胡丹梅, 孫　凱, 張志超

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上?！?00090)

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回流式低速風(fēng)洞流場品質(zhì)的測試及分析

胡丹梅, 孫凱, 張志超

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

針對上海電力學(xué)院新建的回流式低速風(fēng)洞,介紹了該風(fēng)洞的流場品質(zhì)的校測方法,并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,主要包括風(fēng)速范圍、動壓穩(wěn)定性、動壓場系數(shù)、局部氣流偏角、紊流度及噪聲6種數(shù)據(jù).測試結(jié)果說明,該風(fēng)洞流場品質(zhì)滿足工程研究的要求.

回流式低速風(fēng)洞; 流場品質(zhì); 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)

風(fēng)洞在航空、氣象、工程研究等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用.風(fēng)洞種類繁多,按行業(yè)分類,有航空風(fēng)洞和工業(yè)風(fēng)洞;按試驗段氣流速度大小分類,有低速、高速和超高速風(fēng)洞;按回路分類,有直流式、回流式風(fēng)洞;按運動時間分類,有連續(xù)式和暫沖式風(fēng)洞[1].

建設(shè)風(fēng)洞的目的就是要在風(fēng)洞的試驗段獲得均勻的、可以控制的試驗氣流,從而滿足模型氣動力試驗的要求.當(dāng)一座風(fēng)洞建成之后,需要進(jìn)行流場校測,目的是實測出新風(fēng)洞的性能和流場品質(zhì),以檢驗風(fēng)洞是否滿足設(shè)計指標(biāo)的要求.良好的風(fēng)洞流場品質(zhì)是獲得可靠試驗結(jié)果的重要前提.

上海電力學(xué)院于2012年建成了回流式低速式風(fēng)洞的試驗裝置,需要對該風(fēng)洞的整體運行情況和試驗段內(nèi)的流場特性進(jìn)行了解,對風(fēng)洞整體的總體性能做出評價,為今后的一些空氣動力學(xué)試驗做準(zhǔn)備.

1　風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和流場總體性能指標(biāo)

1.1風(fēng)洞的整體結(jié)構(gòu)

上海電力學(xué)院風(fēng)洞試驗室建成的風(fēng)洞屬于回流式低速式風(fēng)洞,試驗段為開閉兩用試驗段.利用該風(fēng)洞的閉口試驗段進(jìn)行流場品質(zhì)的校測,尺寸為1.4 m×1.4 m×0.31 m的矩形切角截面,試驗段長度為1.8 m.穩(wěn)定段內(nèi)采用1層蜂窩器和2層阻尼網(wǎng)進(jìn)行整流,提高了試驗段的流場均勻性,并降低了湍流度[2-4].動力段采用風(fēng)扇-止旋片構(gòu)型風(fēng)扇系統(tǒng)作為動力源,由12片槳葉和7片止旋片組成,為了控制噪聲,對風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行高效率低噪聲優(yōu)化設(shè)計[5].收縮段的收縮比為5.44,入口為方形截面,出口截面為矩形切角,收縮曲線選取常用的雙三次收縮曲線[6].風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1.2風(fēng)洞流場品質(zhì)的總體指標(biāo)

圖1　回流式低速式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意

2　實驗測量方法與測量結(jié)果分析

2.1風(fēng)速范圍

在低速氣流中,利用由熱線風(fēng)速儀和量程為0～2 000 Pa的微差壓傳感器組成的測量系統(tǒng)進(jìn)行測量.

根據(jù)伯努利方程可求出氣流的速度.即:

(1)

式中:ξ——風(fēng)速管修正系數(shù);

Δpm——總壓與靜壓之差;

ρ——氣流密度,為1.225 kg/m3.

測量結(jié)果為:用熱線風(fēng)速儀測得的最小穩(wěn)定風(fēng)速為0.2 m/s,用微差壓傳感器測得的最大穩(wěn)定風(fēng)速為50.0 m/s,最終確定風(fēng)洞風(fēng)速在0.2～50.0 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),滿足風(fēng)洞流場的設(shè)計指標(biāo).

2.2動壓穩(wěn)定性

動壓穩(wěn)定性系數(shù)η定義為:在規(guī)定的時間間隔(一般為1 min)內(nèi),瞬時動壓最大值和最小值的差與和的比值,即:

(2)

式中:qmax,qmin——瞬時動壓的最大值和最小值.

根據(jù)動壓穩(wěn)定性系數(shù)的定義及本風(fēng)洞的試驗段情況,在實驗段中心位置軸線附近安裝一支標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速管,如圖2所示.

