小型低速风洞洞体结构设计研究

高胜寒，李宏刚，王国龙，张 堃，吴肇苏

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)



小型低速风洞洞体结构设计研究

高胜寒，李宏刚*，王国龙，张 堃，吴肇苏

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

为了对车身外部凸出物以及小比例油泥模型的空气动力学性能进行评估，本研究设计了一种流场可视化的低速开路式小型风洞，该风洞采用离心式风机为气流加速，风洞实验段设计风速为120 km/h。完成了迷你风洞洞体结构形式的选择，给出了各个段基本结构尺寸的计算方法，以及风机流量、电机功率的确定方法，确定了收缩段收缩曲线形态及具体尺寸，得到了完整的风洞洞体结构。设计中应用了UG软件进行了三维建模，同时用Ansys CFX对流经洞体的气流进行了仿真。仿真结果表明：该风洞可以在实验段生成稳定的气流来模拟车身外部凸出物及小比例模型在运行过程中周围的流场，实验段的最大气流速度达到了设计要求。本研究提出的风洞洞体结构设计方案可行。

油泥模型；小型风洞；洞体结构设计

0 引 言

风洞是用来研究气流与机械设备或者运输车辆相互作用的装置[1-3]。它可以用来模拟自然界的流场[4]。目前我国小型风洞实验台大部分从国外进口，价格昂贵。因此，设计制作满足使用需求的小型低速风洞实验台具有现实意义。

受风洞尺寸的限制，一般风洞中模型多为缩比模型，但缩比模型试验必须要考虑雷诺数效应(又称尺度效应)，为保证雷诺数的不变，就必须提高试验风速，这意味着风机功率极大且很难实现[5]，为保证可行性，本实验台的设计主要用来测量车身外部凸出物(如后视镜，尺寸比例为1∶1)或其他适当尺寸的非缩比模型的空气动力学性能，因此，不必考虑雷诺数效应，本实验台也可用于小比例汽车油泥模型外部流场的定性分析或可视化演示。

本文详细探讨了一种小型低速风洞实验台的洞体结构设计。该风洞实验台由一台离心风机提供气流，气流由稳流段中的蜂窝器进行整流，再经收缩段加速后进入实验段，最后流经被测物体。

1 小型低速风洞洞体结构设计

目前风洞的基本结构形式有两种：开路式风洞和闭路式回路风洞[6]。开路式风洞又称直流式风洞，它直接从大气中吸进空气，空气流经洞体后再排到大气中去。闭路式风洞又称回流式风洞，它有连续的空气回路，气流通过试验段后，经过迂回路线再循环返回到进气口[7]。其中由于回路式的整体尺寸过大，拐角处倒流片制作与布置存在较大困难，导致空气流向难以规整，同时该小型低速风洞实验台将安装烟雾系统，回流式的设计无法进行良好的排烟，因此，本设计的洞体采用开路式结构。

该小型低速风洞实验台整体结构分为6个部分，沿气流方向依次为风机、大角度扩散段、稳流段、收缩段、实验段和扩散段，如图1所示。一般实验段截面形状有圆形、方形、三角形、椭圆形以及长方形，在相似的稳流段和收缩比情况下，通过椭圆形截面的气流最均匀，即均匀区所占比例最大，圆形次之，长方形再次之[8]。但长方形截面有以下优点：一是长方形底面为水平面，便于放置、安装模型；二是洞体侧壁为平面，便于观察窗的布置，且有利于气流观察和图像采集。同时，长方形截面加工工艺性好、成本低，因此，本风洞实验段截面设计为长方形，其中长方形的高宽比为7∶10。

①风机；②大角度扩散段；③稳流段；④收缩段； ⑤实验段；⑥扩散段图1 小型低速风洞洞体结构Fig.1 Body structure of low speed mini wind tunnel

1.1 实验段的设计

本小型低速风洞实验台中拟对小比例的油泥模型进行试验分析，通过分析确定了小比例油泥模型可以简化成尺寸为300 mm×100 mm×80 mm的立方体结构。根据相关资料[2]，实验段长度公式为：

L=2.0D～2.5D。

(1)

其中：D为实验段水力直径。综合试验中所遇到的可能情况，取实验段高D1=300 mm，由高宽比7∶10得出实验段宽度D2=420 mm，水力直径计算公式为：

D=2[D1D2÷(D1+D2)]。

(2)

式中：S为横截面的面积，mm2；C为横截面的周长，mm。

将D1、D2代入公式(2)得D=350 mm，考虑实际情况，由公式(1)得L=750 mm，则实验段拟设计尺寸为750 mm×420 mm×300 mm，因为小型风洞针对汽车模型设计，宽度不需要很长，所以选择正方形截面作为实验段的截面形状。最后实验段实际尺寸优化为750 mm×400 mm×400 mm。

