計(jì)量用低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真研究

1、計(jì)量用低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真研究摘要：為準(zhǔn)確分析風(fēng)洞結(jié)構(gòu)參數(shù)對所產(chǎn)生的風(fēng)場穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以現(xiàn)有低速風(fēng)洞為藍(lán)本，通過改變其試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)參數(shù)建 立多個不同參數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；采用ansys CFD對建立的多個新模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)流體仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，找出風(fēng)洞收縮段 曲線結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對試驗(yàn)段軸向風(fēng)速梯度和法向風(fēng)速均勻性的影響；仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)段法向中心面的有效試驗(yàn)區(qū)的均勻 性系數(shù)隨著收縮段長度增加而減小，到一定程度趨于穩(wěn)定，風(fēng)洞模型在L3cm后風(fēng)場均勻性系數(shù)基本處于穩(wěn)定，試驗(yàn)段前半 段的風(fēng)速軸向梯度明顯大于后半段的風(fēng)速軸向梯度，有效試驗(yàn)區(qū)域多集中在后半段，風(fēng)洞模型中軸向有效試驗(yàn)區(qū)域x（1# 1

2、5） cm,可以為風(fēng)洞的設(shè)計(jì)提供可靠參考關(guān)鍵詞：計(jì)量用風(fēng)洞；CFD仿真；軸向梯度；法向均勻性Simulation Research on Structural Parameters of LowVelocity Wind Tunnel for MetrologyAbstract: In order to analyze the influence of the structural parameters of the wind tunnel on the stability of the generated wind field，based on the existing lowspeed w

3、ind tunnel，establish multple test models with different parameters by changing the structural parameters of the test section； Ansys CFD is used to simulate the structure of multiple new models，and the simulation results are fitted to find out the influence of the changeO in the Otructure parameterO

4、of the wind tunnel contraction Oection on the axial wind speed gradient and the normal wind speed uniformity； The simulation experiment results show that the uniformity coefficient of the effectMe test area of the normal center plane of the test section decreases with the ncrease of the length of th

5、e contraction section, and stabilizes to a certain extent. The wind tunnel model has a basic unformtty coefficient of the wind field after L23 cm. After the wind tunnel model L23 cm，the wind field uniformity coefficient is bascally stable. The axial gradient of wind speed in the first half of the te

6、st section is obviously greater than that in the second half. The effectMe test area is mostly concentrated in the second half. The effectve test area of the wind tunnel model central axis x（1015） cm can provdde a reliable reference for wind tunnel design。Keywords: low veloctty wind tunnel for metro

7、logy； CFD simulation； axial gradient； normal unformtty?引言風(fēng)洞是一種通過電子機(jī)械控制的產(chǎn)生可控氣流的人造 裝置，20世紀(jì)40年代國外已經(jīng)開始建造適合不同用處的風(fēng) 洞裝置，迄今為止風(fēng)洞的設(shè)計(jì)建造已經(jīng)得到了很大的發(fā)展， 風(fēng)洞用途已經(jīng)擴(kuò)展到汽車、航空航天、新型儀器環(huán)境試驗(yàn) 等多方面，近些年計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展又極大地推動了 風(fēng)洞的設(shè)計(jì)，風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ驳玫搅藰O大提高，技術(shù)的 進(jìn)步導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)對風(fēng)洞的性能要求越來越高，效率低、性能 差的實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞必將被淘汰。計(jì)量用風(fēng)洞是進(jìn)行風(fēng)速傳感器檢定校準(zhǔn)的重要輔助設(shè) 備。其試驗(yàn)段風(fēng)場特性直接關(guān)系到風(fēng)速傳感器的量值溯

