湯勇，林建輝，鐘文生，杜高峰

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)列車速度的不斷提高，風(fēng)速的監(jiān)測(cè)對(duì)列車運(yùn)行的安全性越來(lái)越重要。通過(guò)風(fēng)速傳感器可以對(duì)風(fēng)速進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)，從而為列車的正常運(yùn)行提供保障。但風(fēng)速傳感器因長(zhǎng)期在室外使用，受到惡劣天氣的影響，其測(cè)量的精度會(huì)有一定的下降。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)速傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)都是針對(duì)風(fēng)杯式的，利用機(jī)械傳遞方法強(qiáng)制風(fēng)速傳感器風(fēng)杯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成校準(zhǔn)。但這種方法對(duì)WXT520超聲波風(fēng)速傳感器并不適用,因此研究出一種針對(duì)超聲波風(fēng)速傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 WXT520風(fēng)速傳感器工作原理

WXT520是目前鐵路上廣泛使用的風(fēng)速傳感器，其工作原理是利用超聲波時(shí)差法即超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)時(shí)的傳播速度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)主要由3個(gè)等間距的超聲波收發(fā)探頭組成，3個(gè)探頭位于同一水平面上，組成一個(gè)變換器陣列,如圖1所示。通過(guò)測(cè)量超聲波沿變換器陣列所形成的3條路徑的傳送時(shí)間(雙向)，即測(cè)量6個(gè)傳送時(shí)間，就可以算出3條超聲波路徑中每條路徑的風(fēng)速。通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)，選用質(zhì)量最好的兩條陣列路徑來(lái)計(jì)算風(fēng)速大小。超聲波風(fēng)速傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需要持續(xù)穩(wěn)定均勻的風(fēng)速，本文設(shè)計(jì)的低速風(fēng)洞可以滿足校準(zhǔn)要求。

圖1 WXT520風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

目前風(fēng)洞的基本形式有兩種：開路式風(fēng)洞和回路式風(fēng)洞[1]。本次設(shè)計(jì)風(fēng)洞的型式為圓形開路式風(fēng)洞，主要結(jié)構(gòu)包括穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段等。根據(jù)風(fēng)洞設(shè)計(jì)理論確定各段的尺寸，本次設(shè)計(jì)風(fēng)洞的總體尺寸為：2.05m×0.6m×0.6m(長(zhǎng)×寬×高)，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—蜂窩器；2—阻尼網(wǎng)。圖2 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)源到達(dá)穩(wěn)定段后，經(jīng)過(guò)一段距離，通過(guò)蜂窩器和阻尼網(wǎng)。蜂窩器可以將氣流導(dǎo)直，使其平行于風(fēng)洞軸線，同時(shí)將氣流中的大尺度旋渦分割成小旋渦，從而加快旋渦衰減，然后再通過(guò)3層阻尼網(wǎng)使氣流分布更趨均勻和穩(wěn)定；收縮段對(duì)經(jīng)過(guò)穩(wěn)定段的氣流進(jìn)行加速，氣流速度按面積比而增加，而脈動(dòng)速度保持不變，紊流度進(jìn)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，小旋渦得到進(jìn)一步衰減，使氣流速度分布更趨均勻和穩(wěn)定[2]并得到均勻且穩(wěn)定的試驗(yàn)段氣流對(duì)風(fēng)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)；通過(guò)擴(kuò)散段將氣流擴(kuò)散出去。

2.3 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段是整個(gè)低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響傳感器校準(zhǔn)的結(jié)果。一般試驗(yàn)段的截面形狀有圓形、方形、三角形、橢圓形以及長(zhǎng)方形。在相同的條件下，通過(guò)橢圓形界面的氣流最均勻，圓形次之，長(zhǎng)方形再次之。但是由于橢圓形截面加工工藝復(fù)雜且不易安裝，故本次設(shè)計(jì)選取圓形截面作為試驗(yàn)段的截面形狀。WXT520風(fēng)速傳感器的實(shí)際尺寸為：0.115m×0.115m×0.238m(長(zhǎng)×寬×高)。根據(jù)傳感器的實(shí)際尺寸，選取試驗(yàn)段的直徑D=0.4m。由相關(guān)資料可知[1]，試驗(yàn)段長(zhǎng)度公式為：

L=2.0D～2.5D

(1)

由于本次設(shè)計(jì)的是微型可移動(dòng)風(fēng)洞，故風(fēng)洞的尺寸應(yīng)盡量小。選取試驗(yàn)段的長(zhǎng)度L=0.8m，最后得到的試驗(yàn)段是長(zhǎng)度為0.8m、直徑為0.4m的等截面圓形管道。

2.4 收縮段設(shè)計(jì)

收縮段主要是使來(lái)自穩(wěn)定段的氣流均勻加速，達(dá)到試驗(yàn)段需要的流速，并改善試驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)。收縮段的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求[1，3-4]：1) 氣流單調(diào)增加，避免氣流在洞壁發(fā)生分離；2) 出口處氣流分布均勻，方向平直且穩(wěn)定；3) 收縮段的長(zhǎng)度要適中，既要符合結(jié)構(gòu)要求又要使收縮壁的過(guò)渡不至過(guò)分劇烈而造成流動(dòng)的分離和擾動(dòng)。

