回流式低速風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)特性實(shí)驗(yàn)研究

胡丹梅, 陳云浩, 張開(kāi)華, 張智偉

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.上海綠色環(huán)保能源有限公司, 上海 200433)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流,模擬飛行器或?qū)嶓w周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情況,用來(lái)量度氣流對(duì)實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這也是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具之一。大型風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備被視為國(guó)家的戰(zhàn)略資源。由于建設(shè)風(fēng)洞的目的就是要在風(fēng)洞的試驗(yàn)段獲得均勻、可控制的試驗(yàn)氣流,滿(mǎn)足模型氣動(dòng)力試驗(yàn)的要求,因此必須對(duì)流場(chǎng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)進(jìn)行鑒定[1]。根據(jù)流速的范圍分類(lèi),馬赫數(shù)小于0.3的風(fēng)洞稱(chēng)為低速風(fēng)洞;馬赫數(shù)在0.3～ 0.8范圍內(nèi)的風(fēng)洞稱(chēng)為亞音速風(fēng)洞;馬赫數(shù)在 0.8～1.2范圍內(nèi)的風(fēng)洞稱(chēng)為跨音速風(fēng)洞;馬赫數(shù)在1.2～5.0范圍內(nèi)的風(fēng)洞稱(chēng)為超音速風(fēng)洞;馬赫數(shù)大于或等于5.0的風(fēng)洞稱(chēng)為高超音速風(fēng)洞[2]。低速回流式風(fēng)洞廣泛用于風(fēng)速測(cè)量?jī)x表的檢測(cè)。風(fēng)洞的流速下限能力、流場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性以及紊流度是風(fēng)洞重要的性能指標(biāo)[3]。隨著我國(guó)飛行器技術(shù)的迅速發(fā)展,研究人員對(duì)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)精度要求也越趨嚴(yán)格。因此,準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)洞的速度偏差度對(duì)低速回流式風(fēng)洞研究至關(guān)重要[4]。

國(guó)外對(duì)風(fēng)洞的研究較早。早在20世紀(jì)30年代前后,隨著早期螺旋槳飛機(jī)的發(fā)展,為了研究飛行遇到的空氣動(dòng)力問(wèn)題,發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始建造大型低速風(fēng)洞[5]。如美國(guó)建設(shè)了18.288 m×9.144 m的全尺寸風(fēng)洞。ROBERT P J等人[6]在1995年第6屆國(guó)際航空航天飛機(jī)和高超音速技術(shù)會(huì)議上提出兩種乘波飛行器的低速風(fēng)洞測(cè)試報(bào)告,分別從升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比、俯仰力以及穩(wěn)定性方面對(duì)兩種模型進(jìn)行了比較。AHMED H H等人[7]利用煙霧將低速風(fēng)洞轉(zhuǎn)換成流動(dòng)可視化風(fēng)洞,觀察風(fēng)洞內(nèi)的流場(chǎng)情況。

總的來(lái)說(shuō),目前國(guó)外對(duì)于大型風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量仍存在較大難度,基本都是通過(guò)仿真模擬等手段來(lái)進(jìn)行測(cè)量。本文嘗試通過(guò)一系列精密的皮托管來(lái)詳細(xì)的測(cè)量風(fēng)洞內(nèi)各點(diǎn)的準(zhǔn)確風(fēng)速,進(jìn)而得到整個(gè)風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)的大致情況。

1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)總體性能指標(biāo)

1.1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

上海電力大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室建成的風(fēng)洞屬于低速回流式風(fēng)洞,試驗(yàn)段為開(kāi)閉兩用,尺寸為1.4 m×1.4 m×0.31 m的矩形切角截面,長(zhǎng)度為1.8 m。穩(wěn)定段內(nèi)采用1層蜂窩器和2層阻尼網(wǎng)進(jìn)行整流,提高了試驗(yàn)段的流場(chǎng)均勻性,并降低了湍流度[8]。動(dòng)力段采用風(fēng)扇-止旋片構(gòu)型風(fēng)扇系統(tǒng)作為動(dòng)力源,由12片槳葉和7片止旋片組成。收縮段的收縮比為 5.44,入口為方形截面,出口截面為矩形切角,收縮曲線選取常用的雙三次收縮曲線[9]。低速回流式風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)示意[10]如圖1所示。圖1中數(shù)據(jù)單位均為mm。

圖1 低速回流式風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)示意

1.2 流場(chǎng)總體性能指標(biāo)

