回流式低速风洞流场品质的测试及分析

胡丹梅, 孙　凯, 张志超

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海　200090)



回流式低速风洞流场品质的测试及分析

胡丹梅, 孙凯, 张志超

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海200090)

针对上海电力学院新建的回流式低速风洞,介绍了该风洞的流场品质的校测方法,并对测试数据进行了分析,主要包括风速范围、动压稳定性、动压场系数、局部气流偏角、紊流度及噪声6种数据.测试结果说明,该风洞流场品质满足工程研究的要求.

回流式低速风洞; 流场品质; 风洞结构

风洞在航空、气象、工程研究等领域已经得到广泛应用.风洞种类繁多,按行业分类,有航空风洞和工业风洞;按试验段气流速度大小分类,有低速、高速和超高速风洞;按回路分类,有直流式、回流式风洞;按运动时间分类,有连续式和暂冲式风洞[1].

建设风洞的目的就是要在风洞的试验段获得均匀的、可以控制的试验气流,从而满足模型气动力试验的要求.当一座风洞建成之后,需要进行流场校测,目的是实测出新风洞的性能和流场品质,以检验风洞是否满足设计指标的要求.良好的风洞流场品质是获得可靠试验结果的重要前提.

上海电力学院于2012年建成了回流式低速式风洞的试验装置,需要对该风洞的整体运行情况和试验段内的流场特性进行了解,对风洞整体的总体性能做出评价,为今后的一些空气动力学试验做准备.

1　风洞结构和流场总体性能指标

1.1风洞的整体结构

上海电力学院风洞试验室建成的风洞属于回流式低速式风洞,试验段为开闭两用试验段.利用该风洞的闭口试验段进行流场品质的校测,尺寸为1.4 m×1.4 m×0.31 m的矩形切角截面,试验段长度为1.8 m.稳定段内采用1层蜂窝器和2层阻尼网进行整流,提高了试验段的流场均匀性,并降低了湍流度[2-4].动力段采用风扇-止旋片构型风扇系统作为动力源,由12片桨叶和7片止旋片组成,为了控制噪声,对风扇系统进行高效率低噪声优化设计[5].收缩段的收缩比为5.44,入口为方形截面,出口截面为矩形切角,收缩曲线选取常用的双三次收缩曲线[6].风洞整体结构示意图如图1所示.

1.2风洞流场品质的总体指标

图1　回流式低速式风洞结构示意

2　实验测量方法与测量结果分析

2.1风速范围

在低速气流中,利用由热线风速仪和量程为0～2 000 Pa的微差压传感器组成的测量系统进行测量.

根据伯努利方程可求出气流的速度.即:

(1)

式中:ξ——风速管修正系数;

Δpm——总压与静压之差;

ρ——气流密度,为1.225 kg/m3.

测量结果为:用热线风速仪测得的最小稳定风速为0.2 m/s,用微差压传感器测得的最大稳定风速为50.0 m/s,最终确定风洞风速在0.2～50.0 m/s范围内连续可调,满足风洞流场的设计指标.

2.2动压稳定性

动压稳定性系数η定义为:在规定的时间间隔(一般为1 min)内,瞬时动压最大值和最小值的差与和的比值,即:

(2)

式中:qmax,qmin——瞬时动压的最大值和最小值.

根据动压稳定性系数的定义及本风洞的试验段情况,在实验段中心位置轴线附近安装一支标准风速管,如图2所示.

在常用动压范围内,测量动压随时间的变化,一般要求在1 min之内采集120个点,本次测量实际采集150个点.标准风速管的前端孔所测数据为试验段总压,风速管中间的孔所测数据为静压,二者之差即为气流动压,每次动压稳定后,从中选取最大值qmax和最小值qmin,代入式(2)即可求得动压稳定性系数.

图2　动压测量装置示意

在不同风速下,试验段的动压稳定性系数η如表1所示.由表1可以看出,风洞的稳定性系数均小于0.003,优于设计要求.

表1　不同风速下试验段的动压稳定性系数

2.3动压场系数

动压场系数可用来反映气流动压在空间的分布情况.鉴于风洞规模不是很大,本实验采取最简单的方法,就是用风速管逐点逐点地在试验段里测量动压,图3为动压场测量示意图.在实验段选取两个测试截面(1#和2#截面),位置分别在试验段中心位置前后50 cm 处,每个截面选取9个点,分别在30 m/s,35 m/s,40 m/s,45 m/s的风速下测量.测试点分布如图3b所示,顺着气流方向看,测试点的位置左右距离洞壁30 cm,上下距离洞壁30 cm.测试点1,测试点2,测试点3之间的间隔为35 cm;测试点1,测试点4,测试点7之间的间隔为35 cm;测试点对称分布.

