孔詩媛 劉昕 邊澤強 孫文博 王旭 陸華

(1 吉林省氣象探測保障中心，長春 130062； 2 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081； 3 江蘇省昆山三維換熱器有限公司，昆山 215300)

引言

我國是海陸兼?zhèn)涞膰?，海洋是我國國土空間的重要組成部分，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間[1]。中國氣象局在海洋沿岸和海島建設(shè)的強風(fēng)觀測站均采用測量范圍為0～90 m/s的螺旋槳式強風(fēng)計作為觀測設(shè)備進行海洋觀測，但目前氣象部門測量范圍最大的風(fēng)洞為0～70 m/s，為保證螺旋槳式強風(fēng)計全量程范圍的數(shù)值準確度，研發(fā)一套風(fēng)速上限為90 m/s的氣象低速風(fēng)洞，保證海洋觀測資料的準確性和完整性，為海洋氣象綜合觀測體系提供有力支撐。

風(fēng)洞設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計3個部分。風(fēng)速上限的擴大涉及整體風(fēng)洞氣動結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，動力部分的提升為設(shè)計的重點。對于風(fēng)速儀器靜態(tài)測試研究、動態(tài)特性研究以及阻塞系數(shù)修正研究都具有深遠意義。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)洞總體尺寸為26 m×10 m×4.2 m(長×寬×高)?；芈凤L(fēng)洞的氣流均勻性和穩(wěn)定性優(yōu)于直路風(fēng)洞，空間占用情況相對較小?？紤]到超聲波測風(fēng)儀、螺旋槳式強風(fēng)計等新型測風(fēng)傳感器的計量檢定問題，該風(fēng)洞采用移動導(dǎo)軌加電控開關(guān)的方式實現(xiàn)試驗段的開(閉)功能。風(fēng)洞的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括試驗段、動力段、擴散段、拐角段、穩(wěn)定段、收縮段等。

圖1 90 m/s風(fēng)洞總體結(jié)構(gòu)(1試驗段,2第1擴散段,3第1拐角段,4第2擴散段,5第2拐角段,6動力段,7第3擴散段,8第3拐角段,9等直段,10第4拐角段,11穩(wěn)定段,12第1收縮段,13第2收縮段,14收集器)

1.1 試驗段設(shè)計

1.1.1 閉口試驗段設(shè)計

風(fēng)洞試驗段尺寸設(shè)計時，應(yīng)考慮滿足螺旋槳式強風(fēng)計的相關(guān)計量工作。螺旋槳式強風(fēng)計相對傳統(tǒng)的風(fēng)速傳感器尺寸要大，根據(jù)測試要求：被測儀器截面積與試驗段截面積的占比要小于5%，結(jié)合試驗中可能遇到的綜合情況，取試驗段截面尺寸為1.2 m×1.2 m(高×寬)。

根據(jù)非圓管的特征長度(即“水力直徑”)確定風(fēng)洞試驗段長度，水力直徑的計算公式如式(1)所示：

D0=2[D1D2/(D1+D2)]

(1)

式中：D0為水力直徑，單位:m；D1為試驗段高度，單位:m；D2為試驗段寬度，單位:m。取D1=1.2 m，D2=1.2 m得D0=1.2 m。

1.1.2 開口試驗段設(shè)計

為避免閉口試驗段洞壁對被檢設(shè)備的干擾，超聲風(fēng)測風(fēng)儀等傳感器的計量工作在開口環(huán)境下進行。由于開口回路風(fēng)洞的擴散段處在不穩(wěn)定擾動試驗段氣流的直接作用區(qū)中，洞體結(jié)構(gòu)受到強烈的激振力作用，不可避免的產(chǎn)生強烈振動或共振。本風(fēng)洞采取在擴散段前加裝收集器(如圖1中14所示)的方式來減弱震動的影響。根據(jù)自由射流角度設(shè)計相應(yīng)的角度接應(yīng)來流，并在收集器裝置上開減振平衡孔，通過減振孔可對作用在擴散段內(nèi)、外壁的脈動壓差起到緩沖平衡作用，從而削弱自由射流旋渦撞擊洞體封閉部分所引起的結(jié)構(gòu)振動。

