气象用90m/s回流开闭两用强风风洞设计

2021-04-19孔诗媛刘昕边泽强孙文博王旭陆华

气象科技 2021年1期

孔诗媛刘昕边泽强孙文博王旭陆华

(1 吉林省气象探测保障中心，长春 130062； 2 中国气象局气象探测中心，北京 100081； 3 江苏省昆山三维换热器有限公司，昆山 215300)

引言

我国是海陆兼备的国家，海洋是我国国土空间的重要组成部分，是经济社会可持续发展的重要战略空间[1]。中国气象局在海洋沿岸和海岛建设的强风观测站均采用测量范围为0～90 m/s的螺旋桨式强风计作为观测设备进行海洋观测，但目前气象部门测量范围最大的风洞为0～70 m/s，为保证螺旋桨式强风计全量程范围的数值准确度，研发一套风速上限为90 m/s的气象低速风洞，保证海洋观测资料的准确性和完整性，为海洋气象综合观测体系提供有力支撑。

风洞设计包括结构设计、动力系统设计和控制系统设计3个部分。风速上限的扩大涉及整体风洞气动结构的重构，动力部分的提升为设计的重点。对于风速仪器静态测试研究、动态特性研究以及阻塞系数修正研究都具有深远意义。

1 总体结构设计

风洞总体尺寸为26 m×10 m×4.2 m(长×宽×高)。回路风洞的气流均匀性和稳定性优于直路风洞，空间占用情况相对较小。考虑到超声波测风仪、螺旋桨式强风计等新型测风传感器的计量检定问题，该风洞采用移动导轨加电控开关的方式实现试验段的开(闭)功能。风洞的总体结构如图1所示，主要包括试验段、动力段、扩散段、拐角段、稳定段、收缩段等。

图1 90 m/s风洞总体结构(1试验段,2第1扩散段,3第1拐角段,4第2扩散段,5第2拐角段,6动力段,7第3扩散段,8第3拐角段,9等直段,10第4拐角段,11稳定段,12第1收缩段,13第2收缩段,14收集器)

1.1 试验段设计

1.1.1 闭口试验段设计

风洞试验段尺寸设计时，应考虑满足螺旋桨式强风计的相关计量工作。螺旋桨式强风计相对传统的风速传感器尺寸要大，根据测试要求：被测仪器截面积与试验段截面积的占比要小于5%，结合试验中可能遇到的综合情况，取试验段截面尺寸为1.2 m×1.2 m(高×宽)。

根据非圆管的特征长度(即“水力直径”)确定风洞试验段长度，水力直径的计算公式如式(1)所示：

D0=2[D1D2/(D1+D2)]

(1)

式中：D0为水力直径，单位:m；D1为试验段高度，单位:m；D2为试验段宽度，单位:m。取D1=1.2 m，D2=1.2 m得D0=1.2 m。

1.1.2 开口试验段设计

为避免闭口试验段洞壁对被检设备的干扰，超声风测风仪等传感器的计量工作在开口环境下进行。由于开口回路风洞的扩散段处在不稳定扰动试验段气流的直接作用区中，洞体结构受到强烈的激振力作用，不可避免的产生强烈振动或共振。本风洞采取在扩散段前加装收集器(如图1中14所示)的方式来减弱震动的影响。根据自由射流角度设计相应的角度接应来流，并在收集器装置上开减振平衡孔，通过减振孔可对作用在扩散段内、外壁的脉动压差起到缓冲平衡作用，从而削弱自由射流旋涡撞击洞体封闭部分所引起的结构振动。

喷口收缩段的设计根据CARDC(中国空气动力研究与发展中心)φ3.2 m开口试验段低速风洞的运行经验，开口风洞试验时在喷口前段增加一个收缩段(如图1中13所示)，二次收缩后开口试验段截面取整为1 m×1 m，单面扩散角定为3.22°。