整个实验段框架采用角铁搭建，在表面覆盖钢化玻璃，既有足够的强度，又便于观察被测物体周围流场的状态。

1.2 风机流量及驱动电机功率的确定

低速风洞运转时，维持气流流动的能量是由电动机驱动风机叶轮提供的。气流在风洞管道中的能量耗散，主要表现为压力下降。风机的作用正是提高气流的压力。当二者达到平衡时，风洞便能稳定运转[9]。该小型低速风洞实验段设计风速为120 km/h(约33.3 m/s，小于102 m/s，属于低速)，可认为该状态下气体不可压缩。因此流量计算公式为：

Q=Sv。

(3)

式中：S为流体横截面积，mm2；v为流体流速，m/s。所选风机输出风量应满足公式：

Q1≥Qmax。

(4)

式中：Q1为风机输出风量，m3/s；Qmax为实验段所需最大风量，m3/s。由公式(3)可得实验段的Qmax为4.48 m3/s(约为1.61×104m3/h)。

为获得较稳定的气流，拟选用离心风机，由驱动电机通过带传动提供动力。理论上所选风机最大流量大于4.48 m3/s(1.61×104m3/h)即可。为降低风噪，同时保证有足够的流量储备，利于实验台未来的功能扩展，本设计选择了一台全负荷状态下标称风量为4×104m3/h(11.11 m3/s)的风机，额定转速为940 r/min，出风口尺寸为650 mm×600 mm。

相同风机的风量和转速关系见公式：

(5)

式中：Q2为风机满负荷运行输出的风量，m3/s；n2为风机满负荷运行时的转速，m/s；n1为达到试验所需的最大风量时风机的转速，m/s。相同风机下功率和转速的关系见公式：

(6)

式中：P2为风机满负荷运行时的功率，kW；P1为达到试验所需的最大风量时风机的功率，kW。联立公式(4)、(5)、(6)得

(7)

由公式(7)可得本设计的P1≥4.10 km。

综合电机实际规格，选择5.5kW的三相交流异步电机，通过与电机匹配的交流变频器，异步电动机可实现电机在工作条件范围内的无极变速，从而改变风速的大小，风速可由风速仪测定。

1.3 收缩段设计

(8)

该公式由理想不可压轴对称流动的结果推出。式中：D2为一半出口高或宽；N为收缩比；L为收缩段的长度；X为收缩段的纵向位移的长度[12]。

由于收缩比大都在7～10，考虑到设计的小型低速风洞主要用来分析汽车油泥模型，不需要很大的收缩比，因此选收缩比N为7，由公式：

(9)

式中：S2、S1分别为收缩段入口和出口的横截面积，m2；D1为一半入口高或宽。

L取300 mm，联立公式(8)、(9)可得出风洞收缩段的曲线如图2所示。其中，X为洞体轴线方向尺寸。

图2 风洞收缩段曲线Fig.2 Contraction curve of wind tunnel

1.4 稳流段设计

稳流段通常是一个等截面管道，下游与收缩段相连，所以面积大小取决于收缩段的收缩比，由先前计算的收缩段的进口截面半径D=1 100 mm可知，稳流段的截面尺寸为1 100 mm×1 100 mm，合适的稳流段首先要保证可以安装蜂窝器，并且还需要使气流经过蜂窝器和纱网后可以保持一段距离稳定流动状态。当收缩比小于5时，长度为直径的1.0～1.5倍；当收缩比大于5时，长度为直径的0.5～1.0倍[7]。因此稳流段的长度取1 100 mm。

稳流段中还安装有蜂窝器等稳流部件，可以对流场进行梳理，提高流场的气流质量。蜂窝器有助于减小湍流[13]，它由许多六角形(或方形、或圆形)小截面管道组成，从气流产生的阻力损失方面考虑，六角形蜂窝管的阻力损失最小，方形次之，圆形再次之[14]。考虑到加工方便，选取方形截面。随着蜂窝长度的增加、孔口尺寸的减小，蜂窝器出流方向的一致性更好，湍流度降低。由试验结果确定蜂窝长度为0.075 m，蜂窝孔口尺寸为0.02 m时[15]，气流质量较好，同时确定蜂窝器的材质为不锈钢。

1.5 大角度扩散段设计

试验表明，一般对于可压缩流体扩压角控制在6°～7°以内，不可压缩流体扩压角应控制在 8°～10°以内，则气流[16]不会产生分离。根据相关资料，为了防止气流分离，扩压半角应控制在3.5°以内[17]，但对于低速风洞，由于马赫数很小，气流可看作不可压缩流体[18]。因此，本风洞实验台采用9°的扩压角，由于大角度扩散段的入口与风机出口相连，大角度扩散段的出口与稳流段的进口相连，角度确定的情况下可以得出稳流段的长度L为1 700 mm。

