大型回流邊界層風(fēng)洞研制

余世策，蔣建群，樓文娟，孫炳楠

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

風(fēng)洞試驗(yàn)是目前公認(rèn)的研究風(fēng)工程問(wèn)題的最有效方法[1]。浙江省是我國(guó)受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，在浙江省建設(shè)一座高水平的邊界層風(fēng)洞非常有必要。浙江大學(xué)風(fēng)工程研究團(tuán)隊(duì)自上世紀(jì)90年代就開始風(fēng)工程研究，一直以來(lái)就有籌建風(fēng)洞的計(jì)劃，2003年浙江大學(xué)邊界層風(fēng)洞的建設(shè)被重新提上日程。由于建設(shè)用地有限，課題組只能充分利用有限的空間研制大型回流邊界層風(fēng)洞。本文以浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞研制為背景，對(duì)大型回流邊界層風(fēng)洞設(shè)計(jì)和建造中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了全面介紹，對(duì)于邊界層風(fēng)洞建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

1 風(fēng)洞主要技術(shù)參數(shù)確定

根據(jù)浙江大學(xué)現(xiàn)有的相關(guān)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，擬定的風(fēng)洞方案應(yīng)具有建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、航空航天等方面進(jìn)行試驗(yàn)和研究的功能。從目標(biāo)功能分析，首先風(fēng)洞試驗(yàn)段要求有較大的截面，以滿足大比例建筑、橋梁模型的風(fēng)洞試驗(yàn)；其次風(fēng)洞試驗(yàn)段要求有較寬的風(fēng)速范圍，以滿足地面交通工具和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)以及雷諾數(shù)效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)高風(fēng)速的要求；最后試驗(yàn)段還應(yīng)具有較高的流場(chǎng)品質(zhì)，以滿足低背景湍流的航空航天類或其他基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)研究的需求。

在目標(biāo)功能分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，在近800 m2占地面積限制下，研制出能滿足目標(biāo)功能需求的大型回流邊界層風(fēng)洞，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)洞主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 風(fēng)洞的氣動(dòng)輪廓及結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過(guò)方案可行性論證，確定風(fēng)洞的氣動(dòng)輪廓圖如圖1所示。擬建風(fēng)洞由1個(gè)動(dòng)力段、3個(gè)擴(kuò)散段、1個(gè)等截面段、1個(gè)收縮段、1個(gè)試驗(yàn)段、4個(gè)拐角段組成。為抵消附面層增厚對(duì)速度均勻性的影響，風(fēng)洞試驗(yàn)段采用水平微幅擴(kuò)散的方法。試驗(yàn)段和3個(gè)擴(kuò)散段的擴(kuò)散角數(shù)據(jù)[2]見表2?？梢钥闯?，各段當(dāng)量擴(kuò)散角α當(dāng)量均小于7°，可避免發(fā)生氣流分離現(xiàn)象。為平衡風(fēng)洞內(nèi)外的壓力差，在試驗(yàn)段與第1試驗(yàn)段交界處設(shè)置了寬為180 mm的壓力平衡縫。

表2 風(fēng)洞各段擴(kuò)散角數(shù)據(jù)

由于占地面積的限制，本風(fēng)洞采用了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的立式混合結(jié)構(gòu)型式，其中穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、第1擴(kuò)散段和動(dòng)力段采用鋼結(jié)構(gòu)、第2、第3擴(kuò)散段、等截面段和4個(gè)拐角段均采用混凝土結(jié)構(gòu)，動(dòng)力段位于地下一層，最低點(diǎn)標(biāo)高為-7.0 m，試驗(yàn)段位于二層，最高點(diǎn)標(biāo)高約為10.0 m，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖1 風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓圖

圖2 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

3 動(dòng)力及控制系統(tǒng)

風(fēng)洞氣流動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是風(fēng)洞的核心部件，本風(fēng)洞動(dòng)力采用1 000 kW直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)該風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)的需求和工況分析，考慮到整體投資造價(jià)以及系統(tǒng)的先進(jìn)性與可靠性，最終設(shè)計(jì)了小觸大的控制驅(qū)動(dòng)方案。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)洞動(dòng)力控制系統(tǒng)以工控機(jī)為速壓控制主機(jī)，全數(shù)字直流調(diào)速/驅(qū)動(dòng)器為調(diào)速驅(qū)動(dòng)核心，可編程控制器PLC為系統(tǒng)邏輯、連鎖控制核心，直流電機(jī)配增量式脈沖編碼器作為速度反饋裝置，以實(shí)現(xiàn)高精度速度閉環(huán)控制。安裝于風(fēng)洞試驗(yàn)段中的速壓傳感器測(cè)量實(shí)際速壓值，作為反饋量送入工控機(jī)，工控機(jī)內(nèi)的數(shù)字速壓控制算法完成高精度穩(wěn)速壓控制。同時(shí)風(fēng)洞還設(shè)開環(huán)控制方式直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，一旦閉環(huán)控制系統(tǒng)失靈，也可以采用人工控制風(fēng)速運(yùn)行。

