劉海洋，孔麗麗，陳　智，宣傳忠，宋　濤，司志民

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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可移動微型低速風(fēng)洞的設(shè)計與試驗

劉海洋，孔麗麗，陳智，宣傳忠，宋濤，司志民

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對大型風(fēng)洞造價昂貴，開機成本高且實驗段風(fēng)速穩(wěn)定性較差，對低成本熱敏風(fēng)速傳感器、集沙儀、皮托管等設(shè)備的測量、檢驗及標(biāo)定等工作帶來不便等問題，結(jié)合風(fēng)洞設(shè)計原理，采用小體積多葉風(fēng)機及高性能變頻調(diào)速器，設(shè)計了一種能夠快速準(zhǔn)確地提供穩(wěn)定風(fēng)源的低成本可移動微型低速風(fēng)洞，并通過增加大角度擴散段的方法提高收縮比。該風(fēng)洞為圓形閉口低速風(fēng)洞，總體尺寸長2.63m，入口直徑60mm，實驗段直徑0.12m、長0.3m，穩(wěn)定段直徑為0.36m、長0.36m；采用鋁箔厚0.06mm的六邊形蜂窩器和3層阻尼網(wǎng)對氣流進行整流，獲得相對穩(wěn)定均勻的流場。實驗表明：該風(fēng)洞入口風(fēng)速為0～38.6m/s，實驗段風(fēng)速0～17.6m/s，風(fēng)速精度達(dá)0.2m/s；實驗段內(nèi)部氣流均勻性和穩(wěn)定性較好，中心截面處邊界層厚2.26mm，沿氣流方向靜壓梯度小，流場穩(wěn)定部分占其截面積的70%以上，滿足實驗設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：微型低速；風(fēng)洞；收縮比；邊界層；穩(wěn)定流場

0引言

風(fēng)洞是一種采用動力裝置產(chǎn)生和控制均勻氣流的管道狀試驗設(shè)備,根據(jù)運動的相對性和相似性原理以進行各種類型的空氣動力學(xué)實驗研究。目前，常用的直流低速風(fēng)洞主要包括穩(wěn)定段(內(nèi)置蜂窩器和阻尼網(wǎng))、收縮段、實驗段、擴壓段和動力段等，對實驗段氣流品質(zhì)要求較高[1，8-9]。2005年，周勇為設(shè)計了超聲速靜風(fēng)洞[2]；范貴生等人設(shè)計了可移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞并對其空氣動力學(xué)性能進行了研究[3]。2007年，李強、丁玨等人設(shè)計了SIAMM400低湍流度低速風(fēng)洞[4]。2008年，王文奎、石柏軍設(shè)計了0.28m ×0.28m低速風(fēng)洞[1]。2009年，李國文、徐讓書等對風(fēng)洞收縮段曲線氣動性能進行了研究[5]；胡海豹、宋保維等人對小型專用風(fēng)洞試驗段流場特性進行了研究[6]。2011年，蓋曉磊、李光里等人設(shè)計了可移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞[7]。2012年，王帥等人對直流低速風(fēng)洞收縮段收縮曲線進行了仿真分析[8]。2015年，丁素明、薛新宇等人設(shè)計了NJS-1型植保直流閉口式風(fēng)洞[9]。

針對大型風(fēng)洞造價昂貴，開機成本高且實驗段風(fēng)速穩(wěn)定性較差等問題，并為風(fēng)速傳感器、集沙儀、皮托管等設(shè)備的測量、檢驗及標(biāo)定快速準(zhǔn)確地提供標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，本文采用離心式鼓風(fēng)機，增加大角度擴散段的方法設(shè)計了一臺低紊流度和高收縮比的微型低速風(fēng)洞。通過變頻器精確控制氣流速度，實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)和定點測量等功能；可提供0～17.6m/s，精度達(dá)0.2 m/s的穩(wěn)定風(fēng)速。該風(fēng)洞具有設(shè)計成本低、功耗低、體積小，開機時間短和風(fēng)速調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點。

