基于多通道风洞实验的数值模拟研究①

买尔旦·外力，买买提明·艾尼，金阿芳，麦苏代·穆赫塔尔，哈木拉提·阿里木江

(1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐830049;2.中国石油乌鲁木齐石化分公司炼油厂，新疆 乌鲁木齐830019)

0 引 言

近十年来，随着计算流体力学的发展，数值模拟方法不仅在航空和航天领域中得到广泛应用，在诸如环境工程、材料工程、建筑工程等领域亦得到了普遍的应用［1］.在目前的许多工程问题的设计与建设初期，为保证设计的合理性、实用性、经济性，都要经过数值模拟分析过程，因此计算机模拟成为了诸多科研工作者和工程师做出合理设计的良好顾问.

在环境力学研究领域，实验研究和数值模拟已经成为了学者们常用的研究手段，只有两者相辅相成才能了解研究内容的机理，同时也能准确预测环境变化，为有效防治环境恶化提出合理决策.风沙物理学是环境力学研究中的重要领域之一，早在上个世纪初就有以Bagnold 为代表的大批学者涌现出来，通过进行大量的野外观测和风洞实验，为风沙物理学的发展奠定了坚实的基础［2］.对于风沙地貌、风沙环境的研究以及防护治理，风洞实验一直都发挥着举足轻重的作用.在国内外的许多高校和科研院所都有形式各样的风洞实验平台，学者们都以不同的研究背景做了许多实验研究.众所周知，我国沙漠和沙漠化土地分布相当广阔，西起新疆、东至黑龙江，断续分布于我国北部的干旱、半干旱及部分半湿润地区.以新疆最大的流动性沙漠——塔克拉玛干沙漠为例，因每年的沙尘暴中携带的大量沙尘而直接制约了当地城镇的发展，也给生活在沙区的老百姓的健康和生活带来了巨大的损害，同时也给农业土地的流失带来了影响，这些问题都成为了制约新疆跨越式发展的外部阻力［3］.因此，防止沙漠化的继续扩大是目前我国面临的最为重要的环境和社会经济问题之一.

图1 风洞的设计结构模型

本研究以复杂气流场下的沙漠流动行为研究为背景，为通过实验手段研究尘卷风的形成机理和成因，筹划建设一套多通道风洞实验平台.为节省在后期建设过程中的人力物力，首先在计算机上进行数值模拟是非常必要的，模拟结果的合理性可以为实际的设计提供科学的参考依据.文中，首先对实验平台进行了计算机建模，再利用大型商用软件ANSYS 对风洞进行了数值模拟分析.

图2 从整体角度观测到的流体流线分布

图3 从风洞底部观测到的流体流线分布

1 风洞实验平台的设计与数值计算模型

1.1 模型简介

根据实验条件、实验目的及用途，首先通过UG 对风洞实验平台进行了建模.其中，风洞设计尺寸为3×3×4(单位:m)，4 个进风口的尺寸为:2×0.2(单位:m)，其进风口的深度在数值计算中对结果没有影响，只随模型的厚度而变化，因此在本实验中所有的模型墙体的厚度均为:0.1m.为了寻找最佳进风口角度，将风洞的进风口角度分别设为30°，45°和90°，并在这三种不同模型下进行了数值模拟.

图4 从整体角度观测到的流体速度矢量场分布

1.2 数值模拟分析

采用ANSYS 的流固耦合模块对模型进行数值计算.整个模拟过程根据风洞进风口角度的不同(30°、45°、90°)，在相同的边界条件下，根据气流场的情况确定出比较合适的进风口角度.

图5 从风洞底部观测到的流体速度矢量场分布

2 结果与分析

2.1 边界条件的拟定

在有限元分析中边界条件的拟定直接影响着模拟结果.由于对出口的边界条件无法确定，所以在仿真时选择按风洞进出口流量相等来作为边界条件.在0℃，标准大气压下(101325pa)，空气的密度为1.293kg/m3，模拟中给定的进风速度为12m/s，这样可以估算出风洞每秒的进风量为:

但由于实际的情况要复杂得多，经过大量反复的数值模拟，我们在拟定边界条件中将进出口的流量设定为15 kg/s.

图6 从整体角度观测到的流体压力场分布

2.2 不同进风口角度的风洞数值模拟分析

风沙机理研究中，野外观测和室内风洞实验都是研究的重要手段.然而，风沙流作为一种自然现象，其特征具有复杂性，因此对于室内风洞实验也有较高的技术要求.为保证风洞实验结果的合理性，在实验平台的设计中需要遵循相似性原理［4］.尘卷风是一种发生在大气对流边界层内，能将沙尘或者碎屑等物体扬到高空、具有温度较高的低压核心和较短生命周期的旋风，是沙漠地区中最为常见的一种自然现象.至今为止学者们对尘卷风具体的成因及结构仍然不甚了解［5］.因此在本研究中针对旋风产生的原理，在实验区域的壁面处设计了四个风口，观察在有风从入口处进来时能否产生旋风.但如何设置入风口，使之产生合理的旋风又是本研究的重点.因此，在参考国内已有风洞的基础上，我们提出三种不同进风口角度的风洞模型，并对其进行数值模拟分析，观察在三种不同角度情况下实验段中的流体流线分布情况、流体速度矢量场分布情况及流体压力场分布情况.

