实验室用微小型二相流风洞流道设计

徐新建， 胡光忠， 肖守讷， 蒲 凡， 邹 亮

(1.四川理工学院 机械工程学院，四川 自贡 643000； 2.西南交通大学 牵引动力实验室，成都 610031)

·仪器设备研制与开发·

实验室用微小型二相流风洞流道设计

徐新建1， 胡光忠1， 肖守讷2， 蒲 凡1， 邹 亮1

(1.四川理工学院 机械工程学院，四川 自贡 643000； 2.西南交通大学 牵引动力实验室，成都 610031)

为了验证风沙二相流风洞数值模拟计算高速列车在风沙环境下数值模拟的正确性,并对数值模拟结果进行修正，进行了风沙二相流风洞可行性验证及风洞设计。本风洞设计主要通过数值模拟确定试验列车模型按1∶100缩小,风速为15 m/s情况下风洞主要实验流道装置的最小尺寸。结果显示,试验段截面尺寸宽、高、长分别为300 mm×300 mm×600 mm时满足对高速列车缩小模型二相流风洞试验要求。仿真模拟数据与大气环境下数值计算工况相差微小，数据没有明显失真。说明该尺寸可以应用于风动实验装置的搭建,为风洞初期设计提供了一种设计依据。

风洞； 二相流； 数值模拟； 实验装置

0 引 言

在抗侧风高速列车的设计流程中，大风以及风沙耦合等工况下对列车安全性的影响成为关注的重点。同时铁路建设的快速发展驱使铁路线路向山区和沙漠边缘地带延伸,因此对沙漠铁路的研究则更加具有必要性,而防风固沙措施作为沙漠铁路的重要组成部分,也具有了较大的可研究性[1]。在大风作用下,尤其在新疆地区经常存在着恶劣的天气状况对高速列车安全运行存在着巨大的威胁[2]。因此,研究高速列车在风沙环境下的安全运行变的很有必要，但是只有少部分研究人员对风沙耦合下高速列车稳定性进行系统的研究，而且基本都是在数值模拟的基础上对列车安全性进行研究、评价，难以确定其数值模拟结果的正确性[3]。本文小型风洞的设计目的就是通过实验的方法验证数值模拟方法的正确性，再通过正确的数值模拟方法分析高速列车在风沙中运行的安全性。

现有风洞设计主要依赖于设计者的经验，随着CFD软件的发展，应用CFD软件指导风洞流道的设计具有新的实用价值[4-6]。Moonen等[7-8]针对实验尺度的Jules Verne 全天候风洞，采用了一定的近似简化进行了数值模拟，计算结果与试验数据的对比证明了整体模拟具有一定的合理性。代焱等[9]在声学风洞的设计和研究中进行了近似整体模拟，研究结果对于声学风洞的设计具有借鉴价值。尽管现阶段风洞设计无法完全依靠CFD数值模拟，但是在设计阶段计入多种影响因素对风洞流道进行准确的数值模拟对流道的设计具有重要的指导意义。

1 计算方法

风洞设计目的是为了研究高速列车在强侧风及风沙环境下的运行稳定性。首先确定需要计算的高速列车模型的尺寸，长、宽、高分别为79 mm、30 mm、40 mm。然后通过试验模型的尺寸来确定试验用风洞的尺寸，使设计的风洞具有合理的尺寸，保证风洞实验计算的实用性。本文采用CFD软件在15 m/s风沙条件下,在无限环境与有限环境多种工况下多次计算高速列车模型在强侧风作用下的压力、速度变化值[10]。以无限环境下，压力、速度的计算值为标准分析有限环境下压力、速度的值。根据这两个值的相似度来确定风洞模型的尺寸。

2 风洞高度的确定

为了确定风洞模型最佳的高度，即满足实验数据不失真,风洞实验数据具有参考性的前提下有最小的风洞模型尺寸。通过流体力学软件进行多次数值模拟后拟合出速度和压力变化曲线。由图1可以看出,风洞模型高度<300 mm时，风洞的最大、最小压力呈现出了明显的上升和下降趋势。其原因主要是因为列车模型的存在与风洞壁之间会产生相互作用，而在风洞高度为300 mm时风洞壁与列车模型之间的相互作用效果对实验数据的影响已经开始变得明显[11]。再由速度随模型尺寸变化曲线图可以看出,随着风洞尺寸的减小,风洞高度在小于400 mm时风洞内速度开始发生剧烈变化，但是在高度为300 mm的地方速度仅比无限环境增加1.1 m/s，相对于我们的实验数据要求，此误差是满足的,因此确定风洞的高度为300 mm。

图1 风洞高度、压力与速度变化曲线

3 宽度校核

由上面确定风洞的高度，然后在风机功率、设备美观和稳定的考虑,初步确定风洞的宽度为300 mm。同时运用Fluent计算速度为15 m/s情况下，无限宽度压力与速度的大小与在300 mm×300 mm风洞尺寸下压力与速度的大小进行比较[12]。通过比较得到设计宽度最大速度为17.61 m/s，压力为137.1 Pa。无限宽度最大速度17.21 m/s，压力为131.1。由图2数值模拟结果可以看出,缩小的风洞与野外空旷环境下的压力速度的变化值均小于1%，可以满足实验室对野外环境模拟的要求，所以风洞截面设计为300 mm×300 mm是满足试验要求的。

