直流式风洞缩尺模型气体扩散试验台设计

万 杰，杨 方

(上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620)

0 引言

随着时代发展，我国城市化不断地推进，人们对于空气污染问题越来越重视。“十四五”规划纲要重点提出，深入实施污染区域防治，建立健全综合环境治理体系,推进区域精准、科学、依法、系统的治污,协同统筹推进全面减污，不断提高改善城市空气污染环境风险能力[1]。但是大气的污染来源较为繁杂，大气污染范围无法控制。因此研究气体污染扩散机理可以更精准的检测和防治气体污染。城市大气污染来源是工业排放的废气和汽车排放的尾气等[2]。在城市市区检测环境中污染物气体浓度及扩散范围难度较大，成本也较高，不利于同步采集数据，研究得到的气体扩散机理不够还精准，因此需要建立可研究气体污染扩散的风洞装置。利用相似性建立大气环境缩尺模型得到实验风洞。

风洞的设计利用了相似性原理。自然界物理学中的相似性主要是指相邻两个现象或者是两个和以上相似现象间在物体外表性质以及其他内在现象规律性方面特征的相对一致性,在实际工程界应用中的相似性则是主要指在“模型”之间与在“工程原型”之间的具有一致性。现象与现象之间相似的必要条件是两者之间单值性相似。满足相似条件：几何相似、边界条件相似、物理条件相似则认为单值性条件。风洞的设计利用了相似性原理，复现大气边界层，再确定缩尺比例。通常风洞模型缩尺比例系数的数值确定主要是要根据实际风洞尺寸变形的比例大小等来计算确定。

风洞装置可以复现室外多变环境状况，再现真实环境中物体的物理现象，可更高效、便捷地发现物理规律，能够建立准确的数学模型，并且提供实验数据。风洞试验具有诸多优点如可重复性、不受干扰因素影响、连续性、便捷且可视化等。高赞[3]研究对比了平坦地形和丘陵地形下粗糙子层高度范围的气溶胶污染物粒子平均纵向、垂向速度随高度变化。李令令[4]设计了动态热湿气候风洞，其加入辐射、湿度、温度、降雨等多参数条件，能够科学计算建筑表面上的复杂换热。田永强[5]等建立风洞模型对结冰问题进行研究,通过相似理论分析得到了若干无量纲参数,并阐述了这些无量纲参数的含义。荣臻[6]利用蜂窝器、多层阻尼网等对风洞管壁给与消声处理，提升了风洞流场品质并且降低了流动噪音。冷菊丽[7]研究3D 打印技术在风洞中的应用，分析了3D 打印技术工艺在提高风洞模型质量中的作用与原理。

对于城市大气环境研究，通过建立缩尺模型，在风洞中模拟城市市区的大气环境，获取污染气体在大气中扩散规律，能够节约成本且得到较准的结果。利用风洞装置可更系统更科学的检测气体污染情况，对深度研究气体污染扩散机理大有裨益。

1 风洞总体结构设计

风洞为直流式低速风洞，风洞的缩比尺寸为1：300，风洞的设计遵循几何相似、物理相似、及动态行为相似原则，风洞整体长宽高为12m、1.5m、1.8m，整体结构分为动力段，模拟段和试验段，风洞的整体设计如下：

1.1 动力段设计

动力段由风扇、变频电机、风扇段管道、支架组成。动力段风机需满足实验所需最大风速需求及风压需求。实验所需的最大风速为10m/s，对应风量Q 为97200m3/h，计算如下：

式中V为风速m/s；A为风洞截面积m2。

风压计算公式为：

式中Pq为全压，Pa；Pb为动压，Pi为静压；为空气密度，1.29kg/m3；R为风洞壁面的单位磨擦阻力，L为风洞长度12m，k取1，为局部阻力与磨擦阻力损失之比，λ取0.035，v是流速10m/s，D为当量直径1.6m。计算得到，Pb=0.5ρv2=64.5Pa ；Pi=33.8 Pa,动压Pb为64.5pa，全压98.3 pa 因此，风机风压至少为98.3pa。