2.2.1 流体流线分布

图2 ～3 给出了三种不同角度的风洞模型中气流场的流体流线分布情况.从图2 ～3 中可以看出，无论是从整体角度还是从风洞底部观测，进风口角度为45°时，风洞实验段内都产生了明显的顺时针方向旋风，这种分布情况与我们实际需要模拟的情况具有良好的吻合性.

2.2.2 流体速度矢量场分布

图4 ～5 给出了三种不同角度的风洞模型中流体速度矢量场分布情况.从图4 ～5 中可以看出，无论是从整体角度还是从风洞底部观测，进风口角度为45°时，最大风速产生在风洞实验平台的四个入风口处，而进风口角度为30°和90°时，最大风速则产生在风洞实验段的四壁上.从图4 中可以看出，进风口角度为45°时，风洞实验段内的流体速度矢量场由底部到顶部均匀分布;进风口角度为30°和90°时，风洞实验段内的流体速度矢量场由底部到顶部分布不均匀，且底部的速度较大，顶部速度随高度的增长减弱趋势明显.从图5 中可以看出，进风口角度为45°时，风洞实验段内产生了非常明显的旋风运动趋势;进风口角度为30°和90°时，并未出现明显的旋风运动趋势.因此从图5 中可以得知，在进风口角度为45°时，尘卷风转角区是产生旋风的主要原因.

表1 给出了在进出口流量为15kg/s 时三种不同角度的风洞模型的最大风速值与最小风速值，从表1 中发现三种不同角度的风洞模型的最小风速值都为0，而其最大风速值出现了差异性，其中，当进风口角度为30°时，风速值最高，当进风口角度为45°时，风速值最小.多数的野外观测表明，尘卷风经常发生在微风或者小风速的环境中，如果环境风速达到某一阈值，尘卷风就很少形成，Oke 等于2007 年的观测认为，尘卷风形成的风速范围为1.5～7.5m/s;过小的水平风缺乏水平涡的生成，过大的风速生成的水平涡容易遭到破坏，不易演变成垂直涡［6］.对比有关学者的野外观测结果和本研究中的模拟结果可以得知，在进风口角度为45°时，旋风的产生效果最理想.

表1 进风口角度与风速值关系

2.2.3 流体压力场分布

图6 ～7 给出了三种不同角度的风洞模型中流体压力场分布情况.从图6 ～7 中可以看出，无论是从整体角度还是从风洞底部观测，三种不同角度的风洞模型的最大压力均出现在风洞实验平台的四个入风口附近，而中心区皆出现负压，且越靠近中心，负压值越大.从图6 中可以看出，进风口角度为30°和90°时，风洞实验段内的压力场分布不均匀，同时，从图中还可以看出风洞实验段的底部至顶部均有明显负压分布，这与旋风的压力场分布特征不符;进风口角度为45°时，风洞实验段内的压力场分布均匀，符合旋风的压力场分布特征.从图7 中可以看出，进风口角度为30°和90°时，风洞实验段内负压场的分布具有由中心向四周扩散的趋势，且产生的负压区域面积较大，也没有明显的旋风运动的趋势;进风口角度为45°时，风洞实验段内的负压场仅在中心区域产生，且可看到明显的旋风运动趋势.

表2 给出了在进出口流量为15kg/s 时三种不同角度的风洞模型的最大压力值与最小压力值，从表2 中发现三种不同角度的风洞模型的最小压力值均为负值，表明风洞实验段中有负压产生，这与图6 ～7 的压力场分布情况吻合，通过对比三种不同角度的风洞模型的最小压力值，并不能看出压力场分布的差异性.然而，通过对比三种不同角度的风洞模型的最大压力值可以看出，进风口角度为30°和90°时，产生的压力场的最大压力值较高，并且最大压力与最小压力的差值过大，这是导致产生的漩涡不稳定的原因;进风口角度为45°时，产生的压力场的最大压力与最小压力的差值适中，因此可以看到在流场中产生了明显的漩涡.

图7 从风洞底部观测到的流体压力场分布

表2 进风口角度与流体压力值关系

3 结 论

本文利用UG 对风洞实验平台建模，再通过ANSYS 对不同进风口角度的风洞模型进行数值模拟分析，得到了以下结论:

(1)从风洞实验平台实验段中的流体流线分布和流体速度矢量场分布情况来看，在进出口风量为15kg/s 且进风口角度为45°时，可以观测到产生了明显的顺时针方向旋风，而其他两个角度则没有产生明显的旋风.

(2)从产生最大风速的位置来看，进风口角度为45°时，最大风速产生在风洞实验平台的四个入风口处，其余两个不同角度的风洞模型的最大风速都产生在风洞实验段的四壁上，这必然导致风洞实验段内壁承受较大的压力，从而影响风洞实验平台整体的机械性能.

(3)从流体压力场分布情况来看，三种不同角度的风洞模型的最大压力均出现在风洞实验平台的四个入风口附近，而中心区皆出现负压，且越靠近中心，负压值越大.其中，进风口角度为45°时，风洞实验段内的压力场分布均匀，流体对风洞实验段内壁所产生的压力符合旋风的压力场分布特征;从压力值上看，进风口角度为45°时所产生的压力适中.

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