雨滴在边界层风洞中漂移轨迹研究

马占元

摘 要：在边界层风洞中，研究雨滴在微风速下的漂移轨迹，建立应用于边界层风洞的雨滴运动模型，对不同粒径雨滴的落地速度和飘移轨迹进行分析，结果表明，雨滴在边界层风洞中的漂移轨迹随风速的增加而跟随性越差。

关键词：雨滴;边界层风洞;漂移轨迹;粒径

中图分类号：P426 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0220-02

0 引言

边界层风洞是研究风工程的重要设备，利用边界层风洞中的湿沉积系统进行降雨模拟逐渐成为一项重要的环境模拟手段，雨滴在边界层风洞中的轨迹运动是降雨模拟的重要课题，它对降雨终端设备的布置，水压的确定，降雨高度的选择和相关试验粗糙元的布置都有着重要的影响。

以往针对雨滴运动的研究，通常都是对雨滴自然下落运动进行分析，主要研究自然运动受力状况和自然收尾速度的控制状况等。本文的研究建立在已有边界层风洞配置的湿沉积模拟系统上，根据已有的最大降落高度和湿沉积系统提供的雨滴初始参数，结合边界层风洞提供的可控的精确微风速，对雨滴的漂移轨迹进行研究。

1 计算模型

1.1 边界层风洞计算模型

边界层风洞基本尺寸如图1所示。取标准大气状态进行计算，温度为15℃，黏性系数为1.4607×10-5，通过变频控制风机和桨叶的变桨距，可实现风洞试验段风速范围：0.5-20m/s。风洞总长71.1m，其中试验段长度为28m，湿沉积系统布置在试验段顶部，距离试验段入口3m。边界层风洞试验段截面尺寸：5m（宽）×3.5m（高），试验研究风速：1m/s，2m/s和3m/s。

3 计算结果

当风洞气流速度一定时，随着液滴粒径的增大，液滴的x向落地速度逐渐增大;同一粒径的液滴，随着风速的增大，x向落地速度逐渐增大;风速越小，x向落地速度变化率越大，如图2所示。分析原因：液滴在风洞中沿x方向运动时，受到气流加速和气流阻力的综合作用力的影响，液滴粒径越小，受到的综合作用力越大，因此速度变化也越大。

当风洞气流速度变化时（1m/s-4m/s），液滴的y向落地速度不受风速变化的影响，而只受液滴粒径的影响，随液滴粒径的增大而增大，如图3所示。这表明：在边界层风洞中，雨滴下落速度几乎不受垂直方向的气流浮力的影响，这与自然界雨滴的下落过程不同。

4 液滴轨迹

针对粒径为1mm的液滴在不同风速下的轨迹进行分析。当风速为1m/s时，1mm粒径液滴在风洞中的运动时间为1.3s，液滴喷射速度经历了初始减速和末端加速两个历程，减速时间历程为：0-1.15s，速度表现为：由初始喷射速度4m/s逐渐降低至0.5m/s，在该阶段，液滴减速是受气体阻力的影响;加速时间历程为：1.15s-1.3s，速度表现为：速度由0.5m/s加速至1m/s，即液滴x向落地速度達到1m/s，碰撞到风洞底部，停止运动，液滴加速是受气流吹拂速度的影响。

因此，在1m/s风速下，液滴只经历初始减速和末端加速两个历程，液滴落地可实际跟随气流运动速度。

当风速为2m/s时，1mm粒径液滴在风洞中的运动时间为1.3s，液滴喷射速度经历了初始加速，中间减速和末端加速三个历程，初始加速时间历程为：0-0.08s，速度表现为：由初始喷射速度4m/s逐渐加速至4.25m/s;中间减速时间历程为：0.08s-1.1s，速度表现为：速度由4.25m/s逐渐减速至1m/s;最后，末端加速时间历程为：1.1s-1.3s，速度表现为：由1m/s逐渐加速至1.8m/s，即液滴x向落地速度达到1.8m/s，碰撞到风洞底部，停止运动。

在初始加速，中间减速和末端加速这三个阶段，分别是气流加速，气体阻力减速和边界层气流相对加速起主导作用。

风速达到3m/s时，液滴运动轨迹和风速2m/s时的运动趋势一致，落地速度达到2.7m/s。

风速达到4m/s时，液滴运动轨迹和风速2m/s时的运动趋势一致，落地速度达到3.4m/s。

5 结语

（1）液滴在风洞中沿x方向运动时，受到气流加速和气流阻力的综合作用力的影响，液滴粒径越小，受到的综合作用力越大，因此速度变化也越大。（2）当风速<1m/s时，液滴所受空气阻力作用较小，液滴落地时可跟随风速达到风速值。（3）当风速>2m/s时，液滴运动受到空气阻力明显的影响，跟随空气运动规律较差，并随着风速的增加跟随性表现越差。

参考文献

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