1.2 扩散段设计

扩散段的设计任务是保证气流在通过扩散段时不产生分离，否则对扩散段性能本身以及位于扩散段下游的各段性能均会造成不良的影响。影响气流扩散最主要的因素是扩散角，风洞最佳扩散角由扩散段阻力系数来决定。本风洞第1扩散段的扩散角设计为3°,长度为9200 mm；第2扩散段的扩散角为4°，长度为4000 mm；第3扩散段的扩散角为5°，长度为9017 mm。采用该设计时气流的总压损失因数最小，可以更好地将气流动能转化为压力能。

1.3 拐角段设计

气流经过拐角时在拐角处的外壁和拐角后的内壁容易产生分离和出现对流现象，从而造成流动不均匀或产生脉动[3-4]，因此需要在拐角处设置弧形导流片。本风洞的弧形导流片系数为0.138，该导流片对来流的适应性较强，能较好地处理气流弯折，对调整试验段中上偏气流和横向气流分布方面有着显著的效果。本风洞各拐角段导流片具体设计数据为：第1拐角段：15片，间距为145.98 mm；第2拐角段：15片，间距为173.79 mm；第3拐角段：15片，间距为278.65 mm；第4拐角段：15片，间距为278.65 mm。

1.4 稳定段设计

1.4.1 稳定段直径

稳定段位于收缩段前端，根据国内外常规回路风洞设计经验，收缩比通常设定在C=7～10。稳定段内还需设置蜂窝器、阻尼网等必要的整流装置[5-6]来实现风速均匀性和稳定性的最优化。风洞闭口试验段的截面尺寸为1200 mm×1200 mm，取定值收缩比7.1，可得该风洞的稳定段直径为3200 mm×3200 mm。

1.4.2 蜂窝器

风洞稳定段内的蜂窝器，其主要作用是导向和分割气流大漩涡，有利于加快旋涡的衰减，并在一定程度上降低气流的湍流度[7]。研究表明，气流在通过六角形蜂窝器后，气流湍流度特别是横向分量的湍流度随下游距离的增加衰减十分明显。因此本设计选用的对边距为20 mm、长细比为12的正六角形截面的蜂窝器，实现气流湍流度的充分衰减。

1.4.3 阻尼网

为进一步减小稳定段气流的湍流强度，以及均衡气流中不同风速的偏差，于蜂窝器的下游设计安装了双层阻尼网，阻尼网间距为500 mm，粗细为18目/英寸(1英寸=2.54 cm)。

1.4.4 静流段设计

为保证风洞内的气流充分均匀和稳定，并使气流的湍流度进一步充分的衰减，在阻尼网后设计一段静流段是必要的。通常静流段长度约为稳定段直径的0.3～0.5倍，本风洞稳定段直径3200 mm，取0.3倍稳定段直径计算静流段长度取整为1000 mm。

1.5 收缩段设计

1.5.1 收缩段长度

收缩段的主要作用是均匀加速气流，使其达到试验段需要的流速。在设计收缩段时，通常考虑以下3个方面：①气流在沿收缩段加速时，洞壁上不出现分离。②收缩段出口截面的气流均匀、平行和稳定。③收缩段不宜过长[8-9]。

在保证收缩段性能的前提下，通常规定L=(0.5～1.5)D，D为收缩段入口直径。本风洞收缩段长度取L=1.125D，入口直径为3200 mm，收缩段长度为3600 mm。

1.5.2 收缩段曲线

收缩段曲线采用维斯辛基收缩曲线公式[10-12]计算各位置处的半高(H)及半宽(B)，由此求得各截面的高度(2H)与宽度(2B)，H的计算可由式(2)表示：

(2)

计算B时只需要将公式中的Hi换成对应的Bi代入各数据后计算可得收缩段曲线坐标系数。收缩段的收缩曲线如图2所示。

在浔龙河村村委会，村党总支书记徐宏勋娓娓道来。浔龙河村过去耕地少，“七山两水一分田”，交通不便。40多年前大集体时，浔龙河村民粮食不够吃，只能吃返销粮，碰上青黄不接的时候，只能派出村民外出借粮度日，以解燃眉之急。