收縮段的性能主要取決于兩個(gè)因素：一是收縮比，即收縮段的進(jìn)口截面積與出口截面積之比；二是收縮曲線[5]。風(fēng)洞收縮比的大小，主要取決于以下因素：對(duì)試驗(yàn)段氣流的均勻性和紊流度的要求，風(fēng)洞的能量比以及風(fēng)洞造價(jià)。本次設(shè)計(jì)主要考慮的是風(fēng)洞的尺寸及造價(jià)，故選取小的收縮比，取收縮比為2。收縮段的長(zhǎng)度一般可采用進(jìn)口直徑的0.5～1.0倍[1]，本次設(shè)計(jì)取收縮段的入口直徑為0.55m，長(zhǎng)度為0.4m。收縮段曲線的設(shè)計(jì)采用的是Batchelor-Shaw提出的理想不可壓流的一維流公式(認(rèn)為每個(gè)截面上的氣流參數(shù)是均勻的)，收縮段曲線方程為：

(2)

其中：F1、F2和F分別為收縮段進(jìn)口、出口及任意x處的截面面積；L為收縮段的長(zhǎng)度。

2.5 穩(wěn)定段設(shè)計(jì)

穩(wěn)定段通常為等截面管道，下游與收縮段相接，所以其面積大小取決于風(fēng)洞收縮比的要求[1，6-7]。穩(wěn)定段設(shè)計(jì)首先要保證蜂窩器和多層阻尼網(wǎng)的安裝。穩(wěn)定段尺寸與收縮段入口尺寸一致，一定長(zhǎng)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(chǎng)，小收縮比風(fēng)洞穩(wěn)定長(zhǎng)度應(yīng)該為直徑的1.0～1.5倍[1,6-7]。本次設(shè)計(jì)穩(wěn)定段長(zhǎng)度為直徑的1倍，即0.55m。

蜂窩器網(wǎng)格有圓形、方形、六角形和梯形等，其中六角形網(wǎng)格最為理想，該網(wǎng)格的損失系數(shù)小，氣流壓力損失小，對(duì)降低湍流度有顯著效果[1]。影響蜂窩器性能的主要參數(shù)是蜂窩長(zhǎng)度L和孔徑M。本文設(shè)計(jì)的蜂窩孔徑為2mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[1]:L/M=5～10，蜂窩器的長(zhǎng)度取值為15mm。

阻尼網(wǎng)位于蜂窩器和收縮段之間，阻尼網(wǎng)可降低蜂窩器后的氣流旋渦，以減少穩(wěn)定段氣流的湍流強(qiáng)度，使穩(wěn)定段流場(chǎng)更均勻。阻尼網(wǎng)的選擇與遲滯系數(shù)β有關(guān)，由相關(guān)資料可知[1]，遲滯系數(shù)β的計(jì)算公式為：

(3)

其中d和l分別為網(wǎng)絲直徑和網(wǎng)孔邊長(zhǎng)。

如果網(wǎng)絲的遲滯系數(shù)太小，網(wǎng)后氣流可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定；如果遲滯系數(shù)太大，整流作用將會(huì)削弱，一般低湍流度風(fēng)洞多采用0.57<β<0.6的大遲滯系數(shù)[8]。對(duì)于同一遲滯系數(shù)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[9]。本次在穩(wěn)定段設(shè)計(jì)3層阻尼網(wǎng)，網(wǎng)絲直徑為0.4mm，網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為2mm。

2.6 風(fēng)機(jī)選型

對(duì)于低速風(fēng)洞，由于馬赫數(shù)很小，氣流可看作不可壓縮流體。根據(jù)風(fēng)速傳感器檢定所需的最大風(fēng)速和試驗(yàn)段的直徑，由流量計(jì)算公式：

Qmax=S·Vmax

(4)

其中:S為試驗(yàn)段的截面面積;Vmax為檢定的最大風(fēng)速;Qmax為試驗(yàn)段所需的最大風(fēng)量。

由公式(4)可得試驗(yàn)段所需的最大風(fēng)量值為3.77m3/s(約為13572m3/h)。由于風(fēng)速經(jīng)過(guò)收縮段到達(dá)試驗(yàn)段時(shí)，風(fēng)速約為入口風(fēng)速的2倍，故本次設(shè)計(jì)中選擇的風(fēng)T35-11型、機(jī)號(hào)為5的軸流風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的標(biāo)稱風(fēng)量為9133m3/h，功率為0.75kW，葉輪直徑為500mm。采用tesech變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，該變頻器采用脈動(dòng)輸入頻率控制和先進(jìn)的三相切換兩相控制技術(shù)，具有運(yùn)算速度快、自動(dòng)程序運(yùn)轉(zhuǎn)控制、自動(dòng)調(diào)整加減速、自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、自動(dòng)滑差補(bǔ)償、超低噪聲及高過(guò)載能力等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.7 擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

