多功能大气边界层风洞的设计与建设

刘庆宽

(石家庄铁道大学,石家庄 050043)

0 引 言

目前我国深入进行风工程的研究十分必要。其一是风灾害为自然灾害中最严重、最频繁的一种,每年给我国及许多国家造成着巨大损失,并且随着极端气候现象增多,风灾害也呈逐渐加剧的趋势。其二是我国正在进行大规模的土木工程建设,已经建成和正在建设大量的风敏感结构如高层/高耸建筑、大跨空间结构、大跨桥梁等,同时地面交通工具如高速铁路等大规模发展也对风工程的研究提出了新的要求。进行风工程研究,目前最直接、最常用也是最可靠的研究手段是进行风洞试验[1-2]。由于风工程研究对象的多样性和风速范围要求的宽广性,以及结构破坏时天气的复杂性,多功能大气边界层风洞是必不可少的研究设备。

基于上述风工程研究对象,详细介绍了石家庄铁道大学多功能大气边界层风洞的设计和建设,为以后类似的风洞设计和建设提供参考。

1 风洞设计要求

1.1 试验对象

根据大学的特色学科(土木、交通、车辆、力学等)、地理位置、行业特性、研究对象等,拟定的风洞方案,应具有桥梁、建筑、交通、工业空气动力学等方面的试验和研究功能。同时,因为国内有一定数量的边界层风洞,因此要求设计上应具有一定的特色,避免简单重复。

在反复论证的基础上,最终确定的设计和建设方案需要满足的试验项目和具体的试验功能如表1所示[3]。

表1 风洞设计的试验功能Table 1 Test function of wind tunnel design

需要指出的是,具有上述试验功能的风洞应满足以下几个要求：

风速范围的宽广性。例如桥梁的全桥模型试验、结构的测压试验等,使用的风速大多在20m/s以下,桥梁的涡激振试验大都在几米的风速下进行[4-5],同时环境类试验要求的风速也很低。但是,对于一些工业空气动力学试验和地面交通工具试验,以及一些考虑雷诺数效应的基础研究试验,需要的风速则较高。

高流场品质的要求。与航空风洞相比,大气边界层风洞的流场要求相对较低[6],但是考虑一些基础性研究对流场的要求,风洞的背景湍流度、速度场、方向场等需要相对较高的指标。

特殊天气和特殊试验的要求。例如我国东南地区发生的大风通常是台风,而台风往往携带大量降雨。评价降雨在风致结构破坏中的作用需要进行风雨试验。西北地区,风吹雪、风吹沙导致雪或沙在轨道上堆积是铁路的隐患,风吹雪、风吹沙也是考虑的试验项目。同时污染物扩散也越来越受到人们的重视。

1.2 主要技术参数

根据风洞设计的试验功能综合考虑,确定风洞主要设计参数如表2所示[3]。

2 风洞的气动设计

2.1 气动轮廓

根据风洞总体设计要求,通过进行方案可行性技术论证,确定风洞的气动轮廓图。具体尺寸和结构如图1所示。

图1 风洞气动轮廓图Fig.1 Aerodynamic profile of wind tunnel

表2 风洞主要设计参数Table 2 Main parameters of wind tunnel design

2.2 收缩曲线

采用维特辛斯基三维收缩曲线公式计算各X位置处的半高(H)及半宽(B),由此求得各截面的高度(2H)与宽度(2B)。曲线及坐标如图2所示。H的计算公式为：

图2 收缩曲线Fig.2 Contraction curve

2.3 拐角及拐角导流片设计

风洞通过4个90°的拐角组成单回流形式,每个拐角的进出口截面积相等。第一、二两个拐角的内壁圆弧半径R=750mm,第三、四拐角的内壁圆弧半径R=1000mm。导流片在各拐角对角线方向等间隔排列,一、二、三、四拐角导流片分别为9、9、13和17片。