低速風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)的內(nèi)容主要有:風(fēng)速范圍、動(dòng)壓穩(wěn)定性(速度不穩(wěn)定性)、動(dòng)壓場(chǎng)(速度場(chǎng)不均勻性)、局部氣流偏角及湍流度等[11]。根據(jù)《高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)規(guī)范(GJB 1179—1991)》要求,本風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)為:風(fēng)速范圍0.2～50 m/s,連續(xù)可調(diào);速度偏差度μ≤0.3%。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法與結(jié)果

2.1 流場(chǎng)橫截面整體測(cè)量

由于風(fēng)洞橫截面是正方形切角截面,橫向和縱向邊長(zhǎng)都為1.4 m,將四角忽略,其余部分12等分,將流速探頭置于每個(gè)正方形中心點(diǎn)處。本次測(cè)試采用全截面動(dòng)態(tài)風(fēng)量自動(dòng)標(biāo)定裝置(專(zhuān)利號(hào):201821347819.5)及標(biāo)準(zhǔn)l型皮托管。主要利用皮托管原理將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)化為流速信號(hào),一次性將所有流速探頭裝入風(fēng)道,采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取計(jì)算,自動(dòng)修正皮托管系數(shù),實(shí)時(shí)顯示管道內(nèi)平均風(fēng)速、流量及流場(chǎng)分布狀況。在風(fēng)洞內(nèi)布置測(cè)試點(diǎn),將傳感器探頭安裝于測(cè)量桿上,長(zhǎng)桿每根1.35 m,短桿每根0.8 m。將12個(gè)傳感器有序置于其中并記錄下位置。最后將傳感器接入測(cè)試儀器,分別對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào),測(cè)量其中心的流速、溫度,忽略四角的3個(gè)三角形。每?jī)蓚€(gè)測(cè)試點(diǎn)間相距0.35 m,兩側(cè)及上下離壁0.175 m。此外,由于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不確定度量值的大小來(lái)評(píng)定的,因此數(shù)據(jù)不確定度評(píng)估是整個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)過(guò)程的關(guān)鍵。通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度來(lái)保證實(shí)驗(yàn)的可信度[12]。流速測(cè)量?jī)x器安裝照片示意及風(fēng)洞橫截面流場(chǎng)區(qū)域編號(hào)如圖2所示。

圖2 流速測(cè)量?jī)x器安裝照片及風(fēng)洞橫截面流場(chǎng)區(qū)域編號(hào)

利用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出速度分布曲線圖,橫坐標(biāo)1～12表示的是圖2標(biāo)注的12個(gè)區(qū)域中心,縱坐標(biāo)表示其在風(fēng)洞內(nèi)測(cè)得的實(shí)時(shí)風(fēng)速。根據(jù)式(1)計(jì)算出速度的偏差度μ。

(1)

式中:ν實(shí)——實(shí)測(cè)當(dāng)前位置下所測(cè)的風(fēng)速;

ν目——目標(biāo)風(fēng)速。

不同風(fēng)速下試驗(yàn)段各區(qū)域速度的偏差度如表1所示。

表1 不同風(fēng)速下試驗(yàn)段各區(qū)域速度的偏差度μ

由表1可以看出,各標(biāo)記區(qū)域傳感器實(shí)測(cè)風(fēng)速與目標(biāo)風(fēng)速相差不大。且從5 m/s至35 m/s,各點(diǎn)位置傳感器所測(cè)速度平均偏差度低于3%,表明該橫截面速度場(chǎng)穩(wěn)定。以風(fēng)速為15 m/s為例,12區(qū)域中心所測(cè)風(fēng)速擬合成的三維曲面如圖3所示。

圖3 風(fēng)速為15 m/s時(shí)試驗(yàn)段內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)及邊壁速度分布曲面

由圖3可以看出,試驗(yàn)段中心的速度高于兩側(cè)壁面的速度,且呈現(xiàn)越往兩側(cè)越低的趨勢(shì)。

2.2 試驗(yàn)段橫向速度對(duì)比

將橫向1.4 m均勻分成8份,取每份中心點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn),且相鄰兩點(diǎn)間相距0.35 m,實(shí)驗(yàn)采用1.35 m的測(cè)量桿,上接傳感器將測(cè)試所用連接線盡量包裹于桿背后,以減少實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。同樣將8個(gè)傳感器所接管道按順序接入測(cè)試儀器。標(biāo)記1～8分別為從左至右在風(fēng)洞內(nèi)測(cè)的8個(gè)點(diǎn)。以平行于地面為X軸,實(shí)測(cè)風(fēng)速為Y軸,繪制速度分布散點(diǎn)圖。橫向安裝照片及各風(fēng)速下試驗(yàn)段內(nèi)橫向各測(cè)試點(diǎn)速度分布散點(diǎn)示意如圖4所示。

