低速风洞在设计和使用中需要考虑的因素
丛磊
汕头大学工学院，汕头515063
[摘要] 低速风洞试验作为研究结构物在风力作用下动力响应特性的一种重要手段，在其洞体设计和使用中需要考虑诸多内外因素对试验结果的影响。本文总结了影响低速风洞试验结果的一些相关因素，包括洞体各部分几何特性对风洞流场品质的影响、试验段槽道对流场方向的影响、收缩段的边界层修正、低速风洞试验数据库系统的建设以及无线数据采集技术在低速风洞中的应用研究。
[关键词] 低速风洞洞体几何特性试验段槽道边界层修正数据库系统无线材及技术
1 前言
低速风洞作为研究土木工程结构无在风力作用下动力响应特性的一种实验装置，其对测试结果的精确性具有很高的要求，但在试验中不可避免的要受到许多不可控因素的影响。因此，如何得到研究中所需要的比较令研究者满意的精确数据是许多风工程研究人员需要解决的问题。本文通过总结一些国内外对风洞试验技术的改进研究，希望对现有风洞的改进与新建风洞的建设有所帮助。
2 影响低速风洞测试精确度的因素
2.1 低速洞体各部分几何特性对风洞流场品质的影响
2.1.1 实验段
实验段为风洞中模拟原型流场进行模型空气动力实验的地方,是风洞的重要组成部分。为了能模拟原型流场,实验段尺寸和气流速度的大小,应满足实验Re 达到一定值的要求。此外,实验段气流应稳定,速度的大小、方向在空间的分布应均匀,原始紊流度、噪声强度、静压梯度应低。实验段气流的这些特性的好坏,总称为流场品质。实验段的尺寸由模型的尺寸来确定。
一般实验段内部沿轴向(顺来流方向)有扩散角,或沿轴向逐渐减小各截面的切角部分所切除的面积,使横截面积沿轴向逐渐增大,以减小由于壁面附面层沿轴向增厚而产生的负静压梯度的绝对值。
2.1.2 收缩段
收缩段主要是使来自稳定段的气流均匀加速,并改善实验段的流场品质。收缩段的设计应满足如下要求:气流流过收缩段时,气流单调增加,避免气流在洞壁发生分离;收缩段出口处气流速度分布均匀,方向需平直,并且稳定。收缩段能否满足这些要求,主要取决于两个方面:收缩比和收缩曲线。
收缩比定义为收缩段入口处横截面积与出口处横截面积的比值。在一定的实验段横截面积和速度条件下,收缩比取得大一些,可使稳定段的速度相对降低,使稳定段、蜂窝器和整流网在提高流畅品质方面的效果相对好一些,而引起的气流能量损失也相对小一些。同时收缩段的长度也会对实验段流场品质造成影响,为了得到更好的实验段流场品质,收缩段长度至少应达到收缩段入口直径或边长的018倍。
收缩段的曲线形状对实验段气流速度分布的均匀程度有较大的影响,曲线的形状应该使流速沿壁面单调增加,不产生附面层的离体现象,并使管壁在收缩段入口处及出口处平行于流向。这种管壁曲线在入口处收缩率比较大,而在出口处比较小。
2.1.3 稳定段
稳定段是一段横截面不变的足够长的管道。其特点是横截面面积足够大,气流速度较低,在稳定段内一般都装有整流装置。稳定段的功用在于使来自上流或外面的紊乱不均匀的气流稳定下来,使旋涡衰减,使速度大小和方向的分布更为均匀。稳定段的长度常常采用入口直径的015倍。稳定段内一般安装蜂窝器和整流网以改善实验段内气流品质。
2.1.4 扩散段
扩散段可以使气流减速,使动能转变为压力能,以减小风洞中气流能量的损失,降低风洞的需用功率。气流在管道中的能量损失,与流速的3次方成正比。流速低,损失则小。扩散段使来自实验段的气流迅速减速,以减少整个风洞的能量损失。但是扩散段本身也会引起气流的能量损失,包括摩擦损失与扩压损失两部分。扩散段是由它的面积比和当量锥角两种因素来描述的。当量锥角指的是与真实的扩散段具有相同长度、入口和出口面积的假想圆锥断面的锥角。
扩散段的能量损失系数N主要取决于扩散段的面积比和扩散角。面积比越
大,N 越大。通常面积比很少超过215~4。扩散角取决于扩散段的平均Re 数,一般约在5b~8b 之间[1]。
2.2 低速风洞试验段槽道对流场方向的影响
现代大型低速风洞出于各种测量上的考虑,在试验段一般装有移测架;该架可安置有关探测仪器的探头,如多孔探针等在试验段内作三维运动,从而方便灵活地测试试验段中指定区域的流动特性,一些国外大型风洞也采取了类似的做法。
2.2.1 槽道影响的实验研究
下面以西南交通大学低速工业风洞为例,分析了这种槽道结构对试验段方 向场的影响。
西南交大风洞的小试验段尺寸为:2.4米x2.0米x16米。为了摸清槽道影响,我们主要针对槽道如图2所示的敞开、半封闭以及全封闭这三种状态下对试验段上方方向场作了测量。
测试点选择为:
选用一根6孔探针,用支杆装在移测架上,探针头部距移测架大约2米。这一距离经测试基本可保证探头不受后面移测架支撑的干扰。
设探针的α孔(攻角)、β孔(偏航角)系数为αA 、αB 和βA 、βB 则α孔、β孔感受的气流偏角为:
其中0α、0β为探头安装角。每次试验时,x 、y 一定,探针按指定台阶沿z 方向
由下向上移动,这样一次可得到7个点的气流偏角。经过在不同槽道状态下的对比测量,便可发现槽道的影响。
2.2.2 试验结果
根据上述安排,测得结果如图3~图5所示。对攻角α,无论是在全封闭还是半封闭状态,在中央剖面y=1.2m、,y=1.5m处沿z方向分布的均匀性很好。与敞开时相比,封闭和半封闭时对应的β沿z方向的均匀性明显得到改善。敞开时,随着高度z的增加,β变得越来越大,这显然是由于槽道结构导致的气流偏角所致。当靠近侧壁(y=2.lm)时,敞开状态下试验段上方的β更大,而且分布不均匀;当槽道半封闭时,β的幅度得到控制,但沿2方向分布的均匀性尚不理想,改成全封闭以后,β分布的均匀性得到了改善。
通过这样一个对比试验使我们感到,大型试验段开设槽道对试验段方向场有一定影响,特别是对那些靠近槽道的区域,气流偏角以及偏角分布的均匀性明显变坏,在兼顾移测架使用的同时对移测架槽道在结构上采取适当措施是必要的[2]。