噴口收縮段的設(shè)計根據(jù)CARDC(中國空氣動力研究與發(fā)展中心)φ3.2 m開口試驗段低速風(fēng)洞的運行經(jīng)驗，開口風(fēng)洞試驗時在噴口前段增加一個收縮段(如圖1中13所示)，二次收縮后開口試驗段截面取整為1 m×1 m，單面擴散角定為3.22°。

1.2 擴散段設(shè)計

擴散段的設(shè)計任務(wù)是保證氣流在通過擴散段時不產(chǎn)生分離，否則對擴散段性能本身以及位于擴散段下游的各段性能均會造成不良的影響。影響氣流擴散最主要的因素是擴散角，風(fēng)洞最佳擴散角由擴散段阻力系數(shù)來決定。本風(fēng)洞第1擴散段的擴散角設(shè)計為3°,長度為9200 mm；第2擴散段的擴散角為4°，長度為4000 mm；第3擴散段的擴散角為5°，長度為9017 mm。采用該設(shè)計時氣流的總壓損失因數(shù)最小，可以更好地將氣流動能轉(zhuǎn)化為壓力能。

1.3 拐角段設(shè)計

氣流經(jīng)過拐角時在拐角處的外壁和拐角后的內(nèi)壁容易產(chǎn)生分離和出現(xiàn)對流現(xiàn)象，從而造成流動不均勻或產(chǎn)生脈動[3-4]，因此需要在拐角處設(shè)置弧形導(dǎo)流片。本風(fēng)洞的弧形導(dǎo)流片系數(shù)為0.138，該導(dǎo)流片對來流的適應(yīng)性較強，能較好地處理氣流彎折，對調(diào)整試驗段中上偏氣流和橫向氣流分布方面有著顯著的效果。本風(fēng)洞各拐角段導(dǎo)流片具體設(shè)計數(shù)據(jù)為：第1拐角段：15片，間距為145.98 mm；第2拐角段：15片，間距為173.79 mm；第3拐角段：15片，間距為278.65 mm；第4拐角段：15片，間距為278.65 mm。

1.4 穩(wěn)定段設(shè)計

1.4.1 穩(wěn)定段直徑

穩(wěn)定段位于收縮段前端，根據(jù)國內(nèi)外常規(guī)回路風(fēng)洞設(shè)計經(jīng)驗，收縮比通常設(shè)定在C=7～10。穩(wěn)定段內(nèi)還需設(shè)置蜂窩器、阻尼網(wǎng)等必要的整流裝置[5-6]來實現(xiàn)風(fēng)速均勻性和穩(wěn)定性的最優(yōu)化。風(fēng)洞閉口試驗段的截面尺寸為1200 mm×1200 mm，取定值收縮比7.1，可得該風(fēng)洞的穩(wěn)定段直徑為3200 mm×3200 mm。

1.4.2 蜂窩器

風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)的蜂窩器，其主要作用是導(dǎo)向和分割氣流大漩渦，有利于加快旋渦的衰減，并在一定程度上降低氣流的湍流度[7]。研究表明，氣流在通過六角形蜂窩器后，氣流湍流度特別是橫向分量的湍流度隨下游距離的增加衰減十分明顯。因此本設(shè)計選用的對邊距為20 mm、長細比為12的正六角形截面的蜂窩器，實現(xiàn)氣流湍流度的充分衰減。

1.4.3 阻尼網(wǎng)

為進一步減小穩(wěn)定段氣流的湍流強度，以及均衡氣流中不同風(fēng)速的偏差，于蜂窩器的下游設(shè)計安裝了雙層阻尼網(wǎng)，阻尼網(wǎng)間距為500 mm，粗細為18目/英寸(1英寸=2.54 cm)。

1.4.4 靜流段設(shè)計

為保證風(fēng)洞內(nèi)的氣流充分均勻和穩(wěn)定，并使氣流的湍流度進一步充分的衰減，在阻尼網(wǎng)后設(shè)計一段靜流段是必要的。通常靜流段長度約為穩(wěn)定段直徑的0.3～0.5倍，本風(fēng)洞穩(wěn)定段直徑3200 mm，取0.3倍穩(wěn)定段直徑計算靜流段長度取整為1000 mm。

