基于流体分析的科技馆展品龙卷风研制

徐玉龙

（天津科学技术馆，天津 300201）

龙卷风是在极不稳定的天气条件下，由冷暖两股空气强烈相向对流运动形成的空气漩涡。龙卷风威力十分强大，风速超过100 m/s，有时甚至超过200 m/s，还可以与火焰结合形成火龙卷，对人、畜、树木、房屋等都有很大的破坏力。

多数科技馆展品都是利用抽吸水雾来模拟龙卷风。超声波雾化器喷出的水雾被上风机抽成柱状，同时又在风柱内形成空气旋涡，从而模拟出了龙卷风。由于展品有效高度较低，一般为1.5～2 m，整体效果不够震撼。为提高展示效果，计划将有效高度提升至3.5 m。由于龙卷风的形成受上下风机功率、风柱角度和气孔直径多方面影响，若采用实验方式成本较高，因此考虑利用Solidworks 的流体仿真功能针对不同设计参数进行模拟，得到最优的参数组合，为展品研制提供技术支撑。

1 建立龙卷风模型

利用Solidworks 建立展品龙卷风三维模型，如图1 所示，其由上安装座、上风机、风柱、超声水波发生器、下风机以及底座组成。上安装座一方面固定风柱，另一方面中心安装有上风机，使得上安装座下部气流向中心流动并排出；风柱上按一定间距进行打孔并相对于底座中心旋转一定角度，用于形成旋转气流；超声水波发生器用于形成水雾；底座一方面安装风柱，另一方面装有下风机，下风机出口与四个风柱相连。

图1 展品龙卷风三维模型图

2 参数设定

龙卷风主要设计参数包括风柱入口风速、出口风速、风柱孔直径和数量、风柱角度等。单个风柱入口风速决定了下风机功率，设定可选择参数为0.005 m3/s、0.0075 m3/s、0.001 m3/s；出口风速决定了上风机功率，设定可选择参数为1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.5 m3/s；根据经验值，选定风柱孔直径范围为5～10 mm，设定可选择参数为6 mm、8 mm、10 mm，相邻间距为100 mm，风柱出风口方向与底座中心圆盘相切，每根风柱孔数量为26 个。

3 参数输入

在Solidworks 流体仿真模块中，按照设定的参数值在模型中进行输入，如图2 所示。

图2 参数输入

4 仿真结果输出

将不同的参数组合进行计算。计算结果以风柱孔直径Φ6 mm、入口风速0.01 m3/s 和出口风速2.0 m3/s 为例进行说明。

4.1 流速切片显示

水平流速切片和垂直流速切片分别如图3 和图4 所示。

图3 水平流速切片图

图4 垂直流速切片图

4.2 粒子轨迹显示

为了更加直观地显示雾化的水分子运动轨迹，将超声波雾化器雾化后的水雾直径设定为5 μm，同时利用粒子研究[1]进行展示。水雾分子设定和粒子研究结果分别如图5 和图6所示。

图5 水雾分子设定

图6 粒子研究结果图

4.3 参数优选

根据粒子研究结果中粒子形态确定最优组合参数如表1所示。

表1 优选组合参数表

5 展品现场试验

根据模拟仿真结果对风柱进行了打孔并购置上、下风机。整体组成完成后进行测试，龙卷风显示效果良好，基本符合仿真预期。展品龙卷风试验如图7 所示。

图7 展品龙卷风试验图

6 结论

利用Solidworks 建立了有效高度为3.5 m 的展品龙卷风三维模型；利用流体仿真模块模拟了不同入口和出口流速以及风柱孔径对于龙卷风效果的影响；根据计算结果优选了入口和出口参数和风柱孔直径，为展品的成功研制提供了有效技术支撑。