图2 无限宽与300 mm环境下压力与速度的比较

4 试验段长度的确定

由于高速列车属于细长物体，在侧风作用下高速列车的后方会产生一个细长的涡[13]，为了能使涡充分的发展并且能方便地观察涡的存在，同时研究涡的变化规律对细长物体的影响。在确定了风动截面后,下一步就是确定试验段的长度。根据后面的湍流区域的长度确定试验段的长度。由图3可以看出，湍流区域的存在。再根据计算区域的长度及云图比例确定湍流区域长度为415 mm。所以增加裕量后将试验段长度确定为600 mm。

图3 列车缩小模型在风洞中的压力、速度云图，流线图

5 二相流混合入口的选择

实验设备的设计主要是为多相流的模拟而服务，因此,在设计之初不得不考虑次相加入口的布置位置。通过多次模拟对比之后最终确定将固体相与气相混合点布置在一元收缩段与稳定段的连接处。由图4看出，此处在没有添加混合口时就处于流速变化点，流场混乱，流速大。这正好符合对次相添加点的要求。同时在一元收缩段与稳定段之间加一遮风板可以扩大负压区的范围，使气固二相混合更加充分[14]。①流场混乱适合主相与次相的充分混合，且可以减弱次相添加而对流场的影响。②大的流速可以加快流场由乱流变为层流的速度。通过数值模拟计算，可以验证在次相入口处得到了一个负压区，方便将次相均匀地散入风洞，实现与主相的混合，且不至于发生由于风洞中的压力而出现气体泄漏的情况。

图4 二相流混合口压力与速度云图

由图4可以看出，由于次相入口的存在，其下方造成了一个速度、压力都比较高的的区域，但是在通过次相入口一段距离后流场又恢复正常的压力，速度也趋于稳定。所以次相入口既可以满足次相的添加又不会对流场产生太大影响，次相入口选择是合理的。

6 实验装置确定

此试验装置主要用于气固二相流实验，气体中存在高速流动的固体，如果试验装置太复杂会影响二相流的流动，造成固相过早沉积，同时还会出现固相清理困难的问题，故将风洞设计为直流式风洞[15]。由图5可见,风机从左侧吹入高速空气，经一元收缩段1加速之后在次相入口处流经遮风板，在遮风板后方形成一处负压区。次相由次相入口2进入流道入高速流动的负压区，经主次相充分混合后，在稳定段3逐渐进入层流状态，然后经二元收缩段4再次加速之后进入试验段5，试验段流出的高速流体经扩散段6扩散减速之后排出。

1-一元收缩段, 2-次相入口, 3-稳定段, 4-二元收缩段,5-试验段, 6-扩散段

7 结 语

试验模型对风洞尺寸有要求，在设计具体风洞尺寸时要考虑试验模型对风洞尺寸的影响，15 m/s风沙对列车影响的风洞试验中列车按1∶100缩小，风洞最小尺寸为300 mm×300 mm×600 mm。

本文通过数值模拟计算的方法指导风沙二相流试验风洞的尺寸的确定，对微小型专用试验室风洞的设计提出了一种新方法，具有一定的现实指导意义。

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TheDesignofMiniatureTwo-phaseFlowWindTunnelforLaboratoryTest

XÜXinjian1,HUGuangzhong1,XIAOShoune2,PUFan1,ZOULiang1

(1. School of Mechanical Engineering, Sichuan University Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan, China; 2. Southwest Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China)

In order to verify the accuracy of numerical simulation of the wind tunnel of the high-speed train in the wind-sand environment, and further to correct the numerical simulation, a wind tunnel of the two-phase flow is designed to validate the correctness of the design results. The model of the test train is reduced by the proportion of 1∶100, and wind speed is 15 m/s. The results show that when the wind tunnel test section is 300 mm×300 mm×500 mm, the test requirement can be satisfied. The theoretical data are similar to the numerical calculation in the atmospheric environment, and the data are not obviously distorted. The size can be used to build pneumatic experimental device. In this paper, a method for determining the size of the special wind tunnel by using the simulation software is established. It provides a basis for the design of wind tunnel.

wind tunnel; two-phase flow; numerical simulation; experimental device

TH 122

A

1006-7167(2017)09-0042-04

2016-12-15

国家自然科学基金资助项目(51275432)；四川理工学院研究生创新基金项目(y2016002)

徐新建(1991-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士生，主要研究方向：高速列车空气动力学。Tel.:13183937866;E-mail:1064791635@qq.com

胡光忠(1972-),男，四川南江人，博士，教授，主要研究方向：机械设计与理论。Tel.：13990004352;E-mail：568092170@qq.com