导流片外形由圆弧加两端直线L组成,弦长为AB,圆弧半径为R,两端直线长为L且相等,导流片进口端直线与来流夹角α1=4°,出口端直线平行于风洞轴线,夹角α2=0°。导流片弦长 AB与来流之夹角(即安装角)为47°。

2.4 风扇设计

2.4.1 风扇设计的原始数据

低速试验段入口截面积AT=12m2,设计风速28m/s;动力段直径D=4.0m,风扇的罩壳比(即整流罩最大直径与风扇段直径之比)r0=0.6;风洞能量比ER=3.99;风扇轴设计转速n=585r/min;风扇叶片数I=8枚,设计升力系数CL=0.88～0.95。

2.4.2 设计计算结果分析

将上述原始参数作为风扇设计的初始参数,计算出风扇叶片翼型数据。叶片的相对厚度从叶尖至叶根的变化为12%左右,这不仅使叶片具有较好的空气动力性能,而且也保证了叶片具有足够的刚度和强度。为了使风扇与风洞的压力损失特性有良好的匹配性,除电机转速可调节外,叶片安装角在额度值附近的±5°范围内可以微调。实际微调值的大小通过风洞试车的结果来确定。为提高有效载荷,减小叶尖的压力损失,在工艺允许的条件下尽可能减小叶尖与洞壁之间的间隙δ,现设计的相对间隙小于0.25%。

2.5 整流罩设计

动力段内整流罩的外形按流线型旋成体坐标值来确定。整流罩分前罩、中罩(柱段)和尾罩三个部分。前罩用来均匀加速气流,以免引起分离;中罩根据风扇轮毂及电机等尺寸安装要求来确定其长度;尾罩用来缓慢扩散气流,使速度减小,压力增加,并应尽量减少气流的分离损失,为此过渡段壳体由进口至出口其截面积应逐渐减小,使尾罩所在部位之内侧流道的当量扩散角在8°～10°的范围内,以避免气流的分离。现选用整流罩头尾之长细比为3,其尾罩长细比为1.8,由此算出尾罩部位之当量扩散角θ＜9.39°,满足了θ=8°～10°的设计要求。

2.6 风洞的能量比和电机功率

能量比的定义为试验段气流的动能与通过动力系统输入风洞的能量之比,用ER表示,采用分段计算方法,算出风洞各段当量损失系数K0i,通过公式可以算得能量比。根据我国绝大多数风洞的实际运行结果,考虑到一些不可预计的压力损失,把计算得到的总损失系数提高10%,最后得到本风洞的能量比为=4.09。

根据风洞试验段最大风速、面积、风扇的气动特性及能量比,计算出电机功率为395.8kW。

2.7 湍流度计算

影响试验段湍流度的主要因素分别是风洞的收缩比和稳定段中阻尼网的规格与层数。按气动布局,大小收缩段的收缩比分别为3和3.03,总收缩比为9.1,稳定段中选用阻尼网三层,规格为18目/英寸,若假定阻尼网前的原始湍流度为3.0%,则低速试验段内的湍流度可降低到0.52%,高速试验段内的湍流度可降低到0.28%。

3 附属设备设计参数

风洞附属设备的设计参数如表3所示。

表3 风洞附属设备的设计参数Table 3 Design parameters of accessory facilities

4 风洞的结构设计

根据风洞性能、总体投资等多种因素考虑,按气流方向,从风洞大收缩段经低速试验段、小收缩段、高速试验段、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、第二拐角、等直段到动力段为钢结构,从第三扩散段经第三拐角、等截面段、第四拐角到稳定段部分为砖混结构。实验室大厅仅覆盖钢洞体部分,砖混部分则置于实验室之外。

为了在风洞中具备风雨、风沙等试验功能,进行了如下设计：风洞的一、二拐角上下游通过法兰与相邻洞体连接,下侧通过架车安放在轨道上,将法兰的螺栓打开,可以将两拐角沿轨道移开,第一扩散段的气流经实验室外墙上的大门吹到室外,室外的空气从另一大门吸入动力段,此操作可将风洞由回流结构改为直流结构,满足上述特殊试验的要求。结构示意图见图3。