1.2 模拟段设计

风是一种自然界中的大气运动。在大气流过地球表面时候，由于地球表面不是的光滑的，存在着各种障碍物如：植被、山地、建筑群等，于是大气流过时遇到这些障碍物便会产生阻力。当大气距离地面一定高度后，受到的阻力才可忽略不计，该远离地面的高度称为大气边界层高度。由此看出，在大气边界层高度范围内，风速随高度变化。根据国家《建筑结构荷载规范》标准，地貌可分为A、B、C、D 四类，如表1 所示：

表1 地貌分类及相关参数

1.2.1 大气边界层的设计

风洞内大气边界层的模拟方法通常有两种，分为主动模拟法和被动模拟法。主动模拟方法一般在进口位置安装射流、翼形叶栅等运动机构从而模拟出风场；被动模拟方法一般装有挡板、尖劈和粗糙元等被动发生装置，即用物理静态装置来模拟大气边界层的湍流。主动模拟装置成本较高，安装难度大。被动模拟成本低，且能有效地模拟出所需的风场。

本风洞采用被动模拟装置。原理是在气体来流沿高度方向上增加阻碍，将大气减少动能转变为湍动能，从而得到合理的流场。本风洞采用的被动装置是三角形尖劈与粗糙元，如图2 所示。

图1 风洞模型

图2 尖劈与粗糙元

1.2.2 尖劈尺寸设计

根据加拿大学者Irwin[8]反复的试验归纳出的经验公式，以此进行尖劈的设计。其研究得出尖劈的迎风板可用来产生合理的湍流涡旋，风速剖面的形成可由迎风板的上窄下宽的形状得到，湍流的强度可通过迎风板的底边宽度调整。其给出了尖劈的设计公式：

式中，H为风洞的高度；ℎ为尖劈的高度；b为三角形尖劈迎风板底边的宽度；δ为大气边界层的高度；α为地面粗糙度指数。

风洞分为模拟段和试验段，模拟段模拟大气边界层风场，试验段进行污染气体释放实验。根据300：1 的缩比尺寸，大气边界层在风洞中高度δ为1.5m，地面粗糙度指数α为0.22，风洞横截面的高度H为1.5m。

由公式得到，设计尖劈时尖劈高度位于1.31m～2.21m 范围内可模拟大气边界层。由于城市地貌的差异性和该计算公式的局限性，本风洞设置的尖劈高度为1.6m。

1.2.3 粗糙元尺寸设计

仅利用尖劈得到的试验所需的大气边界层现有的地面的粗糙度是远远的不够的。为了弥补近地面的粗糙度和增加地面湍流度，需要在风洞底部加以补充，于是加入粗糙元装置。粗糙元的设计参考公式：

式中，k为粗糙元的高度；δ为缩比后风洞内边界层的高度；D为两个粗糙元点的点间距；Cp为表面摩擦系数；α为地面粗糙度指数。

取地面粗糙度指数α为0.22，粗糙元间距取0.5m，风洞大气边界层的厚度δ取1.5m，经计算得到粗糙元高度为0.06m。由于风洞内气体流过6 倍的尖劈高度距离的后风场方能趋于稳定，因此粗糙元分布总长度为9.6m。均匀布置粗糙元，将粗糙元成梅花状交错安置在风洞底部。风洞的尺寸参数如表2 所示。

表2 风洞尺寸参数

1.3 试验段设计

本风洞设计用于研究城市市区大气环境下气体污染物扩散规律，因此在风洞中加入了气体污染物释放装置。在试验段处开孔并且连通气体释放装置。基于相似原理中几何相似原则，所研究的城市市区空间区域为长375m、宽300m、高50m 的建筑群，计算缩尺比例同样应遵循300：1 的比例，则得到试验段建筑模型空间尺寸为长1.25m、宽1m，高0.16m。

图3 试验段布局

为了模拟风洞内城市街区内餐饮污染物和汽车排放污染物，在试验段底部进行开孔，开孔位置位于建筑模型下方。建筑模型连接示踪气体管道装置。因为餐饮油烟及汽车尾气排放为多点源排放且排放浓度不一，因此，需要布置多种示踪气体及管道，每条气体支路管道具有独立的阀门控制气体释放。气体管道上装有流量计，监测气体释放量。

