直流式風(fēng)洞縮尺模型氣體擴(kuò)散試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

萬 杰，楊 方

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，我國(guó)城市化不斷地推進(jìn)，人們對(duì)于空氣污染問題越來越重視。“十四五”規(guī)劃綱要重點(diǎn)提出，深入實(shí)施污染區(qū)域防治，建立健全綜合環(huán)境治理體系,推進(jìn)區(qū)域精準(zhǔn)、科學(xué)、依法、系統(tǒng)的治污,協(xié)同統(tǒng)籌推進(jìn)全面減污，不斷提高改善城市空氣污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)能力[1]。但是大氣的污染來源較為繁雜，大氣污染范圍無法控制。因此研究氣體污染擴(kuò)散機(jī)理可以更精準(zhǔn)的檢測(cè)和防治氣體污染。城市大氣污染來源是工業(yè)排放的廢氣和汽車排放的尾氣等[2]。在城市市區(qū)檢測(cè)環(huán)境中污染物氣體濃度及擴(kuò)散范圍難度較大，成本也較高，不利于同步采集數(shù)據(jù)，研究得到的氣體擴(kuò)散機(jī)理不夠還精準(zhǔn)，因此需要建立可研究氣體污染擴(kuò)散的風(fēng)洞裝置。利用相似性建立大氣環(huán)境縮尺模型得到實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞。

風(fēng)洞的設(shè)計(jì)利用了相似性原理。自然界物理學(xué)中的相似性主要是指相鄰兩個(gè)現(xiàn)象或者是兩個(gè)和以上相似現(xiàn)象間在物體外表性質(zhì)以及其他內(nèi)在現(xiàn)象規(guī)律性方面特征的相對(duì)一致性,在實(shí)際工程界應(yīng)用中的相似性則是主要指在“模型”之間與在“工程原型”之間的具有一致性?，F(xiàn)象與現(xiàn)象之間相似的必要條件是兩者之間單值性相似。滿足相似條件：幾何相似、邊界條件相似、物理?xiàng)l件相似則認(rèn)為單值性條件。風(fēng)洞的設(shè)計(jì)利用了相似性原理，復(fù)現(xiàn)大氣邊界層，再確定縮尺比例。通常風(fēng)洞模型縮尺比例系數(shù)的數(shù)值確定主要是要根據(jù)實(shí)際風(fēng)洞尺寸變形的比例大小等來計(jì)算確定。

風(fēng)洞裝置可以復(fù)現(xiàn)室外多變環(huán)境狀況，再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境中物體的物理現(xiàn)象，可更高效、便捷地發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，能夠建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并且提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)具有諸多優(yōu)點(diǎn)如可重復(fù)性、不受干擾因素影響、連續(xù)性、便捷且可視化等。高贊[3]研究對(duì)比了平坦地形和丘陵地形下粗糙子層高度范圍的氣溶膠污染物粒子平均縱向、垂向速度隨高度變化。李令令[4]設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞，其加入輻射、濕度、溫度、降雨等多參數(shù)條件，能夠科學(xué)計(jì)算建筑表面上的復(fù)雜換熱。田永強(qiáng)[5]等建立風(fēng)洞模型對(duì)結(jié)冰問題進(jìn)行研究,通過相似理論分析得到了若干無量綱參數(shù),并闡述了這些無量綱參數(shù)的含義。榮臻[6]利用蜂窩器、多層阻尼網(wǎng)等對(duì)風(fēng)洞管壁給與消聲處理，提升了風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)并且降低了流動(dòng)噪音。冷菊麗[7]研究3D 打印技術(shù)在風(fēng)洞中的應(yīng)用，分析了3D 打印技術(shù)工藝在提高風(fēng)洞模型質(zhì)量中的作用與原理。

對(duì)于城市大氣環(huán)境研究，通過建立縮尺模型，在風(fēng)洞中模擬城市市區(qū)的大氣環(huán)境，獲取污染氣體在大氣中擴(kuò)散規(guī)律，能夠節(jié)約成本且得到較準(zhǔn)的結(jié)果。利用風(fēng)洞裝置可更系統(tǒng)更科學(xué)的檢測(cè)氣體污染情況，對(duì)深度研究氣體污染擴(kuò)散機(jī)理大有裨益。