8、源 的有效性，按照產(chǎn)生風(fēng)速的大小，可分為低速、高速和超 高速3種類型，按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可分為直流式和回流式。低 速直流式風(fēng)洞由于易于設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，造價較低被廣泛 使用，計(jì)量用直流低速風(fēng)洞其上限流速為30 m/s,它主要 由穩(wěn)定段、試驗(yàn)段、收縮段、擴(kuò)散段等幾部分組成（F。由 于其主要用于風(fēng)速傳感器的量值溯源，因此對試驗(yàn)段的流 場品質(zhì)有較高要求，如對試驗(yàn)段的風(fēng)場穩(wěn)定性、軸向風(fēng)速 梯度、法向風(fēng)速分布均勻性等，都高于一般風(fēng)洞。風(fēng)洞風(fēng) 場品質(zhì)的優(yōu)劣與諸多因素有關(guān)，但收縮段的結(jié)構(gòu)參數(shù)起著 至關(guān)重要的作用。直流低速風(fēng)洞收縮段的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包 括收縮段曲線參數(shù)和收縮段前后截面比，其中截面比即收 縮比，關(guān)系到試驗(yàn)

9、段風(fēng)速大小，一般在風(fēng)洞設(shè)計(jì)之初根據(jù) 風(fēng)洞設(shè)計(jì)的目的和使用領(lǐng)域已經(jīng)確定，因而收縮曲線的結(jié) 構(gòu)參數(shù)對風(fēng)洞的整體性能特別是試驗(yàn)段的性能參數(shù)具有極 其重要意義（2由。目前收縮段收縮曲線主要有維托曲線、三 次曲線、五次曲線，維托曲線在設(shè)計(jì)中最常用45）。本文使 用ansys CFD對不同的維托曲線參數(shù)下構(gòu)建的風(fēng)洞洞體模型進(jìn)行仿真并對比分析，揭示風(fēng)洞內(nèi)部產(chǎn)生的風(fēng)場運(yùn)動機(jī) 理，重點(diǎn)比較不同長度維托曲線構(gòu)造的風(fēng)洞模型的法向風(fēng) 場均勻性和軸向風(fēng)速梯度，通過數(shù)據(jù)擬合，估算出最優(yōu)長 度參數(shù)，為計(jì)量用低速風(fēng)洞洞體設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)#1洞體結(jié)構(gòu)及模型 1風(fēng)洞結(jié)構(gòu)本文研究的計(jì)量用低速風(fēng)洞以現(xiàn)有的EDE14A2型風(fēng)洞 為藍(lán)本

10、，該風(fēng)洞主要用于輕便三杯，熱線風(fēng)速儀等小型測 風(fēng)儀器的風(fēng)速傳感器量值溯源，該風(fēng)洞殼體以玻璃鋼為主 要材料，風(fēng)洞動力系統(tǒng)主要是通過電動馬達(dá)帶動風(fēng)洞前端 扇葉，使風(fēng)洞前后兩端產(chǎn)生壓差，以驅(qū)動空氣在洞體內(nèi)流 動，風(fēng)洞前后兩端采用圓形截面的閉口開路型形式，洞體 三維模型見圖1#洞體由進(jìn)氣段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn) 段、擴(kuò)散段等部分組成#圖1 風(fēng)洞洞體三維模型穩(wěn)定段是為收縮段創(chuàng)造穩(wěn)定的低湍流的均勻流場，它 是風(fēng)洞能否達(dá)到低湍流度的一個十分重要的關(guān)鍵部位，主 要由湍流衰減裝置(一般為阻尼網(wǎng)和蜂窩器構(gòu)成)組成， 蜂窩器將進(jìn)氣口處較大的氣團(tuán)打散，形成均勻分布的小型 氣團(tuán)，再經(jīng)過阻尼器將氣團(tuán)進(jìn)一步平滑，減小其湍流

11、度， 經(jīng)蜂窩器和阻尼網(wǎng)整流后形成較為平滑的風(fēng)場，該風(fēng)場通 過穩(wěn)定段經(jīng)過收縮段加速至所需風(fēng)速供試驗(yàn)段使用如 果穩(wěn)定段的性能不達(dá)要求，則進(jìn)入收縮段的氣流湍流度較 大，流出的氣流不均勻，甚至經(jīng)過收縮段加速后的氣流還 會產(chǎn)生大尺度的渦旋，會嚴(yán)重影響試驗(yàn)段風(fēng)場的均勻性和 穩(wěn)定性，穩(wěn)定段的長度也會對試驗(yàn)段的風(fēng)場產(chǎn)生影響，根 據(jù)風(fēng)洞收縮比可以估算出穩(wěn)定段的最大長度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)長 度應(yīng)該為直徑的0.7倍左右#蜂窩器的可選形狀較多，有六邊形、圓形、方形等結(jié) 構(gòu)，其中風(fēng)場經(jīng)過六邊形蜂窩器時損失系數(shù)最小，且經(jīng)過其 整流風(fēng)場流動的均勻性最好#阻尼網(wǎng)安裝于蜂窩器和收縮段 之間，主要作用是把經(jīng)過蜂窩器的流場進(jìn)一步切割，使其