圖4 橫向安裝照片及各風(fēng)速下試驗(yàn)段內(nèi)橫向各測(cè)試點(diǎn)速度分布散點(diǎn)示意

由圖4(b)可知:在固定風(fēng)速狀態(tài)下,風(fēng)洞內(nèi)中央風(fēng)速由于邊壁效應(yīng)往往大于壁面兩端的速度;整體來(lái)看,用單根測(cè)量桿布置傳感器所測(cè)風(fēng)速在目標(biāo)風(fēng)速兩側(cè)小范圍波動(dòng),影響較小,曲線更明顯;而利用2根測(cè)量桿布置傳感器,由于傳感器過(guò)于密集,會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響;隨著風(fēng)速的增大,擬合曲線變得越來(lái)越陡,即風(fēng)速越大邊壁效應(yīng)越明顯。

2.3 試驗(yàn)段縱向速度對(duì)比

將縱向1.4 m平均分成8份,取每份中心點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn),相鄰兩點(diǎn)間相距0.35 m,實(shí)驗(yàn)采用1.35 m長(zhǎng)的測(cè)量桿,保證桿上所連傳感器線纜之間互不影響且不阻擋風(fēng),盡量將其置于傳感器之后,不妨礙桿上8個(gè)點(diǎn)的傳感器接收風(fēng)。將管道一端與傳感器連接,一端與測(cè)量?jī)x器相連,中間連接線綁定于桿上以免其被強(qiáng)風(fēng)吹起,干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)風(fēng)速的采集。從下往上分別標(biāo)記傳感器為1～8,將垂直于地面方向標(biāo)注為Y軸,風(fēng)速為X軸,繪制出速度分布散點(diǎn)圖?？v向安裝照片及不同風(fēng)速下試驗(yàn)段內(nèi)縱向各位置速度分布散點(diǎn)示意如圖5所示。

圖5 縱向安裝照片及不同風(fēng)速下試驗(yàn)段內(nèi)縱向各位置速度分布散點(diǎn)示意

由圖5(b)可知:在各風(fēng)速條件下,風(fēng)洞頂部與底部風(fēng)速小于風(fēng)洞中心的風(fēng)速,且這一變化在越高風(fēng)速狀態(tài)下越明顯;曲線彎曲程度隨風(fēng)速的增大而增大,風(fēng)洞頂端與底部的風(fēng)速都低于中間的風(fēng)速;在風(fēng)洞內(nèi),風(fēng)速受邊壁效應(yīng)的影響,頂部與底部靠近壁面處風(fēng)速小于風(fēng)洞中心的速度,且風(fēng)速越大相差越大。

3 粒子圖像測(cè)速

粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry,PIV)作為一種先進(jìn)的非接觸式流動(dòng)測(cè)速技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)速度場(chǎng)的測(cè)量[13],同時(shí)PIV能夠從微觀的角度測(cè)量復(fù)雜流場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)并使其可視化[14]。流場(chǎng)測(cè)試所使用的PIV系統(tǒng)是二維粒子圖像測(cè)速系統(tǒng),包括雙諧振脈沖式Nd:YAG激光器、Imagers CMOS互/自相關(guān)數(shù)字相機(jī)、可編程同步控制器和mDavis8.4圖像處理軟件。激光器的最大工作頻率為10 Hz,每個(gè)脈沖能量高達(dá)200 mJ;脈沖光采用Qswitch觸發(fā)方式獲得,脈寬為5～10 ns,輸出的激光束(綠光)波長(zhǎng)為532 nm。相機(jī)的分辨率為1 024×1 024像素,最大工作頻率為15 Hz。選擇粒徑0.2 μm以下的祭祀燃香煙霧粒子作為示蹤粒子,根據(jù)簡(jiǎn)化估算,該示蹤粒子在亞音速流動(dòng)中的跟隨性不低于99%[15]。風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及PIV測(cè)量系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及PIV測(cè)量系統(tǒng)

以尖速比λ=1.9,來(lái)流風(fēng)速V=12 m/s,沿葉高展向0.2R(R為風(fēng)輪半徑)的葉高平面內(nèi)測(cè)量的流場(chǎng)為例,分析塔筒近尾跡速度場(chǎng)的分布。PIV測(cè)量區(qū)域如圖7所示。圖7中水平面為橫軸,垂直于地面方向?yàn)榭v軸,所測(cè)的速度分布結(jié)果如圖8所示。其中,c為截面弦長(zhǎng),即該葉高截面翼型的弦長(zhǎng)。