1 風(fēng)洞總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)洞為直流式低速風(fēng)洞，風(fēng)洞的縮比尺寸為1：300，風(fēng)洞的設(shè)計(jì)遵循幾何相似、物理相似、及動(dòng)態(tài)行為相似原則，風(fēng)洞整體長(zhǎng)寬高為12m、1.5m、1.8m，整體結(jié)構(gòu)分為動(dòng)力段，模擬段和試驗(yàn)段，風(fēng)洞的整體設(shè)計(jì)如下：

1.1 動(dòng)力段設(shè)計(jì)

動(dòng)力段由風(fēng)扇、變頻電機(jī)、風(fēng)扇段管道、支架組成。動(dòng)力段風(fēng)機(jī)需滿足實(shí)驗(yàn)所需最大風(fēng)速需求及風(fēng)壓需求。實(shí)驗(yàn)所需的最大風(fēng)速為10m/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)量Q 為97200m3/h，計(jì)算如下：

式中V為風(fēng)速m/s；A為風(fēng)洞截面積m2。

風(fēng)壓計(jì)算公式為：

式中Pq為全壓，Pa；Pb為動(dòng)壓，Pi為靜壓；為空氣密度，1.29kg/m3；R為風(fēng)洞壁面的單位磨擦阻力，L為風(fēng)洞長(zhǎng)度12m，k取1，為局部阻力與磨擦阻力損失之比，λ取0.035，v是流速10m/s，D為當(dāng)量直徑1.6m。計(jì)算得到，Pb=0.5ρv2=64.5Pa ；Pi=33.8 Pa,動(dòng)壓Pb為64.5pa，全壓98.3 pa 因此，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓至少為98.3pa。

1.2 模擬段設(shè)計(jì)

風(fēng)是一種自然界中的大氣運(yùn)動(dòng)。在大氣流過地球表面時(shí)候，由于地球表面不是的光滑的，存在著各種障礙物如：植被、山地、建筑群等，于是大氣流過時(shí)遇到這些障礙物便會(huì)產(chǎn)生阻力。當(dāng)大氣距離地面一定高度后，受到的阻力才可忽略不計(jì)，該遠(yuǎn)離地面的高度稱為大氣邊界層高度。由此看出，在大氣邊界層高度范圍內(nèi)，風(fēng)速隨高度變化。根據(jù)國(guó)家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，地貌可分為A、B、C、D 四類，如表1 所示：

表1 地貌分類及相關(guān)參數(shù)

1.2.1 大氣邊界層的設(shè)計(jì)

風(fēng)洞內(nèi)大氣邊界層的模擬方法通常有兩種，分為主動(dòng)模擬法和被動(dòng)模擬法。主動(dòng)模擬方法一般在進(jìn)口位置安裝射流、翼形葉柵等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)從而模擬出風(fēng)場(chǎng)；被動(dòng)模擬方法一般裝有擋板、尖劈和粗糙元等被動(dòng)發(fā)生裝置，即用物理靜態(tài)裝置來模擬大氣邊界層的湍流。主動(dòng)模擬裝置成本較高，安裝難度大。被動(dòng)模擬成本低，且能有效地模擬出所需的風(fēng)場(chǎng)。

本風(fēng)洞采用被動(dòng)模擬裝置。原理是在氣體來流沿高度方向上增加阻礙，將大氣減少動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橥膭?dòng)能，從而得到合理的流場(chǎng)。本風(fēng)洞采用的被動(dòng)裝置是三角形尖劈與粗糙元，如圖2 所示。

圖1 風(fēng)洞模型

圖2 尖劈與粗糙元

1.2.2 尖劈尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)加拿大學(xué)者Irwin[8]反復(fù)的試驗(yàn)歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式，以此進(jìn)行尖劈的設(shè)計(jì)。其研究得出尖劈的迎風(fēng)板可用來產(chǎn)生合理的湍流渦旋，風(fēng)速剖面的形成可由迎風(fēng)板的上窄下寬的形狀得到，湍流的強(qiáng)度可通過迎風(fēng)板的底邊寬度調(diào)整。其給出了尖劈的設(shè)計(jì)公式：

式中，H為風(fēng)洞的高度；?為尖劈的高度；b為三角形尖劈迎風(fēng)板底邊的寬度；δ為大氣邊界層的高度；α為地面粗糙度指數(shù)。

風(fēng)洞分為模擬段和試驗(yàn)段，模擬段模擬大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，試驗(yàn)段進(jìn)行污染氣體釋放實(shí)驗(yàn)。根據(jù)300：1 的縮比尺寸，大氣邊界層在風(fēng)洞中高度δ為1.5m，地面粗糙度指數(shù)α為0.22，風(fēng)洞橫截面的高度H為1.5m。

