試驗風場的阻塞效應優(yōu)化驗證

李帆 王志超 晏天 李慶超

(國家海洋局南海標準計量中心，廣州 510300)

引言

風是海洋動力過程的基本參量，與海洋中幾乎所有的海水運動直接相關[1]，因此，風是氣象氣候、波浪和災害性海況的監(jiān)測和預報中的必要參數，海面風場的研究對海上航行、海洋工程、海洋漁業(yè)、防災減災等具有非常重要的意義[2]。最有效描述某一區(qū)域風特性的方法是在該區(qū)域進行大量風的觀測分析，得到合適的經驗模型和統(tǒng)計參數[3]。由此可見，風的準確測量尤為重要。風的準確測量的關鍵要素之一是使用優(yōu)良的測風儀器。在海洋觀測、監(jiān)測和調查中明確規(guī)定，測風儀器應經過法定計量檢定機構檢定/校準[4-5]。因此，科學合理地評價測風儀器的計量性能對于風的準確測量是必要的。

測風儀器計量性能的評價是利用由風洞、微壓計、皮托靜壓管等設備搭建的計量標準檢定裝置進行的[6-7]。把測風儀器放置在試驗風場中，通過比較實際風速與測風儀器測得的風速示值，評價測風儀器的測量準確度。在試驗風場中，由于洞壁的約束，流線無法自由擴展，使得模型與洞壁之間的平均流速增大，稱為阻塞效應[8]。在測風儀器的檢定過程中，阻塞效應會造成測風儀器的風速示值偏差，因此，除了對試驗風場的均勻性和穩(wěn)定性有所要求外，試驗風場的阻塞比一般要求在0.05以下[6-7]。在阻塞效應的試驗修正上，黃啟明等采用同一個模型在小風洞和大風洞做對比實驗，得到洞壁干擾因子，用來修正小風洞的洞壁干擾[9]。李松奎等提出了一種全新的阻塞修正方案，通過實驗驗證了阻塞修正系數的科學合理性[10]。Maskell根據動量定理提出了半經驗的阻力系數修正理論[8]。同時，也可以數值模擬修正，Stafford、Okajima等許多學者利用CFD建模研究阻塞效應修正平均風荷載[11-12]。Broughton等做了采用開槽壁面的風洞改善阻塞效應的研究[13]。

目前對試驗風場的阻塞效應的研究，一般都聚焦在阻塞效應的試驗修正和數值模擬修正，鮮有學者研究測風儀器檢定中試驗風場的阻塞效應改善等問題。

本文選用應用最為廣泛的三杯測風儀[14]，運用CAD模擬不同旋轉角度風杯組的迎風面，通過分析風杯組的迎風面積的變化，建立風杯組迎風面積與旋轉角度的函數關系曲線，精確獲取到三杯測風儀迎風面積最大時的旋轉狀態(tài)，為不規(guī)則的復雜迎風面的計算提供新思路。同時，在為減小阻塞比而進行的風洞夾具改造工作中利用該函數關系曲線精準測算試驗風場的阻塞比，設計出既滿足試驗風場阻塞比要求又滿足試驗風場均勻性要求的夾具，與傳統(tǒng)的粗略估算相比能更好平衡試驗風場阻塞比優(yōu)化和均勻性優(yōu)化的矛盾，避免夾具制造返工修改，降低試驗風場改造成本。最后，對經改善阻塞效應后的試驗風場進行阻塞效應測試，完成試驗風場性能優(yōu)化驗證。

1 試驗風場

1.1 儀器

采用中環(huán)天儀(天津)氣象有限公司制造的EDE14A2型風洞提供試驗風場。該風洞風速范圍為0.4～30 m/s，穩(wěn)定性為0.5%，均勻性為0.4%，試驗段尺寸為Φ240 mm×380 mm，是圓形截面的閉口開路型風洞。空氣經進氣口吸入，經蜂窩器整流，經收縮段加速，在試驗段達到所需風速，再經擴散段減速排出。

采用上海愛山儀器設備廠的AS-T-1型皮托靜壓管、GE Druck制造的DPI610型數字微壓計和Vaisala制造的HMP75型手持溫濕度計測量試驗風場。經計量院檢定，皮托靜壓管校準系數是1.003；微壓計最大誤差優(yōu)于±0.05%FS Pa，測量范圍為0～2.5 kPa；手持溫濕度計的溫度測量最大誤差是0.1 ℃，相對濕度測量最大誤差是-1.7%。皮托靜壓管是由兩根不同內徑的不銹鋼管同心套接焊制而成，內管是全壓管，傳導外界總壓力，外管是靜壓管，傳導外界靜壓力。數字微壓計顯示壓力差值，其原理是壓力分別由2個端口經傳壓介質作用于壓力傳感器上，壓力傳感器輸出相應的電信號或數字信號，由數據處理單位處理后在顯示器上直接顯示2個壓力的差值，即為被測壓力差的示值。測量時，手持溫濕度計測量試驗段風場的濕度和溫度，皮托靜壓管安裝在風洞試驗段，全壓孔對準氣流來向，靜壓孔與氣流方向垂直，全壓尾嘴和靜壓尾嘴分別通過透明軟管與微壓計的總壓口和靜壓口氣密連接，由微壓計讀出總壓與靜壓的差值，即試驗風場的風壓值。