1總體設(shè)計與工作原理

1.1　總體結(jié)構(gòu)

該微型低速型風(fēng)洞型式為圓形直流閉口式，主要由動力段、擴散段、整流段、收縮段、實驗段、擴壓段和內(nèi)部整流結(jié)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。采用理論計算確定各段結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞總體尺寸為2.14m×0.36m×0.36m(長×寬×高)。

風(fēng)洞整體采用2mm厚不銹鋼焊接加工而成，內(nèi)部光滑度較好，收縮段采用數(shù)控加工制作。

1.2　工作原理

風(fēng)機段產(chǎn)生的風(fēng)源經(jīng)過擴散段，氣流速度降低，并通過3層防分離網(wǎng)對氣流進行整流，使氣流均勻性得到改善；氣流進入穩(wěn)定段后，首先經(jīng)過蜂窩器將氣流導(dǎo)直，使其平行于風(fēng)洞軸線，同時將氣流中的大尺度漩渦分割成小漩渦，從而加快漩渦衰減，然后通過3層阻尼網(wǎng)使小漩渦得到進一步衰減，并使氣流速度分布更趨均勻。收縮段對穩(wěn)定段的氣流進行加速，氣流速度按面積比而增加，而脈動速度保持不變，紊流度進一步得到改善，使得收縮段出口氣流保持均勻、平直且穩(wěn)定；最后得到相對穩(wěn)定的實驗段氣流，并通過擴壓段將氣流擴散出去。

1.防分離網(wǎng)　2.蜂窩器 3.阻尼網(wǎng)

2風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　動力段及控制裝置設(shè)計

動力段提供氣體流動的能量，主要部件有鼓風(fēng)機和方圓過渡接口，將風(fēng)機段的矩形出口轉(zhuǎn)換為擴散段圓形入口[7，9-10]。動力段采用應(yīng)達(dá)DF2-II型低噪聲離心式鼓風(fēng)機提供高速風(fēng)源，該風(fēng)機功率為0.75kW,轉(zhuǎn)速2 840r/min，出口流量1 200m3/h，通過轉(zhuǎn)換接口將風(fēng)機方形出風(fēng)口轉(zhuǎn)換成直徑0.06m的圓形出口后，實測出口風(fēng)速范圍為0~38.6m/s，且出口風(fēng)速可達(dá)1.0m/s的精度；采用Tesech變頻器對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行控制[10]，該變頻器采用脈動輸入頻率控制和先進的三相切換兩相控制技術(shù)，具有運算速度快、自動程序運轉(zhuǎn)控制、自動調(diào)整加減速、自動轉(zhuǎn)矩補償、自動滑差補償、超低噪音及高過載能力等諸多優(yōu)點。微型風(fēng)洞動力段如圖2所示。

圖2　鼓風(fēng)機與變頻器的連接圖

2.2　收縮段結(jié)構(gòu)設(shè)計

收縮段是風(fēng)洞中至關(guān)重要的部分,使來自穩(wěn)定段的氣流均勻加速,達(dá)到試驗段需要的流速，并改善實驗段的流場品質(zhì)。收縮段的設(shè)計應(yīng)滿足如下要求[7-9，14]：①氣流單調(diào)增加,避免氣流在洞壁發(fā)生分離；②出口處氣流速度分布均勻,方向平直且穩(wěn)定；③收縮段的長度要適中,既要符合結(jié)構(gòu)要求又要使收縮壁的過渡不至過分劇烈而造成流動的分離和擾動。

收縮段的性能主要取決于收縮比與收縮曲線，收縮比是穩(wěn)定段橫截面積與試驗段橫截面積之比[8-9]，大收縮比可減小紊流度，使試驗段氣流均勻；收縮段的長度也會對實驗段流場品質(zhì)造成影響，收縮段長度應(yīng)達(dá)到收縮段入口直徑的0.5~1.0倍，常見低速風(fēng)洞的收縮比在7～10之間。本文設(shè)計的低速風(fēng)洞收縮段的長度和進口直徑均為0.36m,出口直徑為0.12m，收縮比為9，同時增加了大角擴散段，使收縮比得到進一步提高。