4 附屬裝置

4.1 β轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)

β轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)必備的裝置，用來(lái)調(diào)節(jié)模型的風(fēng)偏角β。本風(fēng)洞在同一試驗(yàn)段內(nèi)設(shè)置了大小2個(gè)轉(zhuǎn)盤，大轉(zhuǎn)盤直徑2.5 m，距試驗(yàn)段入口處13.5 m，主要用于大氣邊界層流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)；小轉(zhuǎn)盤直徑1.5 m，距試驗(yàn)段入口3.75 m，主要用于覆面層較薄的均勻流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)采用外置式β角無(wú)級(jí)變速，可以正反轉(zhuǎn)，最小轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)為 0.1°，最低轉(zhuǎn)速不小于1.0°/s(滿負(fù)載時(shí))，轉(zhuǎn)盤角度給定及限位保護(hù)由計(jì)算機(jī)控制，控制精度為±0.05°，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±180°。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)增加立柱高度達(dá)到0.5 m以上，將立柱中間約1 m直徑的圓盤設(shè)計(jì)成可拆卸，同時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)中間設(shè)連接支座，用于安裝天平等測(cè)試設(shè)備。經(jīng)過(guò)改良的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)可塑性強(qiáng)，大大提高了模型安裝的靈活性和效率，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)立面如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立面圖

4.2 三維移測(cè)架

本風(fēng)洞最大的特色是配置了帶收藏機(jī)構(gòu)的三維移測(cè)架，該移測(cè)架有效行程為縱向2.0 m、橫向2.0 m、豎向1.5 m，定位精度為單次移動(dòng)±0.2 mm，累計(jì)移動(dòng)±1.0 mm，2根15 m軸向工字鋼導(dǎo)軌通長(zhǎng)固定于試驗(yàn)段頂壁兩側(cè)，采用移測(cè)架在導(dǎo)軌上滾動(dòng)再鎖緊的方式使風(fēng)速探頭游測(cè)于整個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)段的大部分試驗(yàn)空間。移測(cè)架帶半自動(dòng)收藏機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)段進(jìn)口部位上方設(shè)專用貯藏室(見圖2)，當(dāng)流場(chǎng)調(diào)試結(jié)束時(shí)移測(cè)架通過(guò)收藏機(jī)構(gòu)收藏于專用貯藏室內(nèi)。三維移測(cè)架的結(jié)構(gòu)如圖4所示。三維移測(cè)架使風(fēng)洞流場(chǎng)調(diào)試的效率和質(zhì)量大大提高，除了流場(chǎng)調(diào)試外移測(cè)架還可以用于風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)和其他需要附加支撐的風(fēng)洞試驗(yàn)。

圖4 帶收藏功能的移測(cè)架

5 風(fēng)洞維護(hù)方案

國(guó)內(nèi)某大型風(fēng)洞曾出現(xiàn)過(guò)葉片損毀的事故[3]，導(dǎo)致風(fēng)洞在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于癱瘓狀態(tài)，因此風(fēng)洞維護(hù)是風(fēng)洞運(yùn)行的重要保障。本風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于地下一層，而風(fēng)洞采用立式結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生電機(jī)損壞需返廠維修或更換，就相當(dāng)困難。為此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在動(dòng)力段頂部一層地板上預(yù)留了一個(gè)足夠大的檢修孔，并將第1擴(kuò)散段下的二層樓板改為預(yù)制可拆卸樓板。這樣一旦返廠維修可采用吊車將第1擴(kuò)散段、二層地板及一層檢修孔蓋板依次移開，就可將地下室的電機(jī)吊出。

電機(jī)振動(dòng)直接影響風(fēng)洞的使用壽命，為了降低電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，在電機(jī)支座設(shè)計(jì)時(shí)采取雙層鋼板中間夾橡膠墊的方法，同時(shí)為了保證混凝土底座的可靠性，加強(qiáng)了混凝土支墩內(nèi)部鋼筋的連接。另外，為了解電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，在電機(jī)基座水平和豎向兩個(gè)方向分別安裝加速度傳感器，用來(lái)監(jiān)控電機(jī)的振動(dòng)情況，并在風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)中設(shè)置了振動(dòng)加速度的限值，一旦超過(guò)這一限值，就自動(dòng)停車并提示檢查，這樣就能在發(fā)生危險(xiǎn)前提前防范，從而提高了設(shè)備使用的壽命。