選用天津氣象儀器廠制造的經檢定合格的DEM6型三杯測風儀作為試驗儀器。三杯測風儀主要由風杯組、風速表盤、風向標和手柄組成，測風范圍1～30 m/s，用于測量風向和1 min內平均風速。風杯組是感風器件，由3個大小相等的空心半球狀風杯繞著轉軸兩兩相距120°構成。在風場中，風杯組受風力驅動，朝著風杯凹面后退的方向旋轉，帶動主軸旋轉，輸出脈沖信號，轉換得到風速示值。

1.2 方法設計

試驗時，三杯測風儀通過夾具安裝在風洞試驗段，試驗風場的橫截面積S0，三杯測風儀在試驗風場中的迎風面積S，則阻塞比ρ為：

(1)

原夾具的固定點在三杯測風儀的手柄處，三杯測風儀的風杯組和風速表盤都置于試驗風場中，三杯測風儀的迎風面積包括風杯組、風速表盤以及支撐桿。在不考慮風杯組迎風面積的情況下單取風速表盤和支撐桿的迎風面積進行阻塞比計算，其結果為0.05。由此可判斷實際的阻塞比大于0.05，無法滿足最新規(guī)程阻塞比不大于0.05的要求[6,15]。因此，需要降低試驗風場的阻塞比。根據式(1)，降低阻塞比的方式有2種：①增加試驗風場的橫截面積S0；②減小三杯測風儀的迎風面積S。

方式①需要對風洞結構進行改造甚至是更換，與方式②對比，技術難度大，經濟成本高，時間周期漫長，因此，優(yōu)先考慮方式②，即減小三杯測風儀的迎風面積。

通過設計新型夾具，減小試驗風場中三杯測風儀除風標組外的迎風面積，降低試驗風場的阻塞比，改善試驗風場的阻塞效應。

新型夾具的設計分為結構設計和固定點位置確定兩部分。在結構設計中，主要考慮減小夾具對試驗風場不均勻性的影響和緊固三杯測風儀這兩個方面。在試驗段中，試驗風場的均勻性與試驗段的結構對稱性有關。因此，新型夾具的上表面設計為與試驗段有同軸同徑的一段弧形面，新型夾具的材料選取與風洞內壁摩擦系數相近且易加工成型的POM塑料。新型夾具在風速表盤某一位置處進行固定，由固定座、支撐座和調節(jié)塊3部分組成。安裝時，三杯測風儀套在固定座里，固定座套在支撐座里，支撐座鎖在調節(jié)塊上，調節(jié)塊固定在風洞外壁。固定座的輪廓與三杯測風儀的風速表盤輪廓一致，用于緊貼并托護住三杯風速儀。固定座分為兩塊部件，兩塊部件上設計有銷釘和銷釘孔，兩塊部件套住三杯測風儀后，通過銷釘初步緊固，安裝三杯測風儀的手柄后，便可與三杯測風儀保持緊固；支撐座貫徹在調節(jié)塊與固定座之間，其上界線與風洞的壁弧線保持一致，前后兩側設計有銷釘，用于與固定座之間的緊固；調節(jié)塊設計有螺絲孔，配置手擰螺絲，用于固定支撐座(圖1)。

圖1 新型三杯測風儀夾具設計

新型夾具固定點位置主要受2個因素限制：①新型夾具的固定點位置能夠保證風杯組處于試驗風場中均勻性和穩(wěn)定性較為優(yōu)良的區(qū)域；②新型夾具的固定點位置能夠保證試驗風場的阻塞比不大于0.05且盡可能地降低。

采用坐標軸法在試驗風場的儀器安裝橫截面上縱向布置間距為20 mm的測試點，選取10 m/s和20 m/s速度點測量試驗風場的均勻性，選取15 m/s和25 m/s速度點測量試驗風場的穩(wěn)定性[16]。測量結果表明，試驗風場的穩(wěn)定性為0.5%，均勻性為0.4%，在以安裝橫截面圓心為原點，直徑為150 mm的區(qū)域內均勻性表現最優(yōu)(圖2)。