12、更 為均勻，阻尼網(wǎng)網(wǎng)孔的大小根據(jù)實(shí)驗(yàn)為網(wǎng)絲直徑的500倍左 右，一般越小越好，但是過小風(fēng)場的損失系數(shù)較大#收縮段是風(fēng)場的加速區(qū)域，其關(guān)鍵參數(shù)是其收縮比， 該參數(shù)是收縮段入口處和出口處的橫截面比值，收縮段出 口處風(fēng)場分布是否均勻，洞壁是否發(fā)生分離，方向是否平 直且穩(wěn)定，是評價其優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)風(fēng)洞的不同用 途選擇合適的收縮比對風(fēng)洞進(jìn)行設(shè)計(jì)#試驗(yàn)段是風(fēng)洞的核 心部位，風(fēng)速傳感器一般置于此處進(jìn)行測量和校準(zhǔn)，試驗(yàn) 段性能的好壞可以通過風(fēng)洞工作效率和經(jīng)過的風(fēng)場品質(zhì)進(jìn) 行評價，它的風(fēng)場均勻性和風(fēng)速梯度等參數(shù)是檢驗(yàn)收縮段 維托曲線參數(shù)設(shè)置是否合理的依據(jù)#L2收縮曲線在設(shè)計(jì)風(fēng)洞時，風(fēng)洞收縮段的收縮曲線一般

13、要求較高， 為避免氣流進(jìn)入收縮段產(chǎn)生氣壁分離，收縮段的曲線函數(shù) 要二階可導(dǎo)，目前常用的收縮曲線主要有三次、五次方曲 線、維氏曲線等三類#通過matlab繪圖對上述3種曲線進(jìn) 行對比，維氏曲線的出口處最為平緩，與試驗(yàn)段過渡最為 平滑，說明氣流通過該種曲線設(shè)計(jì)的收縮段出口過沖較小， 可以很好的保護(hù)進(jìn)入試驗(yàn)段的流暢品質(zhì)#風(fēng)洞收縮段采用維托曲線見圖2#圖2維托曲線維托曲線公式為：6-7(:(1)式中，R為收縮段入口處半徑* R為收縮段出口處半徑(1)R為軸向距離為衛(wèi)處的法向距離* L為維托曲線軸向長度#數(shù)值模型s.計(jì)量用低速風(fēng)洞所產(chǎn)生的風(fēng)場風(fēng)速范圍(# 430) m/ 經(jīng)計(jì)算其馬赫數(shù)Ma( (0.08

14、, 0. 1),按照分類洞體內(nèi) 的風(fēng)場屬于亞聲速不可壓縮流#在進(jìn)行數(shù)值模擬時還需考 慮其雷諾數(shù)Re大小，在圓形區(qū)域，當(dāng)R32 300時，流場 為層流* Re%8 00012 000時，流場為湍流*當(dāng)2 30012 000，風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)場 為完全湍流#不可壓縮流場湍流數(shù)值模型有k eStandard、 kiRNG和k eRealizable三種，這3種模型都是兩方程模型，其中,keReallzable數(shù)值模型在處理圓柱流模型時 發(fā)散比率能比其它兩個數(shù)值模型更準(zhǔn)確的預(yù)測，而且它對 于旋轉(zhuǎn)流動、邊界層流動的處理也能較為優(yōu)異-在低速流動中由于馬赫數(shù)較低，為不可壓縮流，在進(jìn) 行數(shù)值模擬時，不涉及能量傳遞，因