收縮段曲線形狀對試驗段氣流均勻性影響較大，氣流速度沿收縮曲線應(yīng)連續(xù)單調(diào)增加且不發(fā)生分離[2]。由于風(fēng)洞內(nèi)部氣流相對速度遠(yuǎn)小于音速，故可將其按不可壓縮流體進行處理，因此本文采用維多辛斯基提出的收縮段曲線進行設(shè)計加工，維氏曲線入口收縮較大、出口收縮緩慢，有利于試驗段入口氣流速度均勻穩(wěn)定[2,5-6,8-9,14]。收縮段曲線如圖3所示。收縮段曲線方程為

(1)

其中，R1、R2和R分別為收縮段進口、出口及任意x處的截面半徑；L為收縮段長度。

2.3　穩(wěn)定段與整流裝置設(shè)計

穩(wěn)定段是風(fēng)洞設(shè)計的關(guān)鍵部分[4，11]。氣流在進入收縮段之前必須保證均勻穩(wěn)定，因此收縮段前必須安裝有穩(wěn)定段，其設(shè)計包括截面、內(nèi)部整流裝置和長度。穩(wěn)定段通常為等截面管道，其入口連接擴散段、出口連接收縮段。穩(wěn)定段設(shè)計首先要保證蜂窩器、多層阻尼網(wǎng)的安裝[11-14]，穩(wěn)定段截面尺寸與收縮段入口尺寸一致，一定長度的等截面管道有利于導(dǎo)直氣流、穩(wěn)定氣流和均勻流場，大收縮比風(fēng)洞穩(wěn)定長度應(yīng)該為直徑的0.5~1.0倍[4，9，14]。該微型風(fēng)洞采用穩(wěn)定段長度為其直徑的1.0倍，均為0.36m。穩(wěn)定段內(nèi)安裝蜂窩器和阻尼網(wǎng)以改善實驗段內(nèi)氣流品質(zhì)[9，13-14]，整流裝置如圖4所示。

圖3　收縮段曲線

圖4　穩(wěn)定段整流裝置

蜂窩器采用六角形網(wǎng)格,該網(wǎng)格的損失系數(shù)小,氣流壓力損失小, 對降低湍流度有顯著效果[4，14]。影響蜂窩器性能的主要參數(shù)是蜂窩長度L和口徑M。本文選擇的蜂窩孔徑為2mm和3mm，根據(jù)經(jīng)驗公式L/M=5～10,蜂窩器的長度取12～30mm[14]。

阻尼網(wǎng)位于蜂窩器與收縮段之間，阻尼網(wǎng)可降低蜂窩器后的氣流旋渦，以減小穩(wěn)定段氣流的湍流強度,使穩(wěn)定段剖面流場更均勻。阻尼網(wǎng)的選擇與網(wǎng)開閉比β有關(guān),開閉比β的計算方程為

(2)

其中，d和l分別為網(wǎng)絲直徑和網(wǎng)孔邊長。

如果網(wǎng)孔的開閉比太小，網(wǎng)后氣流可能出現(xiàn)不穩(wěn)定；開閉比太大，整流作用將會削弱，低湍流度風(fēng)洞多采用0.57<β<0.6的大開閉比[4]。對于同一開閉比的阻尼網(wǎng),網(wǎng)絲直徑越小, 阻尼網(wǎng)效果越好，且多層網(wǎng)組比單層網(wǎng)的效果好[4]。因此,風(fēng)洞實驗段采用2～3層網(wǎng)絲直徑0.5mm,網(wǎng)孔邊長2.3mm的不銹鋼電焊網(wǎng)作為阻尼網(wǎng)對氣流進行整流，網(wǎng)與網(wǎng)之間的距離為10cm。

