跡和渦圈明顯影響后方風力機的風場，低矮建筑中軸線風壓迎風墻面的平均風壓系數接近0.5，翼型表面風壓系數在俯仰周期內具有明顯的不對稱性。這些實驗結果驗證了該實驗平臺開展科研實驗的有效性。

本文設計的風洞實驗平臺可用于相關模型進行風洞實驗和并提供優化參考。