小型直流标定风洞的研制

余世策， 胡志华， 冀晓华， 林 竣， 蒋建群

(浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058)

0 引言

风速的测量是工程技术测量领域的重要组成部分，目前广泛用于测试气流速度的测试手段主要有热线测试技术、超声测试技术、压差测试技术等。风速测试前对传感器的准确标定是保证测量精度的根本要求，特别是热线测试技术对传感器的标定要求很高，每次使用前都要进行标定，这就对标定设备提出了很高的要求。文献［1-2］中采用带压力调节器的空气压缩机进行标定，但这种设备在应用中对压力调节的要求较高，气流不够稳定;大型风洞能提供稳定的风速，但使用前必须清空试验区所有装置，应用起来很不方便，而且大批量的标定试验成本较高。事实上，采用可调风速的专用小型风洞来标定风速传感器是一种理想的选择，不但应用方便、成本低，而且标定质量有保证。近年来，国内研制了大量的风洞［3-10］，用于风工程及空气动力学领域的研究，为风洞的研制提供了很好的参考，但专门用于标定的小型风洞很少有报道，因此有必要开展这类型简易风洞的研制工作，对于提升风洞实验室的风速测试水平具有重要的现实意义。

本文以浙江大学ZD-1风洞实验室小型直流标定风洞研制为背景，对标定风洞设计、制作和流场校测结果进行了全面介绍，对于研制标定风洞有一定的参考价值。

1 标定风洞技术参数的确定

标定风洞的技术参数必须根据使用要求来确定。①由于标定风洞的功能主要是用于风速传感器的标定，因此标定风洞首先确定为直流式风洞，这样在标定过程中可直接在风洞气流出口处进行标定试验，可操作性强;②由于风速传感器如热线探针、五孔探针等尺寸一般较小，因此风洞气流出口截面不宜过大;③在大气边界层风洞中风速测量主要集中在20 m/s以下的低风速范围，考虑到制造成本，标定风洞至少能达到20 m/s以上的风速;④标定风速传感器时对气流稳定性较高，因此要求风洞出口气流的湍流强度尽可能小。

在前述分析的基础上，经过反复论证，设计出了能满足目标功能需求的小型直流标定风洞，其主要技术参数如下:风洞型式为水平开口直流式;出口尺寸Φ200 mm;风速0.5 ～20 m/s;风洞收缩比 12.25 ∶1;交流风机2.2 kW，1 450 r/min;调速方式交流变频系统;控制方式手动开环控制;风洞洞体玻璃钢结构;最大气动尺寸(截面直径 × 长)Φ0.7 m ×4.57 m。

2 风洞气动设计

2.1 洞体气动轮廓

根据风洞总体设计要求及技术参数，经过方案可行性论证，确定风洞的气动轮廓图，如图1所示。风洞由1个动力段、1个扩散段、3个稳定段、1个收缩段组成，各气动轮廓均采用圆形截面。一般来讲，扩散角小于7°时可避免发生气流分离现象，本标定风洞扩散段采用了6°的扩散角，较为合理。

图1 标定风洞气动轮廓图(mm)

2.2 收缩段收缩比和收缩曲线计算

收缩段的作用是均匀加速气流，使其达到试验段所需要的流速，同时进一步改善气流的流动品质，降低湍流度，收缩比和收缩曲线是收缩段设计的关键。收缩比定义为收缩段入口处横截面积与出口处横截面积的比值。在一定的实验段横截面积和速度条件下，收缩比取得大一些，可使稳定段的速度相对降低，使稳定段、蜂窝器和整流网在提高流畅品质方面的效果相对好一些，而引起的气流能量损失也相对小一些，本风洞的收缩比取12.25∶1，收缩比较大。本风洞采用维特辛斯基三维收缩曲线计算公式来设计收缩曲线，可获得良好的试验段气流品质，计算公式如下:

式中:R为某截面半径;R1为入口截面半径;R2为出口截面半径;X为从收缩段入口到某截面的轴向距离;A为收缩段计算长度，收缩段的计算长度一般取其入口当量直径的(0.5～1.0)倍，为了得到更好的实验段流场品质，收缩段长度至少应达到收缩段入口直径或边长的0.8倍。本风洞入口处直径为0.7 m，收缩段总长取0.6 m，达到入口处直径的0.86倍，满足要求，将R1=0.35 m，R2=0.1 m，l=0.6 m 代入式(1)，可得收缩段各截面处的半径，如图2所示。

