大气边界层风洞试验攻角板设计

2019-03-29杨义奎商敬淼

四川建筑 2019年1期

杨义奎，商敬淼

(1.四川诚正工程检测技术有限公司，四川成都610000；2.西南交通大学风工程试验研究中心，四川成都610031)

数值模拟技术是利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)在计算机上模拟结构周围风场的变化，并求解结构表面风荷载参数的方法［2］。CFD技术不但能节约试验成本、缩短试验周期，而且与试验相比可以获得非常详尽的信息资料，有助于对问题进行多方面模拟分析，以便研究事物的本质和发生的机理。随着计算机硬件和软件技术的日新月异，采用CFD对钝体绕流进行数值模拟分析，获取结构物表面风压及风速流线的技术已经比较成熟。大气边界层风洞试验需要准确模拟结构所在位置包括风剖面、风向角等在内的多项风场环境特征［3，4］，在计算流体力学出现前，只能根据结构外形和参照以前类似试验来粗略设计攻角板，且难以保证风向角平稳段能够满足试验需要。随着CFD技术日益成熟，采用数值模拟技术辅助设计攻角板模拟来流风攻角，为风洞试验提供参考。在风洞试验后，也可以用数值模拟分析结果与风洞试验结果相互验证。

1 数值建模

1.1 控制方程

湍流模型采用广泛使用的剪切压力输运的k-ω湍流模型(SSTk-ω)，它是一种在工程上得到广泛应用的混合模型，在近壁面保留了原始的k-ω模型，在远离壁面的地方应用了k-ε模型，其涡粘系数和k方程以及ω方程为：

式中：τij为雷诺应力，其中vt为湍流运动粘性系数，可以用湍动能k和耗散率ω来表示：

在SSTk-ω湍流模型中湍动能k和耗散率ω表达式如下：

式中：Ω代表涡量，y代表距壁面的距离；F2=tanh

SSTk-ω模型由Menter［5］提出，核心思想是近壁面利用k-ω模型的鲁棒性，以捕捉到粘性底层的流动。而在主流区域利用k-ε模型又可以避免k-ω模型对入口湍动参数过于敏感的劣势，SSTk-ω模型比标准k-ω模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可靠性，因此在本文计算中选取该模型。

1.2 求解域及网格划分

设计的攻角板需要满足大气边界层风洞常用风攻角的使用要求。攻角板由直线段和圆弧段两段组成，直线段长度2.51 m，圆弧段半径2.38 m，弧长1.032 m，通过调整支撑高度，使风攻角在-3～3°范围内根据试验要求调整。本文选取了某已建成大气边界层风洞尺寸作为计算域，计算域高4.5 m，宽15 m，采用ANSYSICEM CFD软件对计算域进行了结构化网格划分，计算雷诺数Re=26400，第一层网格高度为0.000 28 m，y+控制在1以内，网格扩展率为1.05，总网格数量约10万，计算域及网格见图1～图3。

图1 数值模拟求解域及边界条件

图2 整体网格

图3 网格细部

1.3 边界条件

(1)流场入口采用速度入口边界条件(Velocity-Inlet)，U=10 m/s。

(2)顶部和底部采用对称边界条件(Symmetry)。

(3)流场出口采用压力出流边界条件(Pressure-Outlet)。

(4)攻角板表面采用无滑移的壁面条件(Wall)。

1.4 计算方法

方程组求解采用采用了SIMPLE算法。对流项的离散采用了二阶迎风格式；压力项采用二阶格式；湍动能和耗散率均采用二阶迎风格式。迭代的收敛标准为所有控制方程的相对迭代残余量均小于，且同时各监测位置的风速基本不发生变化时，认为所得流场进入了稳态。

2 结果与分析

2.1 正攻角结果

模拟正攻角时，沿来流方向直线段摆放在前端，圆弧段摆放在后端，摆放位置如表1所示。根据不同的攻角板摆放位置，在风洞试验室中采用Cobra Probe多通道风速仪进行风速测量，风速仪架设位置在x=4.5 m和5.5 m处，并提取0.56 m和0.67 m两种不同高度处数值模拟计算得到的风攻角和风速数据，结果如图4、图5所示。

表1 正攻角摆放方式

从图4和图5可以看出，在x=4.5～5.5 m范围内，数值模拟与风洞验证试验的风攻角基本一致，与风速入口最大风速差0.5 m/s，能够满足风洞试验的要求。

2.2 负攻角结果

模拟负攻角时，沿来流方向圆弧段摆放在前端，直线段摆放在后端，摆放位置如表2所示。根据不同的攻角板摆放位置，在风洞试验室中采用Cobra Probe多通道风速仪进行风速测量，风速仪架设位置在x=5.5 m和6.5 m处，并提取0.56 m和0.67 m两种不同高度处数值模拟计算得到的风攻角和风速数据，结果如图2.3～2.4所示。