2.4　其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于動力段風(fēng)機出口為108mm×75mm的矩形，而大角度擴散段入口為直徑60mm的圓形，必須在兩者之間安裝方圓過渡段,其長度為150mm。為了實現(xiàn)低紊流度和在不增加風(fēng)洞尺寸的條件下增加收縮比，在風(fēng)機段和穩(wěn)定段之間增加了擴散角為30o的大角度擴散段[9,14]，同時設(shè)置了3層網(wǎng)絲直徑0.5mm,網(wǎng)孔邊長9mm的不銹鋼防分離網(wǎng),以防止大擴散角引起的氣流分離效應(yīng)。

實驗段是提供穩(wěn)定流場并能對模型進行必要測量和觀察的關(guān)鍵部位，其內(nèi)部氣流應(yīng)穩(wěn)定,速度大小、方向的空間分布應(yīng)均勻,紊流度、靜壓梯度應(yīng)低。其結(jié)構(gòu)參數(shù)在風(fēng)洞設(shè)計過程中最為重要，按照儀器的迎風(fēng)面積不超過實驗段截面積5%和實驗段的長度是其直徑的2.0～2.5倍的原則進行設(shè)計。一般實驗段內(nèi)部沿軸向(順來流方向)有擴散角,使橫截面積沿軸向逐漸增大, 以減小由于壁面附面層沿軸向增厚而產(chǎn)生的負(fù)靜壓梯度[3，5，7，9，14]。由于需要，測試、標(biāo)定的熱膜風(fēng)速傳感器、皮托管和集沙儀等設(shè)備在實驗段內(nèi)部的迎風(fēng)面積分別為3.6×10-4m2、2.4×10-4m2和0.8×10-4m2。該實驗段設(shè)計成1o擴散角的同軸異徑件[14]，入口直徑120mm, 出口直徑為125mm，長度為0.3m；入口面積1.13×10-2m2，上述傳感器在風(fēng)洞實驗段截面積的3.2%、2.1%和0.7%，實驗段設(shè)計滿足設(shè)計要求。

擴壓段使來自實驗段的氣流迅速減速,以減小整個風(fēng)洞的能量損失[8]。由于摩擦與擴壓作用，擴壓段也會引起能量損失，損失系數(shù)主要取決于擴壓段的面積比和擴壓角，面積比越大,損失系數(shù)越大；通常面積比不超過2.5，擴壓角在10°左右[1，14]。該微型風(fēng)洞擴壓段的長度為460mm, 面積比為2.5, 擴壓角為9°[14]。

3仿真分析

雷諾數(shù)(Re)是表征流體流動特性的重要參數(shù)，計算方程為

(3)

其中，ρ、v 、d和η分別為流體密度、管道中平均流速、管道直徑和流體的動力粘度。

雷諾數(shù)小，流體流動時各質(zhì)點間的粘性力起主要作用，流體呈層流流動狀態(tài)；雷諾數(shù)大，慣性力起主要作用，流體呈紊流流動狀態(tài)。對于管道來說，雷諾數(shù)Re<2 000為層流狀態(tài)，Re>4 000為紊流狀態(tài)，Re=2 000～4 000為過渡狀態(tài)。該風(fēng)洞實驗段流速為1m/s時，風(fēng)洞實驗段的雷諾數(shù)為8 050，湍流強度為4.01%，因此在仿真過程中建立了湍流模型對風(fēng)洞內(nèi)部流場進行分析。

首先，利用ProE5.0建立微型低速風(fēng)洞三維模型，然后導(dǎo)入Gambit2.2.30進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)為173 605個，最后導(dǎo)入Fluent14.0環(huán)境進行仿真分析[5，8，12]。由于氣流相對速度遠(yuǎn)小于音速，故可將其按不可壓縮流體進行處理，分別對入口風(fēng)速為 2、4、5、8、16、32m/s時風(fēng)洞內(nèi)部流場的均勻性和穩(wěn)定性進行仿真分析，得出實驗段中心點處軸向和橫截面流場分布圖，如圖5和圖6所示。