在常用動壓范圍內(nèi),測量動壓隨時間的變化,一般要求在1 min之內(nèi)采集120個點,本次測量實際采集150個點.標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速管的前端孔所測數(shù)據(jù)為試驗段總壓,風(fēng)速管中間的孔所測數(shù)據(jù)為靜壓,二者之差即為氣流動壓,每次動壓穩(wěn)定后,從中選取最大值qmax和最小值qmin,代入式(2)即可求得動壓穩(wěn)定性系數(shù).

圖2　動壓測量裝置示意

在不同風(fēng)速下,試驗段的動壓穩(wěn)定性系數(shù)η如表1所示.由表1可以看出,風(fēng)洞的穩(wěn)定性系數(shù)均小于0.003,優(yōu)于設(shè)計要求.

表1　不同風(fēng)速下試驗段的動壓穩(wěn)定性系數(shù)

2.3動壓場系數(shù)

動壓場系數(shù)可用來反映氣流動壓在空間的分布情況.鑒于風(fēng)洞規(guī)模不是很大,本實驗采取最簡單的方法,就是用風(fēng)速管逐點逐點地在試驗段里測量動壓,圖3為動壓場測量示意圖.在實驗段選取兩個測試截面(1#和2#截面),位置分別在試驗段中心位置前后50 cm 處,每個截面選取9個點,分別在30 m/s,35 m/s,40 m/s,45 m/s的風(fēng)速下測量.測試點分布如圖3b所示,順著氣流方向看,測試點的位置左右距離洞壁30 cm,上下距離洞壁30 cm.測試點1,測試點2,測試點3之間的間隔為35 cm;測試點1,測試點4,測試點7之間的間隔為35 cm;測試點對稱分布.

圖3　動壓場測量示意

利用風(fēng)速管的原理,求出不同速度下動壓的平均值為:

(3)

式中:qi——第i點動壓,Pa;

qpj——模型區(qū)內(nèi)各測點動壓平均值,Pa;

m——模型區(qū)內(nèi)動壓測點數(shù),取m=9.

試驗段的動壓場系數(shù)為:

(4)

式中:μi——第i點動壓場系數(shù).

通過計算可以得到兩個截面上測點的動壓場系數(shù)分布圖,如圖4所示.

從圖4可以看出,在不同風(fēng)速下兩個截面的動壓場系數(shù)滿足設(shè)計要求(≤±0.003%),最終確定風(fēng)洞流場的不均勻性滿足設(shè)計要求.

2.4試驗段局部氣流偏角

試驗段局部氣流方向是指試驗段內(nèi)任何一點的氣流方向與風(fēng)洞軸線的夾角(風(fēng)洞軸線與水平面夾角α角和風(fēng)洞軸線與垂直面夾角β角).截面的選取及測試點的分布與測量動壓場系數(shù)時一樣.本實驗使用五孔探頭進(jìn)行測量,如圖5所示.五孔探頭是直徑10 mm的帶有半球體頭的直圓柱探測管,球頭開一個垂直球面的總壓孔,在總壓孔上下左右均勻分布4個靜壓孔,靜壓孔軸線與探頭軸線成45°角.當(dāng)氣流與探測管中心線平行時,上下孔、左右孔的壓力分別相等[8].

圖4　1#和2#截面動壓場系數(shù)分布

當(dāng)氣流不平行于探測管軸線時,將探頭置于試驗段中心,就可測量試驗段氣流的流動方向.探頭壓差系數(shù)為:

(5)

(6)

式中:ΔCpa——探頭上、下測點的壓差系數(shù);

ΔCpo——探頭左、右測點的壓差系數(shù);

pU,pD,pL,pR——探頭上、下、左、右測點的壓力,Pa;

q——試驗時的動壓.

圖5　五孔探頭結(jié)構(gòu)

計算出探頭壓差系數(shù)后,從對應(yīng)的探頭校正曲線上可以查出相應(yīng)的氣流偏角[9].

整理后可得每個截面相應(yīng)的氣流偏角分布圖,如圖6所示.從圖6可以看出,試驗段的局部氣流偏角α≤0.3°,β≤0.3°,均優(yōu)于設(shè)計要求.

圖6　1#和2#截面的氣流偏角分布

2.5試驗段紊流度

氣流中存在著微小的旋渦運動,因而試驗段里任何一點的氣流速度總存在著微小脈動,通常用紊流度來衡量氣流脈動的強度.紊流度直接影響模型的氣動特性,是一個重要的流場參數(shù),可采用湍流球、熱線風(fēng)速儀及激光測速儀等測量.本實驗采用紊流球進(jìn)行測量,其結(jié)構(gòu)如圖7所示[10].