图3 风洞结构示意图Fig.3 Structure diagram of wind tunnel

5 建设方式

实验室整个项目采用招标的方式选择设计、施工、调试单位,为整体招标,中标单位以“交钥匙”工程方式向业主提供完整的工程项目,以减少中间环节和管理、协调工作量,保证工程质量。在建设过程中,业主的技术人员充分参与整个过程中的技术交流活动,随时将意见反馈给对方,不断优化设计和施工方案。

6 流场品质校测结果

由第三方参照规范[7]组织进行的流场校测结果[8]如表4所示。

表4 试验模型区流场校测结果Table 4 Flow field measurement of model district

7 风洞的特点

建成后的风洞具有以下几个方面的特色：

(1)低速试验区转盘中心截面宽高为4.38m× 3.00m,能较好满足建筑类结构试验对断面的要求;试验段长24m,达到了高度的8倍,能模拟出很好的大气边界层风场;

(2)高速试验段宽度为2.2 m,适合桥梁节段模型试验和其它工业类试验。如果宽度过大,保证模型的刚度会变得困难;如果断面尺寸过小,会造成试验中低速段的静压过大;

(3)通过优化风场控制系统设计,使得低速试验段流场达到了优秀边界层风洞标准,高速试验段流场达到了工业空气动力学风洞标准;

(4)高低速试验段串联设计,拓宽了风速范围,优化了试验功能。低速试验段风速1.5～30.0m/s,高速试验段风速3.7～80.0m/s;

(5)第一、二拐角闭、开设计,可改回流为直流风洞,满足风雨、风沙、风雪、环境污染等不适合在回流风洞内进行的试验。其中降雨设备可以模拟雨强10～240mm/h的各种强度的降雨。风洞内降雨的照片见图4;

(6)在洞体内安装了三维移测架,做到了在连续吹风状态下对风场任意位置的参数进行监控和测试,提高了测试效率。移测架的移动由测控间的控制计算机完成,测试结束后可收藏至洞顶的腔内。移测架照片见图5。

图4 洞体内降雨模拟Fig.4 Rainfall simulation in wind tunnel

图5 移测架Fig.5 Movable testing frame

风洞验收后,已分别进行了斜拉索风雨振、抑制风雨振的气动措施、桥梁与结构基本构件的气动特性等国家自然科学基金、省自然科学基金、省科技支撑计划项目等基础性科研项目的研究和金东大桥、石家庄火车站、神华国华惠州热电厂等30余项大型桥梁与结构工程的风荷载、风致振动与控制试验研究。试验结果表明：该风洞流场品质好,使用方便,设计的功能都能在风洞内实现。

致谢：感谢同济大学林志兴教授、北京大学魏庆鼎教授、南京航空航天大学姚惠中教授、中国空气动力研究与发展中心施洪昌研究员对风洞的设计和施工提供的技术咨询;感谢中国空气动力研究与发展中心乐嘉陵院士对本文的指导。

[1] 贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社,2006.

[2] 中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.低速风洞试验[M].北京：国防工业出版社,2002.

[3] 绵阳六维科技有限责任公司.石家庄铁道大学边界层风洞气动设计[R].绵阳：绵阳六维科技有限责任公司,2008.

[4] 陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[5] 张相庭.结构风工程[M].北京：中国建筑工业出版社, 2006.

[6] 林志兴.结构风工程边界层风洞的流场品质讨论[C].全国结构风工程试验技术研讨会,2004.

[7] 国防科学技术工业委员会.高速风洞和低速风度流场品质规范(GJB1179-91)[S].北京：国防工业出版社,1991.

[8] 石家庄铁道大学风洞流场校测报告[R].上海：上海同济科技开发有限公司,2009.