2m/s　　　　　　　　　　　4m/s

5m/s　　　　　　　　　　 8m/s

16m/s　　　　　　　　　　 32m/s

2m/s 4m/s

5m/s　　　　　　　　　　　8m/s

16m/s　　　　　　　　　 　32m/s

從圖5和圖6得出：當(dāng)入口風(fēng)速小于4m/s(即實驗段風(fēng)速小于1m/s)時，實驗段部分區(qū)域氣流均勻性和穩(wěn)定性相對較差，且隨入口風(fēng)速增加而逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)入口風(fēng)速大于5 m/s時，實驗段內(nèi)部氣流均勻性和穩(wěn)定性較好，隨著入口風(fēng)速增加，實驗段邊界層厚度略有增加，且沿氣流方向上的靜壓梯度逐漸增大。實驗段中心位置處邊界層厚度約2.265mm，且流場穩(wěn)定部分占其截面積的70%以上。

4測試與分析

4.1　試驗條件

試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗室進行，環(huán)境溫度為22.6℃。實驗時，風(fēng)洞被固定在一個長2.65m，高0.45m的實驗架上，風(fēng)洞固定桿高0.45m，采用30mm×30mm鋁型材設(shè)計制作，如圖7所示。

圖7　微型風(fēng)洞實驗架

為研究整流裝置對風(fēng)洞內(nèi)部流場穩(wěn)定性和均勻性的影響，擴散網(wǎng)和阻尼網(wǎng)采用0.5mm粗的304不銹鋼電焊網(wǎng)，擴散網(wǎng)網(wǎng)格邊長9mm，整流網(wǎng)網(wǎng)格邊長2.3mm；蜂窩器采用華瑞蜂窩科技生產(chǎn)的鋁箔厚度為0.06mm,直徑0.36m的圓盤蜂窩器，選擇網(wǎng)格邊長和盤厚分別為2.5mm×20mm和3mm×30mm兩種規(guī)格。

在對實驗段內(nèi)部流場進行測試時，為了便于觀察和確定測試儀器在實驗段內(nèi)部的位置，采用亞克力材料設(shè)計制作了同規(guī)格透明實驗段，并沿其軸向上等間距設(shè)置5個直徑為8mm的實驗孔A、B、C、D、E，如圖8所示。

4.2　試驗方法

1)選擇2.5mm×20mm規(guī)格的蜂窩器，采用德國Testo425熱線風(fēng)速儀對風(fēng)洞實驗段軸向A、B、C、D、E等5個測點處的中心風(fēng)速進行測量[7]，研究不同入口風(fēng)速下實驗段軸向流速分布情況。

2)選擇3mm×30mm規(guī)格的蜂窩器，采用德國Testo425熱線風(fēng)速儀，對風(fēng)洞實驗段測點C處的徑向風(fēng)速進行測量，研究不同入口風(fēng)速下實驗段截面流場分布情況。

3)通過上述兩個實驗，分析不同入口風(fēng)速下實驗段氣流的穩(wěn)定性和均勻性。

圖8　透明實驗段

4.3　試驗結(jié)果與分析

1)實驗1：實驗段軸向流速分布測試。調(diào)節(jié)變頻器頻率分別為5、15、25、35、45、50Hz時，測得風(fēng)洞實驗段軸向上5個測點的平均中心風(fēng)速，不同入口風(fēng)速下各測點平均中心風(fēng)速分布如表1所示，曲線如圖9所示。

圖9　實驗段測點中心風(fēng)速曲線

從表1和圖9可以看出：①實驗段風(fēng)速與變頻器頻率大小成正比例關(guān)系，最大風(fēng)速(50Hz時)達(dá)17.6m/s，精度約0.2m/s；②在同一入口風(fēng)速下(變頻器頻率相同)，沿實驗段軸向上的風(fēng)速分布略有增大，且入口風(fēng)速越大，風(fēng)速增大越明顯，表明沿實驗段軸向的靜壓梯度不斷增加。