由公式得到，設(shè)計(jì)尖劈時(shí)尖劈高度位于1.31m～2.21m 范圍內(nèi)可模擬大氣邊界層。由于城市地貌的差異性和該計(jì)算公式的局限性，本風(fēng)洞設(shè)置的尖劈高度為1.6m。

1.2.3 粗糙元尺寸設(shè)計(jì)

僅利用尖劈得到的試驗(yàn)所需的大氣邊界層現(xiàn)有的地面的粗糙度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠的。為了彌補(bǔ)近地面的粗糙度和增加地面湍流度，需要在風(fēng)洞底部加以補(bǔ)充，于是加入粗糙元裝置。粗糙元的設(shè)計(jì)參考公式：

式中，k為粗糙元的高度；δ為縮比后風(fēng)洞內(nèi)邊界層的高度；D為兩個(gè)粗糙元點(diǎn)的點(diǎn)間距；Cp為表面摩擦系數(shù)；α為地面粗糙度指數(shù)。

取地面粗糙度指數(shù)α為0.22，粗糙元間距取0.5m，風(fēng)洞大氣邊界層的厚度δ取1.5m，經(jīng)計(jì)算得到粗糙元高度為0.06m。由于風(fēng)洞內(nèi)氣體流過6 倍的尖劈高度距離的后風(fēng)場(chǎng)方能趨于穩(wěn)定，因此粗糙元分布總長(zhǎng)度為9.6m。均勻布置粗糙元，將粗糙元成梅花狀交錯(cuò)安置在風(fēng)洞底部。風(fēng)洞的尺寸參數(shù)如表2 所示。

表2 風(fēng)洞尺寸參數(shù)

1.3 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

本風(fēng)洞設(shè)計(jì)用于研究城市市區(qū)大氣環(huán)境下氣體污染物擴(kuò)散規(guī)律，因此在風(fēng)洞中加入了氣體污染物釋放裝置。在試驗(yàn)段處開孔并且連通氣體釋放裝置?；谙嗨圃碇袔缀蜗嗨圃瓌t，所研究的城市市區(qū)空間區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)375m、寬300m、高50m 的建筑群，計(jì)算縮尺比例同樣應(yīng)遵循300：1 的比例，則得到試驗(yàn)段建筑模型空間尺寸為長(zhǎng)1.25m、寬1m，高0.16m。

圖3 試驗(yàn)段布局

為了模擬風(fēng)洞內(nèi)城市街區(qū)內(nèi)餐飲污染物和汽車排放污染物，在試驗(yàn)段底部進(jìn)行開孔，開孔位置位于建筑模型下方。建筑模型連接示蹤氣體管道裝置。因?yàn)椴惋嬘蜔熂捌囄矚馀欧艦槎帱c(diǎn)源排放且排放濃度不一，因此，需要布置多種示蹤氣體及管道，每條氣體支路管道具有獨(dú)立的閥門控制氣體釋放。氣體管道上裝有流量計(jì)，監(jiān)測(cè)氣體釋放量。

如圖所示，建筑群內(nèi)道路兩側(cè)商業(yè)餐飲油煙多源排放由氣瓶1 和氣瓶2 控制的示蹤氣體釋放表示。商業(yè)街內(nèi)道路上汽車尾氣排放由氣瓶3 和氣瓶4 控制的示蹤氣體釋放表示。

2 模擬驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)，對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證風(fēng)洞的可行性。在ANSYS 軟件中對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行建模，去除不影響計(jì)算結(jié)果的模型特征，進(jìn)行模擬模型優(yōu)化，模型如圖5 所示：

圖5 風(fēng)洞仿真模型

圖6 風(fēng)洞實(shí)物面模型

2.1 流場(chǎng)驗(yàn)證

為在縮尺模型中模擬風(fēng)在大氣邊界層高度內(nèi)的流動(dòng)，需根據(jù)相似原理得到大氣邊界層內(nèi)的湍流強(qiáng)度分布、湍流積分尺度和平均風(fēng)速分布。對(duì)模型試驗(yàn)段結(jié)果從高度方向每隔0.2 建立平面，并進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)提取。風(fēng)洞試驗(yàn)段速度場(chǎng)如圖7 所示，風(fēng)洞截面風(fēng)速如圖7 所示：