1.5 收縮段設(shè)計

1.5.1 收縮段長度

收縮段的主要作用是均勻加速氣流，使其達到試驗段需要的流速。在設(shè)計收縮段時，通?？紤]以下3個方面：①氣流在沿收縮段加速時，洞壁上不出現(xiàn)分離。②收縮段出口截面的氣流均勻、平行和穩(wěn)定。③收縮段不宜過長[8-9]。

在保證收縮段性能的前提下，通常規(guī)定L=(0.5～1.5)D，D為收縮段入口直徑。本風(fēng)洞收縮段長度取L=1.125D，入口直徑為3200 mm，收縮段長度為3600 mm。

1.5.2 收縮段曲線

收縮段曲線采用維斯辛基收縮曲線公式[10-12]計算各位置處的半高(H)及半寬(B)，由此求得各截面的高度(2H)與寬度(2B)，H的計算可由式(2)表示：

(2)

計算B時只需要將公式中的Hi換成對應(yīng)的Bi代入各數(shù)據(jù)后計算可得收縮段曲線坐標系數(shù)。收縮段的收縮曲線如圖2所示。

在潯龍河村村委會，村黨總支書記徐宏勛娓娓道來。潯龍河村過去耕地少，“七山兩水一分田”，交通不便。40多年前大集體時，潯龍河村民糧食不夠吃，只能吃返銷糧，碰上青黃不接的時候，只能派出村民外出借糧度日，以解燃眉之急。

圖2 風(fēng)洞收縮曲線(X為到收縮段入口處的軸向距離；B(H)為X處截面的半寬度或半高度)

2 動力段設(shè)計

2.1 動力段結(jié)構(gòu)

動力段是整個系統(tǒng)影響風(fēng)洞性能最重要的部分，由交流變頻電機、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、整流罩及固定在電機軸上的風(fēng)扇組成。通過交流變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，為風(fēng)洞提供穩(wěn)定的動壓，整流罩為電機及槳轂等進行整流，使風(fēng)扇前后保持流線型，改善氣流的性能，防止氣流分離[13]。動力段結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 動力段結(jié)構(gòu)(1前連接段,2平直段殼體,3葉片,4輪轂,5止旋片,6擴散段殼體,7后連接段,8尾罩,9內(nèi)置電機,10頭罩)

2.2 電機功率

風(fēng)洞的試驗段截面尺寸和風(fēng)速上限值確定后，計算求取電機功率。風(fēng)洞總當(dāng)量損失系數(shù)為0.32258，其倒數(shù)為風(fēng)洞的能量損失[14]，通常用能量比來表示。能量比定義為風(fēng)洞試驗段氣流的動能流速與通過風(fēng)扇輸入風(fēng)洞的功率之比，根據(jù)當(dāng)量損失系數(shù)可得，該風(fēng)洞的能量比為3.1。已知低速風(fēng)洞電機功率計算公式為：

(3)

式中：χ風(fēng)洞為風(fēng)洞能量比；PN為電機功率，單位:kW；ρ為空氣密度，單位:kg/m3；υ為試驗段最大設(shè)計風(fēng)速，單位:m/s；A為風(fēng)洞試驗段截面積，單位:m2；η風(fēng)扇為風(fēng)扇效率；η電機為電機效率。計算可得所需電機功率為278 kW。

根據(jù)風(fēng)洞的實際運行結(jié)果，考慮多種因素的影響，把計算所得的風(fēng)洞的總損失系數(shù)提高約10%～15%左右，最終N值確定為310 kW。結(jié)合實際情況，本風(fēng)洞選配N=350 kW左右的交流變頻電機，轉(zhuǎn)速為1200 r/min，電機內(nèi)置于風(fēng)洞，并選用強冷風(fēng)機外循環(huán)。