圖2 均勻性測試

進一步精確計算三杯測風儀的迎風面積，確定新型夾具的固定點位置，保證阻塞比降低到最小的同時風杯組也處于最優(yōu)的均勻范圍內。

2 三杯測風儀迎風面積計算方法

由于三杯測風儀的風杯組在旋轉時每個風杯相對于風場法平面的夾角會發(fā)生變化，因此，三杯測風儀的迎風面積是隨著風杯組的旋轉而變化的。單個風杯旋轉1周的迎風面是按照半圓→橢圓→圓→橢圓→半圓變化，可知當風杯迎風面是圓形時風杯的迎風面積最大。風杯組旋轉1周時，3個風杯的迎風面積不可能同時是圓形的，也不可能同時是半圓形的。風杯組的迎風面變化比較復雜，最大迎風面積的情況無法簡單推論得出，最大迎風面積也無法通過數值計算得出。

運用CAD建立三杯測風儀的三維模型(圖3)，通過改變風杯組的旋轉角度，使用CAD的投影功能，得到不同旋轉角度時風杯組的迎風面；使用CAD的面域功能，得到不同旋轉角度時風杯組的迎風面積；經過不斷細分逼近，從而找出風杯組的最大迎風面積時的旋轉狀態(tài)，實現三杯測風儀阻塞比最值計算。

圖3 三杯測風儀三維模型

風杯組具有結構的對稱性，初步確定風杯組旋轉范圍為0°～120°。以任意2個風杯對稱靜止在轉軸兩側為旋轉的零點位置，順著一個方向將風杯組依次旋轉0°、20°、40°、60°、80°、100°和120°，得到各個旋轉角度下風杯組的迎風面，并計算出相應的面積。

圖4為迎風面積隨旋轉角度的變化趨勢。先均勻選取區(qū)間內的旋轉角度，描繪出一個大致趨勢(圖4a),后續(xù)逐漸細分旋轉角度區(qū)間，使得迎風面積的變化趨勢越來越清晰，直至出現最大迎風面積(圖4b、c、d)。

由圖4a可知，風杯組的迎風面積的變化周期是60°，因此在0°～60°內同樣以任意2個風杯對稱靜止在轉軸兩側為旋轉的零點位置，順著原先的方向依次旋轉10°、30°、50°。由圖4b可知，在0°～10°的變化趨勢與原先的變化趨勢不一致，在10°～60°的變化趨勢與原先的保持一致。

繼續(xù)細分旋轉角度，保持零點位置和旋轉方向不變，將風杯組依次旋轉5°、15°、55°，圖4c顯示風杯組的迎面面積在5°～15°存在1個峰值，在0°～5°和15°～60°的變化趨勢與原先保持一致，且這兩段區(qū)間的極值都小于5°～15°區(qū)間內的極值。因此，風杯組的迎風面積變化的最大值存在于5°～15°。

在5°～15°中，5°～10°呈上升，數據顯示迎風面積最大的是旋轉10°對應的迎風面，因此重點研究10°附近的迎風面積的變化。保持零點位置不變，順著原先的方向將風杯組依次旋轉7°、8°、9°，圖4d顯示，在5°～10°中，風杯組的迎風面積在5°～9°呈上升趨勢，在9°～10°呈下降趨勢，因此在5°～10°中風杯組的最大迎風面積是在9°處，為1067.6 mm2。

圖4 風杯組不同旋轉角度的迎風面積變化:(a)0°～120°，(b)0°～60°,(c)細分0°～60°,(d)細分0°～15°

3 計算結果

根據上述過程，整理可得三杯測風儀風杯組迎風面積與旋轉角度的函數關系曲線(圖5)。風杯組迎風面積隨著旋轉角度在908.2～1067.6mm2內連續(xù)變化，在0°～9°逐漸變大，在9°出現最大值，為1067.6 mm2；在9°～30°逐漸變小，在30°出現最小值，為908.2 mm2，最值相差159.4 mm2；在30°～60°逐漸變大，在60°出現極大值，為1035.9 mm2；隨后以60°為1個變化周期進行周期變化。

圖5 風杯組迎風面積與旋轉角度的函數關系曲線

基于不規(guī)則投影面存在理論計算難度，傳統(tǒng)的風杯組迎風面積采用2.5個圓形風杯面積估算。其估算值比實際最大迎風面積增加了約62 mm2，估算誤差約為5.8%。按照滿足阻塞比不大于0.05的要求換算，試驗風場的區(qū)域半徑至少要增加20 mm，橫截面積增加3.3%，相當于同樣情況下因為計算方法不同增加了試驗風場的建造成本，也不利于新型夾具固定點位置的確定。

在試驗風場中，一旦新型夾具的固定點位置確定，除風杯組外，其余部件的迎風面積都保持不變，因此，風杯組的迎風面積與旋轉角度的函數關系曲線的規(guī)律適用于三杯測風儀在風場中旋轉時迎風面積的變化情況。