圖7 試驗(yàn)段橫截面風(fēng)速

圖7 表明試驗(yàn)段處風(fēng)速底部風(fēng)速較低，頂部風(fēng)速較高，且試驗(yàn)段底部風(fēng)速梯度較大。因?yàn)橹谎芯看髿膺吔鐚咏孛媲闆r，因此大氣高度上升到一定高度后的大氣情況不用考慮，因此風(fēng)場(chǎng)滿足所研究的大氣環(huán)境。從圖7 中可知風(fēng)速?gòu)南峦舷瓤焖僭龃蠖筅呌诤愣?。圖8 表明流場(chǎng)前端不穩(wěn)定風(fēng)速變化劇烈，當(dāng)長(zhǎng)度超過六倍尖劈高度后趨于穩(wěn)定。風(fēng)洞前段尖劈的存在使得風(fēng)速梯度發(fā)生變化，粗糙元增加了底部氣流的湍能。從圖8 可看出風(fēng)洞后端試驗(yàn)段處的流場(chǎng)處穩(wěn)定狀態(tài)，因此可用作污染氣體擴(kuò)散研究。

圖8 風(fēng)洞縱截面風(fēng)速

湍流強(qiáng)度用于衡量大氣湍流特性，可利用脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到。在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中我國(guó)明確規(guī)定了湍流強(qiáng)度計(jì)算方法，如下所示：

式中，IZ為高度z處的湍流強(qiáng)度；I10為高度10m 處的湍流強(qiáng)度。根據(jù)地貌，該名義湍流強(qiáng)度值不同；如表1所示，α為地貌粗糙度指數(shù)。計(jì)算得到，城市市區(qū)大氣湍流度剖面如圖9 所示：

圖9 城市風(fēng)的湍流度剖面圖

在大氣邊界層中，通常認(rèn)為邊界層內(nèi)中任意一點(diǎn)處的速度時(shí)程是經(jīng)過平均風(fēng)所運(yùn)輸?shù)牟煌叨鹊男郎u累加而成。旋渦的平均尺度以及脈動(dòng)能量的分布決定著來流的湍流的特性。湍流積分尺度與地面粗糙度有關(guān)[10]。

湍流積分尺度計(jì)算式為：

圖10 城市風(fēng)的湍流積分尺度圖

平均風(fēng)剖面用于表示大氣邊界層中平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律。同樣根據(jù)國(guó)家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)采用的平均風(fēng)剖面是指數(shù)平均風(fēng)剖面。指數(shù)平均風(fēng)剖面由Davenport A G[11]整理、歸納而來。

圖11 城市市區(qū)平均風(fēng)剖面

圖12 中黑線為C 類地貌環(huán)境平均風(fēng)速線，藍(lán)色D 線為D 類地貌環(huán)境平均風(fēng)速線，紅色E 線為本設(shè)計(jì)的風(fēng)洞脈動(dòng)風(fēng)速線，本風(fēng)洞風(fēng)速線介于C 類與D 類地貌環(huán)境的風(fēng)速線之間。C 類地貌風(fēng)速隨高度增長(zhǎng)較慢，D類地貌風(fēng)速隨高度增長(zhǎng)較快?？梢奃 類地貌風(fēng)速梯度更大。C 類與D 類地貌都是城市地貌，兩者之間的差別在于城市內(nèi)建筑物高度不同，因此本風(fēng)洞可用于模擬城市市區(qū)風(fēng)場(chǎng)。

圖12 風(fēng)速變化對(duì)比

3 結(jié)論

本文在以往的風(fēng)洞研究下，設(shè)計(jì)了縮尺比300：1的直流式低速風(fēng)洞。采用被動(dòng)模擬裝置，對(duì)建筑模型、尖劈、粗糙元等尺寸參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞添加了可進(jìn)行氣體釋放的氣體管道裝置，并給出了氣體釋放裝置連接圖。計(jì)算了300：1縮尺比下風(fēng)洞的平均風(fēng)剖面、湍流積分尺度等參數(shù)?？捎么孙L(fēng)洞研究多污染源氣體的城市內(nèi)的污染擴(kuò)散情況。本文對(duì)設(shè)計(jì)的直流式低速風(fēng)洞進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了此風(fēng)洞可模擬大氣邊界層，可用作城市氣體污染物擴(kuò)散研究。