圖7　紊流球結(jié)構(gòu)示意

紊流球的壓差系數(shù)為:

(7)

式中:po——紊流球的駐點壓力,Pa;

ps——球后部表面上與順自由流方向的直徑成22.5°的點的平均靜壓,Pa.

壓差系數(shù)所對應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為:

(8)

式中:D——紊流球直徑,m;

ν——空氣運動粘性系數(shù),m2/s.

通過計算所得數(shù)據(jù)見表2.繪制壓力系數(shù)Cp隨雷諾數(shù)Re變化的曲線如圖8所示.

表2　紊流球的測量與計算數(shù)據(jù)

從曲線上查出對應(yīng)于壓力系數(shù)Cp=1.22的臨界雷諾數(shù)Recr=382 329.7,利用

(9)

式中:ε——紊流耗散率.

求出試驗段中心位置的紊流度為0.09%,優(yōu)于風(fēng)洞的設(shè)計指標(biāo)0.2%,因此風(fēng)洞的紊流度也符合設(shè)計要求.

圖8　Cp-Re曲線

2.6噪聲

本實驗采用AR814噪聲計對風(fēng)洞周圍的噪聲進(jìn)行測量.風(fēng)速≤50.0 m/s時,在風(fēng)洞實驗室外10 m處,噪聲不大于55分貝,在操作室內(nèi)為65.8分貝.測量結(jié)果表明,該風(fēng)洞滿足設(shè)計對環(huán)境噪聲的要求.

3　結(jié)　語

本文介紹了回流式低速風(fēng)洞流場測試的典型方法,從風(fēng)洞風(fēng)速、動壓穩(wěn)定性、動壓場系數(shù)、氣流方向場(局部氣流偏角)、試驗段紊流度以及風(fēng)洞周圍的噪聲等方面進(jìn)行了測試.測試結(jié)果表明,上海電力學(xué)院回流式低速風(fēng)洞具有良好的流場品質(zhì),滿足設(shè)計指標(biāo)的要求,完全能勝任工程研究的需要.

[1]艾倫·波普.低速風(fēng)洞實驗[M].彭錫銘,嚴(yán)俊仁,譯.北京:國防工業(yè)出版社,1980:10-20.

[2]BUROV V V.Measuring and computational system of TsAGI T-128 transonic wind tunnel[J].Automation and Remote Control,2012,72(3):634-641.

[3]GREEN J.A short history of the European transonic wind tunnel ETW[J].Progress in Aerospace Sciences,2011,47(5):319-368.

[4]侯志勇,王連澤.低(變)湍流度風(fēng)洞設(shè)計再探討[J].實驗流體力學(xué),2011,25(1):91-95.

[5]楊廣珺,白存儒.低湍流度風(fēng)洞動力段振動源與傳遞途徑研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010,29(10):1 277-1 281.

[6]郗中祥,解亞軍.NF-3風(fēng)洞設(shè)計特點[J].氣動實驗和測量控制,1996,10(4):39-49.

[7]中國軍用電子原器件質(zhì)量認(rèn)證委員會.GJB1179—91高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場品質(zhì)規(guī)范[EB/OL].(1991-10-18)[2015-03-01].http://www.bzfxw.com/soft/softdown.asp?softid=125511.

[8]王濤,李飛行.五孔探針結(jié)構(gòu)和校準(zhǔn)[J].設(shè)計·研究·分析,2012,19(4):19-22.

[9]范潔川.風(fēng)洞試驗手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2002:245-249.

[10]中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會.低速風(fēng)洞實驗[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:68-77.

(編輯白林雪)

Testing and Analysis of the Flow Quality of the Low SpeedClosed Circuit Wind Tunnel

HU Danmei, SUN Kai, ZHANG Zhichao

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

The testing method and data analysis of the flow quality of the wind tunnel,as a new low speed closed circuit wind tunnel in Shanghai University of Electric Power are presented.The testing contents include such six kinds of data as the range of wind speed,kinetic pressure stability,kinetic pressure field coefficient,local flow angularity,tubulence level and noise in the test section.The results show that the flow quality of this wind tunnel may meet the requirements of the structural wind tunnel test.

low speed closed circuit wind tunnel; flow quality; wind tunnel structure

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.001

2015-03-23

簡介：胡丹梅(1972-),女,博士,教授,湖南衡南人,主要研究方向為動力機(jī)械、風(fēng)能利用技術(shù).E-mail:hudanmei @shiep.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金(50706025);江蘇省水利動力工程重點實驗室資助項目(K13024);上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點項目(14ZZ154);上海市教育委員會部分地方院校能力建設(shè)項目(13160501000).

U661.71

A

1006-4729(2016)03-0211-05