擴(kuò)散段主要是使氣流通過(guò)試驗(yàn)段后能夠降速增壓，以減少整個(gè)風(fēng)洞的能量損失和對(duì)外界環(huán)境的影響。通常對(duì)于不可壓縮流體來(lái)說(shuō)，面積比不超過(guò)2.5，擴(kuò)散角控制在8°～10°以內(nèi)為宜。本次設(shè)計(jì)選取面積比為2.5，擴(kuò)散角為9°，故計(jì)算得到擴(kuò)散段最大孔徑為0.6m，長(zhǎng)度為0.3m。

3 皮托管選型

皮托管又名“空速管”，是法國(guó)人Henri-Pitot發(fā)明創(chuàng)造的。皮托管的測(cè)量原理依據(jù)是理想不可壓縮氣體下的伯努利方程，即在均勻穩(wěn)定的理想流場(chǎng)內(nèi)，同一流線上任意兩點(diǎn)的動(dòng)能、重力勢(shì)能及壓力勢(shì)能之和是一個(gè)常量[10]。其具體公式為：

(5)

式中:ρ為流體的密度;v為流體的速度;g為重力加速度;P為流體的壓力勢(shì)能，cost是流體在該點(diǎn)的總能量，為一常數(shù)。

皮托管一般有兩種常見結(jié)構(gòu)：L型皮托管和S型皮托管。L型皮托管在有灰塵情況下容易造成堵塞，影響測(cè)量精度，故本次設(shè)計(jì)選用S型皮托管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 S型皮托管

4 仿真分析

首先利用CATIA根據(jù)傳感器實(shí)際尺寸建立傳感器的三維模型，如圖4所示。然后再把整個(gè)裝置導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)，因蜂窩器和阻尼網(wǎng)為薄片式結(jié)構(gòu)，主要起整流作用，對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的阻礙較小，因此忽略,網(wǎng)格劃分如圖5所示。最后把劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Fluent進(jìn)行流體計(jì)算和仿真分析。設(shè)定邊界條件入口風(fēng)速和出口壓力，其中出風(fēng)口與外界相連，故出口壓力為0，分別對(duì)入口風(fēng)速為2m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、30m/s時(shí)風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，得出試驗(yàn)段軸向風(fēng)速分布圖和傳感器橫截面壓力梯度分布圖，如圖6和圖7所示。

圖4 傳感器三維模型

圖5 風(fēng)洞裝置網(wǎng)格劃分

圖6 實(shí)驗(yàn)段軸向風(fēng)速分布圖

圖7 傳感器橫截面壓力分布圖

從圖6和圖7可知，雖然皮托管和傳感器使風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生了變化，但是皮托管和傳感器所在區(qū)域附近的流場(chǎng)仍然趨于均勻穩(wěn)定，且皮托管和傳感器探頭接收到的風(fēng)速也仍然是一樣的。模擬仿真結(jié)果表明該小型風(fēng)洞能夠達(dá)到風(fēng)速傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢定要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證模擬仿真結(jié)果的可靠性，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了該試驗(yàn)。試驗(yàn)在5種不同風(fēng)速下進(jìn)行，并測(cè)出了3組數(shù)據(jù),把皮托管測(cè)量出的風(fēng)速值作為當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，把傳感器測(cè)量的風(fēng)速值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)如圖8和表1所示，第1組試驗(yàn)速度分析如圖9所示。

表1 不同風(fēng)速下的測(cè)量數(shù)據(jù) 單位：m/s

圖8 風(fēng)洞試驗(yàn)裝置臺(tái)

圖9 第1組試驗(yàn)速度分析

由風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理可知，風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)越穩(wěn)定，風(fēng)洞內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速值越接近。從表1和圖9中可以看出，隨著設(shè)定風(fēng)速值的逐漸增大，皮托管和傳感器所測(cè)得的風(fēng)速值越接近，誤差越小,即風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)隨著設(shè)定風(fēng)速值的增大而趨于穩(wěn)定。3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中最大誤差出現(xiàn)在第3組，誤差值為0.22m/s，而傳感器允許的最大誤差為±0.3m/s，故該微型低速風(fēng)洞完全滿足傳感器校準(zhǔn)精度要求。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)時(shí)，可選用較大的風(fēng)速值，這樣可以提高校準(zhǔn)精度。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)鐵路上廣泛使用的風(fēng)速傳感器，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)微型低速風(fēng)洞裝置。該裝置不僅可以用于風(fēng)速傳感器的室外校準(zhǔn)，也可用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。與之前的校準(zhǔn)方法相比較，該裝置大大縮短了傳感器的校準(zhǔn)周期，降低了校準(zhǔn)成本，并且風(fēng)洞洞體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、易加工、成本低等特點(diǎn)。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)，可把風(fēng)洞設(shè)備固定在鐵路上專用的維修車上，從而在現(xiàn)場(chǎng)完成風(fēng)速傳感器的檢定。由此可見，本文所設(shè)計(jì)的裝置具有重要的工程意義。