圖7 PIV測(cè)量區(qū)域示意

圖8 λ=1.9,V=12 m/s,0.2R葉高平面下近尾跡軸向速度分布

由圖8(a)可知,由于葉輪旋轉(zhuǎn)和塔筒的遮擋,在風(fēng)力機(jī)塔筒下游形成了一條軸向速度降低的近尾跡區(qū);而在圖8(b)軸向速度沿y軸分布曲線中,隨著軸向距離的增大,軸向速度的虧損逐漸減小,近尾跡寬度略有擴(kuò)展,尾跡的寬度范圍以及尾跡中心的位置都向y軸負(fù)方向移動(dòng)。其中,軸速向速度與來(lái)流風(fēng)速垂直。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 流場(chǎng)橫截面整體測(cè)量

通過(guò)流場(chǎng)橫截面整體測(cè)量,從圖3可以看出,流場(chǎng)中心的風(fēng)速遠(yuǎn)高于邊壁處的速度,隨著距邊壁處的距離越小,風(fēng)速也變得越小。計(jì)算與目標(biāo)風(fēng)速的偏差度,可以得出平均偏差度最小時(shí)的風(fēng)速,以此時(shí)的風(fēng)速做三維曲面圖。計(jì)算發(fā)現(xiàn),各風(fēng)速下各位置偏差度都低于3%,可知該風(fēng)洞截面速度場(chǎng)穩(wěn)定,流場(chǎng)均勻。

4.2 流場(chǎng)橫向測(cè)量

通過(guò)試驗(yàn)段橫向速度分布散點(diǎn)圖可知,在固定風(fēng)速狀態(tài)下,風(fēng)洞內(nèi)中央風(fēng)速由于邊壁效應(yīng)往往大于壁面兩端的速度,且隨著風(fēng)速的增大,擬合曲線變得越來(lái)越陡,即風(fēng)速越大邊壁效應(yīng)越明顯。

4.3 流場(chǎng)縱向測(cè)量

通過(guò)縱向速度分布散點(diǎn)圖可以看出,在各風(fēng)速條件下,風(fēng)洞頂部和底部風(fēng)速小于風(fēng)洞中心的風(fēng)速,且這一變化在越高風(fēng)速狀態(tài)下越明顯。曲線彎曲程度隨風(fēng)速的增大而增大,風(fēng)洞頂端和底部的風(fēng)速都低于中間的風(fēng)速。

4.4 PIV測(cè)量

由于葉輪旋轉(zhuǎn)和塔筒的遮擋,在風(fēng)力機(jī)塔筒下游形成了一條軸向速度降低的近尾跡區(qū)。受風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響,風(fēng)力機(jī)塔筒近尾跡流場(chǎng)相對(duì)于塔筒中心軸面呈非對(duì)稱(chēng)分布。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫秸麄€(gè)風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)的大致走向,對(duì)風(fēng)速進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論:此風(fēng)洞中央風(fēng)速高,由于兩邊風(fēng)速受固體邊壁黏性摩擦逐漸降低,故而低于中心風(fēng)速。該特征表明此風(fēng)洞均勻性分布較好,適合開(kāi)展后續(xù)工程研究。

傳統(tǒng)的皮托管測(cè)量會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生擾流,進(jìn)而影響原始風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。采用非介入式測(cè)量方式如粒子成像測(cè)速或激光多普勒測(cè)速,可減

少傳感器對(duì)流場(chǎng)的干擾,能更細(xì)致地觀察場(chǎng)內(nèi)情況。但該方法布置復(fù)雜,且粒子直徑會(huì)影響流場(chǎng)測(cè)量的精度并擾亂原有的流場(chǎng)。

本文通過(guò)自主研發(fā)的全截面動(dòng)態(tài)風(fēng)量自動(dòng)標(biāo)定裝置精確測(cè)量某點(diǎn)風(fēng)速,通過(guò)orange繪制三維立體圖清楚觀察風(fēng)洞內(nèi)的流場(chǎng)分布。相比傳統(tǒng)測(cè)速方式,PIV能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)速度場(chǎng)的測(cè)量,分析粒子的流動(dòng)及成像,從微觀上解決了實(shí)際問(wèn)題并使其可視化,但安裝較為繁瑣。