15、此，控制方程只涉及 質(zhì)量和動量守恒方程9%質(zhì)量守恒方程：/ 8 + / (O)+ / (X)+ / (E)一 0/ 5+/ i +/o +/ *(3)式中，8是流場介質(zhì)密度* 5是時間，u、O、E是速度矢量 在笛卡爾坐標(biāo)系中0、1、2(3)動量守恒方程：/(X) + div( X X)=+ * + + V + F0/ 5/ 0/ 0/ 1/ 2( 4 ) 式中，div(x !)= / (X u), / (X u), / (X u) x是流場 速度矢量* u是速度矢量在0軸向上的速度分量* J、* 為微元體表面上的粘性硬力分量* F0是微元體上的體力- keRealizable數(shù)值模型包括湍動能

16、4方程和湍流耗散e 方程，湍動能4方程和ke Standard、ke RNG數(shù)值模型的 4方程一樣，3個數(shù)值模型主要區(qū)別在湍流耗散e方程 湍動能4方程：/X % /+段)/ +/ 5/ 0/ 02 / 0 TOC o 1-5 h z *4 +& e &+ ?4湍流耗散e方程：- +&/ 024 / 0 (5)(6)S e L + S1e(5)(6)84 + O 4式中，*4和G-表示湍動能項(xiàng)，前者是由層流速度梯度而產(chǎn) 生的，后者是由浮力產(chǎn)生的* / 表示可壓縮流的耗散率, 對于不可壓縮流體Y=0* Se、Ge是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)* 24和2e是 4和e的湍流普朗特?cái)?shù)口0%3仿真與分析3. 1仿真設(shè)置通過

17、Solldworks繪制洞體三維模型，模型參數(shù)除收縮 段參數(shù)外皆使用現(xiàn)有EDE14A2型風(fēng)洞參數(shù)，試驗(yàn)段尺寸為 224X40 (cm)、穩(wěn)定段尺寸為254X52 (cm)，收縮段收縮 比系數(shù)為4 7%收縮段草圖使用函數(shù)驅(qū)動方式繪制，改變維 托曲線長度參數(shù)，共設(shè)定6個不同長度參數(shù)，建立6個風(fēng) 洞洞體三維模型，風(fēng)洞洞體模型為對稱模型，對稱模型可 掃掠，劃分成6面體網(wǎng)格更適合做流體仿真分析，適于流 場計(jì)算-網(wǎng)格劃分選用meshing網(wǎng)格劃分器，為便于觀察 風(fēng)場在洞體壁面邊界處的分布情況，在洞體壁面處進(jìn)行加 密處理，最大層數(shù)為10,增長率為1.2,收縮段和試驗(yàn)段的 網(wǎng)格模型如圖3所示在CFD中求解器選

18、擇壓力求解器，選擇湍流模型k 圖3收縮段和試驗(yàn)段的網(wǎng)格模型eRealizable數(shù)值模型，入口模式為速度入口，流場進(jìn)入入口 方向垂直于入口邊界，湍流強(qiáng)度根據(jù)上節(jié)數(shù)值模型計(jì)算所得 修改為3 2,風(fēng)場出口邊界為壓力出口，壁面模式設(shè)置為標(biāo) 準(zhǔn)壁面，方程求解方式采用壓力一速度耦合SIMPLE算法, 動量方程和壓力方程選用的離散方式為二階迎風(fēng)格式，殘差 監(jiān)控參數(shù)設(shè)定值為1073,最大計(jì)算迭代步數(shù)參數(shù)為50次圖3收縮段和試驗(yàn)段的網(wǎng)格模型3. 2法向速度分布試驗(yàn)段內(nèi)法向速度分布均勻程度是計(jì)量用風(fēng)洞的重要 技術(shù)指標(biāo)，分布均勻表示試驗(yàn)段內(nèi)湍流程度較小，風(fēng)場較 穩(wěn)定，在穩(wěn)定的風(fēng)場中風(fēng)速傳感器輸出測量值較穩(wěn)定，可