图3　动压场测量示意

利用风速管的原理,求出不同速度下动压的平均值为:

(3)

式中:qi——第i点动压,Pa;

qpj——模型区内各测点动压平均值,Pa;

m——模型区内动压测点数,取m=9.

试验段的动压场系数为:

(4)

式中:μi——第i点动压场系数.

通过计算可以得到两个截面上测点的动压场系数分布图,如图4所示.

从图4可以看出,在不同风速下两个截面的动压场系数满足设计要求(≤±0.003%),最终确定风洞流场的不均匀性满足设计要求.

2.4试验段局部气流偏角

试验段局部气流方向是指试验段内任何一点的气流方向与风洞轴线的夹角(风洞轴线与水平面夹角α角和风洞轴线与垂直面夹角β角).截面的选取及测试点的分布与测量动压场系数时一样.本实验使用五孔探头进行测量,如图5所示.五孔探头是直径10 mm的带有半球体头的直圆柱探测管,球头开一个垂直球面的总压孔,在总压孔上下左右均匀分布4个静压孔,静压孔轴线与探头轴线成45°角.当气流与探测管中心线平行时,上下孔、左右孔的压力分别相等[8].

图4　1#和2#截面动压场系数分布

当气流不平行于探测管轴线时,将探头置于试验段中心,就可测量试验段气流的流动方向.探头压差系数为:

(5)

(6)

式中:ΔCpa——探头上、下测点的压差系数;

ΔCpo——探头左、右测点的压差系数;

pU,pD,pL,pR——探头上、下、左、右测点的压力,Pa;

q——试验时的动压.

图5　五孔探头结构

计算出探头压差系数后,从对应的探头校正曲线上可以查出相应的气流偏角[9].

整理后可得每个截面相应的气流偏角分布图,如图6所示.从图6可以看出,试验段的局部气流偏角α≤0.3°,β≤0.3°,均优于设计要求.

图6　1#和2#截面的气流偏角分布

2.5试验段紊流度

气流中存在着微小的旋涡运动,因而试验段里任何一点的气流速度总存在着微小脉动,通常用紊流度来衡量气流脉动的强度.紊流度直接影响模型的气动特性,是一个重要的流场参数,可采用湍流球、热线风速仪及激光测速仪等测量.本实验采用紊流球进行测量,其结构如图7所示[10].

图7　紊流球结构示意

紊流球的压差系数为:

(7)

式中:po——紊流球的驻点压力,Pa;

ps——球后部表面上与顺自由流方向的直径成22.5°的点的平均静压,Pa.

压差系数所对应的临界雷诺数为:

(8)

式中:D——紊流球直径,m;

ν——空气运动粘性系数,m2/s.

通过计算所得数据见表2.绘制压力系数Cp随雷诺数Re变化的曲线如图8所示.

表2　紊流球的测量与计算数据

从曲线上查出对应于压力系数Cp=1.22的临界雷诺数Recr=382 329.7,利用

(9)

式中:ε——紊流耗散率.

求出试验段中心位置的紊流度为0.09%,优于风洞的设计指标0.2%,因此风洞的紊流度也符合设计要求.

图8　Cp-Re曲线

2.6噪声

本实验采用AR814噪声计对风洞周围的噪声进行测量.风速≤50.0 m/s时,在风洞实验室外10 m处,噪声不大于55分贝,在操作室内为65.8分贝.测量结果表明,该风洞满足设计对环境噪声的要求.

3　结　语

本文介绍了回流式低速风洞流场测试的典型方法,从风洞风速、动压稳定性、动压场系数、气流方向场(局部气流偏角)、试验段紊流度以及风洞周围的噪声等方面进行了测试.测试结果表明,上海电力学院回流式低速风洞具有良好的流场品质,满足设计指标的要求,完全能胜任工程研究的需要.

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[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,王连泽.低(变)湍流度风洞设计再探讨[J].实验流体力学,2011,25(1):91-95.

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[8]王涛,李飞行.五孔探针结构和校准[J].设计·研究·分析,2012,19(4):19-22.

[9]范洁川.风洞试验手册[M].北京:航空工业出版社,2002:245-249.

[10]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.低速风洞实验[M].北京:国防工业出版社,2002:68-77.

(编辑白林雪)

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

简介：胡丹梅(1972-),女,博士,教授,湖南衡南人,主要研究方向为动力机械、风能利用技术.E-mail:hudanmei @shiep.edu.cn.

国家自然科学基金(50706025);江苏省水利动力工程重点实验室资助项目(K13024);上海市教育委员会科研创新重点项目(14ZZ154);上海市教育委员会部分地方院校能力建设项目(13160501000).

U661.71

A

1006-4729(2016)03-0211-05