图2 收缩曲线外形图(mm)

2.3 蜂窝器和阻尼网设计

稳定段内安装有蜂窝器和阻尼网，其作用是导直气流，提高气流品质，降低湍流度。实验研究表明［11-12］，六边形格子的损失系数最小，管道内的气流流动均匀、压力损失小，对降低湍流度的效果非常显著。因此蜂窝器采用正六角形玻璃钢结构，由蜂窝格子(对边距离20 mm)胶接而成，长250 mm。适当选配阻尼网使稳定段流动速度剖面更均匀，可进一步捣碎蜂窝器后面的旋涡，以减小稳定段气流的湍流强度，阻尼网共两层，安装在蜂窝器后面，由不锈钢丝编织而成，丝径越小效果越好［13］。本风洞丝径0.1 mm，网孔间距为丝径的4倍。

3 标定风洞整体结构设计与制作

根据风洞的气动外形，本风洞洞体采用玻璃钢制作，各段之间采用法兰连接，将法兰加长落地与钢结构底座连接，动力段直接选用相应规格的轴流风机，并固定于橡胶支座以减少风机运行的振动，同时动力段与扩散段结构上分开，尽可能减小风机振动对洞体的影响。研制成功的标定风洞外形如图3所示。

图3 标定风洞示意图

4 风洞流场校测

4.1 变频器输出频率与风速的关系

开环控制变频器输出频率与标定风洞出口风速的关系是确定标定风洞应用范围的重要环节，本文将皮托管安装于距风洞出口15 cm中心位置，采用电子压力扫描阀测定皮托管动压，得到不同变频器输出频率与风速的关系曲线如图4所示，可见变频器输出频率与出口风速成线性关系，标定风洞可控最低风速为0.7 m/s，最高风速达到23.9 m/s，基本满足设计要求。经拟合后风速与变频器输出频率的关系为

可见风速与变频器输出频率有良好的线性关系。进一步试验表明，风速与输出频率的关系受温度和大气压的影响很小，因此可以利用这一关系来手动精确控制风速。

图4 风速与变频器输出频率的关系

4.2 出口气流的动压稳定性

由皮托管测出一定时间内的最大动压qmax和最小动压qmin，计算出动压稳定性系数η:

表5为不同风速下气流的动压稳定性系数，可见，风速为10 m/s时动压稳定性系数偏大，但对于标定风洞稳定性足够，风速为20 m/s时动压稳定性系数仅为2%，品质较好。

表2 不同风速下的动压稳定性系数

4.3 出口气流的湍流强度

出口气流的湍流强度是影响标定风洞品质的重要标志，本文将二维热线风速探头安装于距风洞出口15 cm中心位置，采用热线风速仪测定出口气流的湍流强度，结果如图5所示。从图中看出，风速较小时湍流强度不超过2%，风速较大时也不超过3%，说明从轴流风机中出来的风通过蜂窝器、阻尼网和收缩段，湍流强度已大大降低，可以满足传感器标定的要求［14］。

图5 湍流强度随风速的变化曲线

4.4 出口气流速度场和方向场不均匀性

出口气流的速度场和方向场不均匀性直接影响标定的质量，本文采用二维热线风速探头安装于距风洞出口15 cm处距截面中心径向不同的位置进行测量，由于洞体为轴对称结构，因此仅测试一半的数据，然后得到全截面范围内风速平均值和风速偏离轴向的方向角，分别如图6和图7所示。可以看出，在风洞出口截面中部±6 cm的范围内，风速比较均匀，相对误差在3%以内，这个范围内的气流方向角也在±1°以内，表明这个范围比较适宜标定风速传感器［15］。

图6 出口风速均匀性测试结果

图7 出口风速方向角测试结果

5 结语

本文采用空气动力学原理自行研制了一套小型直流标定风洞专门用于风速传感器标定。从风洞气动轮廓设计、结构设计和制作均作了介绍，从流场校测结果来看，本文研制的小型直流标定风洞有较好的流场品质，可以用于传感器标定，本文的研究成果对同类型风洞的研发有重要的参考价值。

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