图2 风洞收缩曲线(X为到收缩段入口处的轴向距离；B(H)为X处截面的半宽度或半高度)

2 动力段设计

2.1 动力段结构

动力段是整个系统影响风洞性能最重要的部分，由交流变频电机、交流变频调速系统、整流罩及固定在电机轴上的风扇组成。通过交流变频调速系统调节电机转速，为风洞提供稳定的动压，整流罩为电机及桨毂等进行整流，使风扇前后保持流线型，改善气流的性能，防止气流分离[13]。动力段结构如图3所示：

图3 动力段结构(1前连接段,2平直段壳体,3叶片,4轮毂,5止旋片,6扩散段壳体,7后连接段,8尾罩,9内置电机,10头罩)

2.2 电机功率

风洞的试验段截面尺寸和风速上限值确定后，计算求取电机功率。风洞总当量损失系数为0.32258，其倒数为风洞的能量损失[14]，通常用能量比来表示。能量比定义为风洞试验段气流的动能流速与通过风扇输入风洞的功率之比，根据当量损失系数可得，该风洞的能量比为3.1。已知低速风洞电机功率计算公式为：

(3)

式中：χ风洞为风洞能量比；PN为电机功率，单位:kW；ρ为空气密度，单位:kg/m3；υ为试验段最大设计风速，单位:m/s；A为风洞试验段截面积，单位:m2；η风扇为风扇效率；η电机为电机效率。计算可得所需电机功率为278 kW。

根据风洞的实际运行结果，考虑多种因素的影响，把计算所得的风洞的总损失系数提高约10%～15%左右，最终N值确定为310 kW。结合实际情况，本风洞选配N=350 kW左右的交流变频电机，转速为1200 r/min，电机内置于风洞，并选用强冷风机外循环。

2.3 动力段整流装置

整流罩采用流线型旋转体，长细比为4，动力段内的风扇整流罩的直径为1316 mm，为动力段直径的0.59倍。为避免整个整流罩后段产生过渡的逆压梯度，导致气流分离，整流罩下游的当量圆锥形扩散角设计为7°。

整流罩气动外形尺寸按式(4)和式(5)计算：

(4)

(5)

式中：L为整流罩全长(m)，R为整流罩最大半径(m)，r为轴向距离x对应的截面半径(m)。

3 控制系统设计

控制系统由风洞洞体、西门子G150变频器、西门子PLC、皮托静压管、数字万用表、气压传感器、温湿度传感器、串口服务器和工业计算机等组成，系统框图见图4。

图4 风速控制系统

系统将检定过程中的物理量全部数字化，以工业计算机为核心，通过串口服务器接口进行通信，从气压传感器、温湿度传感器和数字微压计中同步读出气压、温度、湿度和差压数据[15]，根据公式计算当前标准风速值，通过当前数值与检定设定点风速值比较，通过PID调节对变频器输出频率信号，从而对电机转速进行控制。当标准风速值达到检定点风速值并稳定一分钟后，系统开始采集环境参数和标准风速值、被检仪器示值、示值误差等数据，计算求取30组数据平均值后自动跳转至下一检定点，直至整个检定过程结束。

4 流场测试校验结果验证

为验证风洞设计的合理性，由国家气象计量站依据中国气象局发布的行业标准QX/T 84—2007气象低速风洞性能测试规范进行测试。选用NPL型标准皮托静压管作为标准器，给出流速范围、气流偏角、温升、最大噪声、流场均匀性、稳定性主要指标的测试结果。流速范围测试分开口和闭口两种状态；气流偏角分水平和垂直两方向的偏离程度；温升为最大风速下稳定运行30 min后洞体测试段的温度上升情况；最大噪声为流速上限时的噪音量；流场的稳定性和均匀性试验选取同一截面不用风速(2 m/s、40 m/s、80 m/s)进行测试，结果如表1所示。其中均匀性不大于1%，稳定性不大于0.5%，其余各项指标同样均能满足测试规范技术要求。