2)實驗2：實驗段截面流場分布測試。由于熱膜風(fēng)速傳感器探頭大小限制，不能對實驗段內(nèi)部靠近壁面0.5cm以內(nèi)的風(fēng)速進行測量，因此選擇實驗段測點C處的橫截面上距離中心軸線±1、±2、±3、±4.5、±5.0、±5.5cm等10點作為測量點進行測量。不同入口風(fēng)速下測點C處的橫截面風(fēng)速分布如表2所示，曲線如圖10所示。

表2　風(fēng)洞實驗段測點C處橫截面風(fēng)速分布

圖10　實驗段測點C截面風(fēng)速曲線

從表2和圖10可以看出：①距中心點±5.0cm以內(nèi)的風(fēng)速分布相對均勻、穩(wěn)定，且隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)速分布更加均勻；②距中心點±5.0cm處的風(fēng)速較之分別中心點處風(fēng)速分別下降81.3%、78.4%、80.5%、82.9%、81.7%和80.6%，表明該風(fēng)洞在距中心點±5.0cm處受到洞壁附面層影響；③當(dāng)變頻器頻率在5Hz時，實驗段距中心點±5.5cm處的風(fēng)速分別為0.2m/s和0.1m/s；表明邊界層厚度小于0.5cm；④6種風(fēng)速下的橫截面曲線中間穩(wěn)定部分左側(cè)略微高于右側(cè)，說明由于加工精度和安裝誤差等原因，導(dǎo)致實驗段橫截面上風(fēng)速最大點不在其中心軸線上，向左側(cè)偏離0.4～0.5cm。

5結(jié)論

1)針對低成本流量傳感器的測量、檢驗及標(biāo)定等，設(shè)計了一種直流閉口式可移動微型低速風(fēng)洞。

2)采用0.75kW的小體積鼓風(fēng)機及Tesech變頻器，實驗段可提供0～17.6m/s的穩(wěn)定風(fēng)速，精度達(dá)0.2m/s；相對于大型風(fēng)洞，在風(fēng)速精度和控制上有了極大的提高。

3)該小型風(fēng)洞開機時間短，風(fēng)速調(diào)節(jié)簡單，可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)和定點測量等功能；同時具有設(shè)計成本低，功耗小，體積小，紊流度小等優(yōu)點，滿足實驗設(shè)計要求。

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Design and Experiment of Portable Mini Low-speed Wind Tunnel

Liu Haiyang, Kong Lili, Chen Zhi, Xuan Chuanzhong, Song Tao, Si Zhimin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Because the large wind tunnels are expensive, high cost and poor stability of wind speed in experiment section, it brings inconvenient to measure, inspect and calibrate the low-cost thermal equipment, including wind speed sensors, sand samplers, pitot tubes. In this paper, according to the principle of wind tunnel design, a low-cost moveable mini low speed wind tunnel which can quickly and accurately provide air stability has been designed, using small volume and multi-blade centrifugal fan and high-performance variable-frequence governor.At the same time, a large angle diffuser has been added to improve the contraction ratio of the wind tunnel. It is a closed circular wind tunnel that is only 2.63m in length and 60 mm in entrance diameter.Experimental section is 0.12m in diameter, and 0.3m in length. While the length and diameter of steady section are all 0.36m. In order to get a relatively stable and uniform flow field, a hexagon cellular whose aluminum foil thickness is only 0.06 mm and 3 layer damping mesh had been used to improve of airflow.Experiments show that the range of wind speed at the entrance is 0 ~ 38.6 m/s, and the wind speed in experimental section can reach 17.6m/s, with the accuracy 0.2 m/s. The uniformity and stability of air flow in experimental section is preferable, and the thickness of boundary layer is about 2.26 mm. The static pressure gradient in the direction of air flow is small, and the stable part of flow field is more than 70% of the cross-sectional area. This wind tunnel has satisfied the requirement of experimental design.

Key words：mini low-speed; wind tunnel; contraction ratio; steady flow field; boundary layer

中圖分類號：S237

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0244-06

作者簡介：劉海洋(1985-),男，河南南陽人，博士研究生，(E-mail) haiyang0615@163.com。通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士，(E-mail)chz6653@sohu.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41161045，41361058)

收稿日期：2015-09-27