2.3 動力段整流裝置

整流罩采用流線型旋轉(zhuǎn)體，長細比為4，動力段內(nèi)的風(fēng)扇整流罩的直徑為1316 mm，為動力段直徑的0.59倍。為避免整個整流罩后段產(chǎn)生過渡的逆壓梯度，導(dǎo)致氣流分離，整流罩下游的當(dāng)量圓錐形擴散角設(shè)計為7°。

整流罩氣動外形尺寸按式(4)和式(5)計算：

(4)

(5)

式中：L為整流罩全長(m)，R為整流罩最大半徑(m)，r為軸向距離x對應(yīng)的截面半徑(m)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由風(fēng)洞洞體、西門子G150變頻器、西門子PLC、皮托靜壓管、數(shù)字萬用表、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、串口服務(wù)器和工業(yè)計算機等組成，系統(tǒng)框圖見圖4。

圖4 風(fēng)速控制系統(tǒng)

系統(tǒng)將檢定過程中的物理量全部數(shù)字化，以工業(yè)計算機為核心，通過串口服務(wù)器接口進行通信，從氣壓傳感器、溫濕度傳感器和數(shù)字微壓計中同步讀出氣壓、溫度、濕度和差壓數(shù)據(jù)[15]，根據(jù)公式計算當(dāng)前標準風(fēng)速值，通過當(dāng)前數(shù)值與檢定設(shè)定點風(fēng)速值比較，通過PID調(diào)節(jié)對變頻器輸出頻率信號，從而對電機轉(zhuǎn)速進行控制。當(dāng)標準風(fēng)速值達到檢定點風(fēng)速值并穩(wěn)定一分鐘后，系統(tǒng)開始采集環(huán)境參數(shù)和標準風(fēng)速值、被檢儀器示值、示值誤差等數(shù)據(jù)，計算求取30組數(shù)據(jù)平均值后自動跳轉(zhuǎn)至下一檢定點，直至整個檢定過程結(jié)束。

4 流場測試校驗結(jié)果驗證

為驗證風(fēng)洞設(shè)計的合理性，由國家氣象計量站依據(jù)中國氣象局發(fā)布的行業(yè)標準QX/T 84—2007氣象低速風(fēng)洞性能測試規(guī)范進行測試。選用NPL型標準皮托靜壓管作為標準器，給出流速范圍、氣流偏角、溫升、最大噪聲、流場均勻性、穩(wěn)定性主要指標的測試結(jié)果。流速范圍測試分開口和閉口兩種狀態(tài)；氣流偏角分水平和垂直兩方向的偏離程度；溫升為最大風(fēng)速下穩(wěn)定運行30 min后洞體測試段的溫度上升情況；最大噪聲為流速上限時的噪音量；流場的穩(wěn)定性和均勻性試驗選取同一截面不用風(fēng)速(2 m/s、40 m/s、80 m/s)進行測試，結(jié)果如表1所示。其中均勻性不大于1%，穩(wěn)定性不大于0.5%，其余各項指標同樣均能滿足測試規(guī)范技術(shù)要求。

表1 90 m/s強風(fēng)氣象風(fēng)洞測試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)海洋氣象發(fā)展規(guī)劃建設(shè)目標要求，設(shè)計了氣象用90 m/s回流開(閉)兩用強風(fēng)風(fēng)洞，整體尺寸為26 m×10 m×4.2 m(長×寬×高)；閉口試驗段為截面尺寸1.2 m×1.2 m的矩形，長度L=5 m，試驗段收縮比為1∶7.1，風(fēng)機功率350 kW。

(2)風(fēng)洞相關(guān)性能通過國家氣象計量站測試：流速范圍閉口時達(0.49～90.74)m/s，開口時達(0.45～70.03)m/s；最大氣流流速下溫升達0.8 ℃/30 min，最大噪音80.0 dB；閉口狀態(tài)流場均勻性0.2%，穩(wěn)定性0.17%，開口狀態(tài)下流場均勻性0.95%，穩(wěn)定性0.28%。

(3)性能測試數(shù)據(jù)表明，該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具備試驗段可調(diào)節(jié)、流場性能優(yōu)異、能量損耗較小等優(yōu)點，足以填補國內(nèi)70 m/s以上強風(fēng)檢定或校準領(lǐng)域的空白。