如图所示，建筑群内道路两侧商业餐饮油烟多源排放由气瓶1 和气瓶2 控制的示踪气体释放表示。商业街内道路上汽车尾气排放由气瓶3 和气瓶4 控制的示踪气体释放表示。

2 模拟验证

根据计算流体力学，对设计的风洞风场进行数值模拟，验证风洞的可行性。在ANSYS 软件中对风洞进行建模，去除不影响计算结果的模型特征，进行模拟模型优化，模型如图5 所示：

图5 风洞仿真模型

图6 风洞实物面模型

2.1 流场验证

为在缩尺模型中模拟风在大气边界层高度内的流动，需根据相似原理得到大气边界层内的湍流强度分布、湍流积分尺度和平均风速分布。对模型试验段结果从高度方向每隔0.2 建立平面，并进行模拟数据提取。风洞试验段速度场如图7 所示，风洞截面风速如图7 所示：

图7 试验段横截面风速

图7 表明试验段处风速底部风速较低，顶部风速较高，且试验段底部风速梯度较大。因为只研究大气边界层近地面情况，因此大气高度上升到一定高度后的大气情况不用考虑，因此风场满足所研究的大气环境。从图7 中可知风速从下往上先快速增大而后趋于恒定。图8 表明流场前端不稳定风速变化剧烈，当长度超过六倍尖劈高度后趋于稳定。风洞前段尖劈的存在使得风速梯度发生变化，粗糙元增加了底部气流的湍能。从图8 可看出风洞后端试验段处的流场处稳定状态，因此可用作污染气体扩散研究。

图8 风洞纵截面风速

湍流强度用于衡量大气湍流特性，可利用脉动风速标准差计算得到。在《建筑结构荷载规范》[9]中我国明确规定了湍流强度计算方法，如下所示：

式中，IZ为高度z处的湍流强度；I10为高度10m 处的湍流强度。根据地貌，该名义湍流强度值不同；如表1所示，α为地貌粗糙度指数。计算得到，城市市区大气湍流度剖面如图9 所示：

图9 城市风的湍流度剖面图

在大气边界层中，通常认为边界层内中任意一点处的速度时程是经过平均风所运输的不同尺度的旋涡累加而成。旋涡的平均尺度以及脉动能量的分布决定着来流的湍流的特性。湍流积分尺度与地面粗糙度有关[10]。

湍流积分尺度计算式为：

图10 城市风的湍流积分尺度图

平均风剖面用于表示大气边界层中平均风速随高度变化的规律。同样根据国家《建筑结构荷载规范》标准，我国采用的平均风剖面是指数平均风剖面。指数平均风剖面由Davenport A G[11]整理、归纳而来。

图11 城市市区平均风剖面

图12 中黑线为C 类地貌环境平均风速线，蓝色D 线为D 类地貌环境平均风速线，红色E 线为本设计的风洞脉动风速线，本风洞风速线介于C 类与D 类地貌环境的风速线之间。C 类地貌风速随高度增长较慢，D类地貌风速随高度增长较快。可见D 类地貌风速梯度更大。C 类与D 类地貌都是城市地貌，两者之间的差别在于城市内建筑物高度不同，因此本风洞可用于模拟城市市区风场。

图12 风速变化对比

3 结论

本文在以往的风洞研究下，设计了缩尺比300：1的直流式低速风洞。采用被动模拟装置，对建筑模型、尖劈、粗糙元等尺寸参数进行了设计。对设计的风洞添加了可进行气体释放的气体管道装置，并给出了气体释放装置连接图。计算了300：1缩尺比下风洞的平均风剖面、湍流积分尺度等参数。可用此风洞研究多污染源气体的城市内的污染扩散情况。本文对设计的直流式低速风洞进行了数值模拟分析，验证了此风洞可模拟大气边界层，可用作城市气体污染物扩散研究。