19、以降低由于風(fēng)場穩(wěn)定性引起的不確定度分量，適合風(fēng)速傳 感器的計(jì)量溯源-(a) L=5. 8 cm由圖45可知：維托曲線的長度對風(fēng)場內(nèi)風(fēng)速的大 小有一定的影響，風(fēng)速大小隨著長度的增加非線性遞增， 長度增加到23 cm時基本穩(wěn)定(a) L=5. 8 cm(b)L=ll. 5 cm(b)L=ll. 5 cm(e)L=28.9(f)L=34.6圖4(e)L=28.9(f)L=34.6圖4試驗(yàn)段法向中心面速度分布云圖由于邊界層的存在，流場在近壁面區(qū)域速度較低，但 是在距離壁面一定距離后近壁面邊界的流場速度變化梯度 較大-目前對邊界層的厚度沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式, 按照經(jīng)驗(yàn)邊界層一般取速度達(dá)到主流的99%

20、處為邊界層的圖5試驗(yàn)段法向中心面速度外界，一般穩(wěn)定的試驗(yàn)區(qū)在該處，在CFDPost中取試驗(yàn)段 法向（一5, 5） cm為主流區(qū)，在此區(qū)域風(fēng)場的法向速度幾 乎無變化，以此范圍的風(fēng)場速度大小作為衡量邊界層風(fēng)場 的厚度，經(jīng)計(jì)算邊界層的厚度約為2 cm,即可以將試驗(yàn)段 法向（一10, 10） cm作為有效法向?qū)嶒?yàn)區(qū)域圖5試驗(yàn)段法向中心面速度將6個洞體模型試驗(yàn)段中心點(diǎn)，即z = 20cm處的法向 平面內(nèi)的主流區(qū)的數(shù)據(jù)抽取并計(jì)算其均勻性系數(shù)， 公式為：其計(jì)算8(iv$/v)其計(jì)算二X 100%(7)一 1(7)VV式中，V為均勻性系數(shù)（峪為第$測點(diǎn)流速與被測截面平 均流速之差（V為被測截面平均流速（為測點(diǎn)

21、數(shù)（v$為第 $測點(diǎn)流速值-表1試驗(yàn)段法向中心面速度均勻性系收縮段長度L/cm5. 811. 517. 323. 028. 934. 6均勻性系數(shù)（m/s）0. 0230.0100. 0060. 0050.0040.003由表1和圖6可知：當(dāng)長度小于20 cm時風(fēng)場均勻性 隨著長度增加減小較快，大于20 cm時隨著維托曲線的長 度增加，試驗(yàn)段內(nèi)法向中心面的速度分布均勻性逐漸增 加，幅度較緩，速度均勻性系數(shù)不斷減小，當(dāng)維托曲線長 度L增加到L23 cm后風(fēng)場均勻性系數(shù)基本處于穩(wěn)定，二 者呈非線性關(guān)系-3.3軸向速度分布軸向速度梯度是試驗(yàn)段沿中心軸向速度變化的快慢， 能夠很好地體現(xiàn)試驗(yàn)段流場的穩(wěn)定

22、程度，它是試驗(yàn)段模型 對氣動力的直觀體現(xiàn)，試驗(yàn)段內(nèi)軸向速度在理想狀態(tài)下應(yīng) 該各處相等，但由于各種因素的影響試驗(yàn)段軸向速度會沿 著軸向逐漸減小-更進(jìn)一步由于收縮段長度導(dǎo)致維托曲線 曲率變化，使其各點(diǎn)變化呈現(xiàn)一定規(guī)律-(a) L=5. 8 cm(c)L=17. 3 cm(b)L=ll. 5 cm(d) L=23. 0 cm(e) L=28. 9 cm (f)L=34. 6 cm圖7試驗(yàn)段中心軸速度分布云圖由圖7和圖8可知：對于一個確定的維托曲線長度收縮 段內(nèi)的軸向速度變化較快，當(dāng)流場到達(dá)試驗(yàn)段內(nèi)速度變化 逐漸增加，但是比較平緩，不同維托曲線長度導(dǎo)致變化率 各不相同，隨著維托曲線長度L增加，各模型中試驗(yàn)段軸 向風(fēng)速變化率逐漸減小，在距離收縮段約20 cm處，流場速 度變化較低(a) L=5. 8 cm(c)L=17