取風杯組的最大迎風面積進行三杯測風儀的阻塞比計算，在保證風杯組處于以安裝橫截面圓心為原點，直徑為150 mm的區(qū)域的基礎上盡可能降低三杯測風儀的安裝高度以減少迎風面積降低阻塞比，并考慮風速表盤各個檢定點讀數方便等因素，最終確定新型夾具的固定點在三杯測風儀風速表盤圓心以上10 mm處。

經計算，這種情況下試驗風場的阻塞比最大值為0.04，比原先阻塞比最大值降低了0.03，降低比率為42%，試驗風場的阻塞效應得到了極大的改善。

4 驗證性試驗

4.1 試驗步驟和方法

微壓計、皮托靜壓管、手持溫濕度計組成實際風速測量系統(tǒng)。在EDE14A2型風洞的試驗段上使用新型夾具固定三杯測風儀，分別測量2 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s等6個測量點處的實際風速和三杯測風儀的測量示值vij(在第i個測量點的第j次讀數)。每個測量點讀數3次，取3次讀數的平均值作為該測量點三杯測風儀的指示風速。

大風洞試驗段尺寸為Φ500 mm×1320 mm，均勻性為0.8%，穩(wěn)定性為0.5%，是圓形截面的閉口開路型風洞。試驗時，風場的阻塞比為0.006，可忽略阻塞效應的影響，視為無壁洞約束的自由風場[9]。因此，在大風洞中測量得到三杯測風儀的指示風速可視為沒有受阻塞效應影響的指示風速，用來評價EDE14A2型風洞的阻塞效應的影響。

4.2 試驗結果討論

試驗數據表明，三杯測風儀的指示風速與實際風速的差值在±0.34 m/s內，小風洞和大風洞的指示風速一致較好。10 m/s、15 m/s、20 m/s、30 m/s 4個測量點處小風洞的指示風速分別和大風洞的指示風速相同，在2 m/s和25 m/s 2個測量點處小風洞的指示風速分別和大風洞的指示風速相差0.06 m/s和0.02 m/s，阻塞修正系數分別為0.976和0.999，誤差分別為2.4%和0.1%(表1)。

表1 各測量點三杯測風儀阻塞效應測試 m/s

三杯式風速儀的指示風速可通過檢定或校準的方式進行量值溯源，建立與實際風速的關系，保證數據的準確可靠[17]。在檢定中，如果三杯測風儀示值誤差在±(0.5+0.02v)內，則可判定該三杯測風儀合格[6]。在阻塞效應測試中，三杯測風儀的示值誤差均在允許誤差范圍內，因此可以判定三杯測風儀的計量性能良好，測得數據可靠有效。

由風洞、微壓計、皮托靜壓管等設備搭建的三杯測風儀示值誤差測量系統(tǒng)，其測量結果不確定度為3%(k=2)[18-19]。在阻塞效應測試中，測量方式、設備、環(huán)境等均與三杯測風儀示值誤差測量系統(tǒng)一致。因此，可以看作在不同阻塞比下進行的多組三杯測風儀示值誤差測量實驗。以在大風洞中測得的三杯測風儀示值誤差Δ0作為示值誤差最佳估計值，其結果不確定度為3%(k=2)。即在實際風速v下，三杯測風儀示值誤差以95%的包含概率分布在(Δ0-0.03v，Δ0+0.03v)區(qū)間內。計算可得，在小風洞中測得的三杯測風儀示值誤差Δ均落在(Δ0-0.03v，Δ0+0.03v)區(qū)間內(圖6)。因此在小風洞中測得的三杯測風儀示值誤差Δ可評價為三杯測風儀的示值誤差[20]，試驗風場的風速指示值與自由風場的風速指示值一致性良好。

圖6 三杯測風儀阻塞效應測試

實驗結果表明，試驗風場的阻塞效應的改善結果良好，在保證試驗風場的均勻性與穩(wěn)定性的基礎上，試驗風場得到了優(yōu)化與提升。

5 結論

(1)試驗風場的均勻性為0.4%。穩(wěn)定性為0.5%，在以安裝橫截面圓心為原點，直徑150 mm的區(qū)域內均勻性表現最優(yōu)。

(2)三杯測風儀的風杯組最大迎風面積出現在以任意2個風杯對稱靜止在轉軸兩側為原點偏轉9°處，為1067.6 mm2。

(3)與傳統(tǒng)估算相比，基于CAD計算三杯測風儀的最大迎風面積有效避免了約5.8%的計算誤差。

(4)在風杯組處于試驗風場的最優(yōu)均勻區(qū)域內的基礎上，優(yōu)化后的試驗風場阻塞比為0.04，降低了0.03，降低比率為42%。

(5)進行阻塞效應測試實驗，試驗風場和自由風場的指示風速一致性良好，試驗風場得到優(yōu)化與提升。