濕度是影響地下室電機(jī)正常運(yùn)行的另一重要因素，在長(zhǎng)江以南地區(qū)的梅雨季節(jié)，地下室與室外溫差較大，使得地下室的濕度很大，濕氣長(zhǎng)時(shí)累積會(huì)造成電機(jī)絕緣部件失效而短路，最終損壞電機(jī)。為此在地下室安裝一臺(tái)大功率工業(yè)除濕機(jī)，濕度傳感器監(jiān)控地下室的濕度，當(dāng)超過(guò)一定濕度時(shí)工業(yè)除濕機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。除濕得到的水集中于地下室的貯水箱中，箱中設(shè)置自動(dòng)排水裝置，當(dāng)水位超過(guò)限值時(shí)自動(dòng)將箱中水抽到室外。

6 風(fēng)洞監(jiān)控系統(tǒng)

嚴(yán)密的監(jiān)控系統(tǒng)能提高風(fēng)洞控制和運(yùn)行的效率，降低風(fēng)洞運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。圖5為風(fēng)洞主控窗口界面，其中設(shè)置了主/從調(diào)電流/電壓監(jiān)控、電機(jī)轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁電流監(jiān)控、電機(jī)運(yùn)行溫度和電機(jī)振動(dòng)監(jiān)控、風(fēng)速控制與風(fēng)速顯示、轉(zhuǎn)盤控制與偏角顯示等功能。為了監(jiān)控風(fēng)洞各部分的工作狀態(tài)，在各關(guān)鍵部位安裝了數(shù)只監(jiān)控探頭，對(duì)地下室動(dòng)力段、試驗(yàn)段、控制室、強(qiáng)電室、轉(zhuǎn)盤室等工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保風(fēng)洞正常運(yùn)行。

圖5 風(fēng)洞主控窗口界面

7 風(fēng)洞建設(shè)及運(yùn)行情況

浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞自2008年初開始建設(shè)，歷時(shí)2年多時(shí)間于2010年10月底通過(guò)專家組驗(yàn)收[4]并交付使用，風(fēng)洞外觀見圖6。自風(fēng)洞投入使用以來(lái)，學(xué)院為風(fēng)洞購(gòu)置了電子壓力掃描閥、熱線風(fēng)速儀、高頻測(cè)力天平、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等高精度測(cè)試設(shè)備，并組織技術(shù)力量積極開發(fā)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，在2年多時(shí)間里，成功開發(fā)出具有一定特色的大氣邊界層流場(chǎng)調(diào)試技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)表面動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測(cè)試技術(shù)、高頻底座天平測(cè)力技術(shù)、風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)等[5-7]，獲批國(guó)家專利5項(xiàng)[8-12]，完成了國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃、國(guó)家科技支撐計(jì)劃和浙江省自然科學(xué)基金等10多項(xiàng)基礎(chǔ)性科研項(xiàng)目研究以及100余項(xiàng)工程抗風(fēng)試驗(yàn)，風(fēng)洞機(jī)組榮獲浙江大學(xué) 2011年度大型儀器共享服務(wù)優(yōu)秀機(jī)組稱號(hào)。

圖6 ZD-1風(fēng)洞外觀

8 結(jié)束語(yǔ)

大型邊界層風(fēng)洞研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響風(fēng)洞運(yùn)行的安全、品質(zhì)和效率，在研制過(guò)程中必須充分考慮，在施工期間必須作好各工種間的相互協(xié)調(diào)，風(fēng)洞投入運(yùn)行后必須集中力量開展實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究，為開展試驗(yàn)研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

致謝感謝南京航空航天大學(xué)姚惠中教授、北京航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院朱孝業(yè)研究員、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心施洪昌研究員、北京大學(xué)魏慶鼎教授、同濟(jì)大學(xué)林志興研究員、湖南大學(xué)陳政清教授、廣東建筑科學(xué)研究院楊仕超教授等專家對(duì)ZD-1邊界層風(fēng)洞設(shè)計(jì)與施工提供的技術(shù)咨詢！

[1] 賀德馨，風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2] 姚惠中.浙江大學(xué)邊界層風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2007.

[3] 牛華偉, 王建輝, 陳政清.風(fēng)洞風(fēng)扇斷裂事故與反思[C]//第十四全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2009:990-993.

[4] 上海同濟(jì)科技開發(fā)有限公司.浙江大學(xué)邊界層風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)報(bào)告[R].上海：上海同濟(jì)科技開發(fā)有限公司,2010.

[5] 余世策,吳鐘偉,冀曉華,等.邊界層風(fēng)洞多功能流場(chǎng)模擬裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(4):9-11.

[6] 余世策,韓新剛,冀曉華,等.測(cè)壓管路動(dòng)態(tài)特性實(shí)測(cè)技術(shù)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(2):40-43.

[7] 余世策, 陳勇, 李慶祥,等.建筑風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)速探頭的研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2013,27(4):83-87.

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