1.6 扩散段设计

由于扩散段的作用是在气流通过实验段后能降速增压，减小对外界环境的干扰。参照大角度扩散段的设计并进行一定的调整，此处选取扩压角为12°，长度为1 550 mm。

2 洞体流场数值实验

对洞体内部流体区域进行三维建模，并导入ANSYS中进行流场模拟。因蜂窝板为薄片式结构，主要起整流作用，对气体流动产生的阻碍较小，但对模型网格划分及计算影响太大，因此忽略。仿真模型采用速度进口和压力出口，进口初始速度为14 m/s，出口初始压力为0。仿真结果如图3所示，实验段流速约为37.9 m/s，实验段中的模拟风速高于理论设计风速33.3 m/s，考虑到对蜂窝板的忽略，以及风机出口截面流速的不均匀性，实际风速会低于模拟风速，而更接近设计风速，故该小型低速风洞结构设计可行。

图3 风洞流场仿真结果Fig.3 Flow field simulated results of wind tunnel

3 结 论

本文设计了一种流场可视化的小型低速风洞实验台。通过设计计算得到了各段的结构尺寸，确定了风机功率，同时，应用CFD软件对风洞内部流场进行了数值仿真试验，结果表明设计的风洞结构能够达到设计目标，该小型风洞设计方法可行。设计的小型风洞洞体结构具有结构简单、加工工艺性好、成本低的特点，能够满足日常教学性能测试和评估的需要。

[1]Aurelius L J，Rofail A W.Performance of Windtech’s slatted roof blockage tolerant boundary layer wind tunnel in 3D flow[R]，9th AWES Workshop，Townsville，12-13 July，2001.

[2]Pope S B.Turbulent Flows [M].Cambridge University Press，Cambridge，U.K.，2002.

[3]Ghorbanian K，Rsoltani M，Dehghanmanshadi M.Experimental investigation on turbulence intensity reduction in subsonic wind tunnels[J].Aerospace Science and Technology，2011，15(2)：137-147.

[4]Maurer T，Herrmann L，Gaiser T.A mobile wind tunnel for wind erosion field measurements [J].Journal of Arid Environments，2006，66(2)：257-271.

[5]庞加斌，刘晓晖，陈 力，等.汽车风洞试验中的雷诺数、阻塞和边界层效应问题综述[J].汽车工程，2009，7(31)：609-615.

[6]Bell J H，Hehta R D.Constraction design for small low-specd wind tunnds [R].Stand ford Vniversity，1998.

[7]张德超.汽车车身造型与结构分析[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[8]伍荣林，王振羽.风洞设计原理[M].北京：北京航空学院出版社，1985.

[9]张春娜，崔 靖，卢 彬.风洞及风洞风机[J].科学与财富，2011(5)：169-170

[10]林超强.矩形风洞收缩段流场的计算和分析[J].空气动力学学报，1991，9(4)：379-385.

[11]王文奎，石柏军.低速风洞洞体设计[J].机床与液压，2008，36(5)：93-95.

[12]仇 健.基于CFD的汽车风洞收缩段设计及流场品质分析[D].湖南：湖南大学，2011.

[13]Quocy N.Designing，constructing，and testing a low-speed open-jet wind tunnel [J]，International Journal of Engineering Research and Applications.2014，4(2)：243-246.

[14]刘政崇.风洞结构设计[M].北京：中国宇航出版社，2005.

[15]王 怡，马骏驰，周 宇，等.蜂窝器对送风口特性影响的数值模拟研究[J].暖通空调HV&AC，2014，44(8)：85-89.

[16]张克危.流体机械原理[M].北京：机械工业出版社，2008.

[17]任 栋，席德科，白存儒，等.低速风洞的消声降噪改造设计研究[J].实验流体力学，2010，24(4)：80-83.

[18]蔡 涛，施 璐.低速风洞扩压段扩压角的优化设计与讨论[J].风机技术，2012(1)：7-13.

Study on Structure Design of Mini Car Wind-Tunnel

Gao Shenghan，Li Honggang*，Wang Guolong，Zhang Kun，Wu Zhaosu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate aerodynamic performances of external projections of car body and small proportion clay modeling for automobile prototypes，this study designed a low-speed and open-circuit small wind-tunnel with the visualization of the flow field.The designed tunnel used a centrifugal blower to accelerate air flow and the air speed in the test section of the wind tunnel was 120 km/h.The structural style of the mini wind-tunnel was selected，the calculation methods on the structural sizes of each section were given，and the determination methods on the blower flow rate and the motor power were determined.The shape and sizes of the curve of contraction section were obtained，and the full structure of the wind-tunnel body was completed.The design established a 3D solid model with UG，and process of air through the tunnel was simulated using Ansys CFX program.The simulation results showed that the mini wind-tunnel can form stable airflow in the test section to simulate the air around external projections of car body and small scale model，meanwhile，the top air speed in the test section reached the destination.It was concluded that design scheme of mini wind-tunnel structure was feasible.

Clay modeling；small wind-tunnel；structure design of tunnel body

2016-04-18

东北林业大学大学生创新训练项目(201510225003)

高胜寒，本科生。研究方向：车辆工程。

*通信作者：李宏刚，硕士，副教授。研究方向：载运工具功能创新。E-mail：lhg@nefu.edu.cn

高胜寒，李宏刚，王国龙，等.小型低速风洞洞体结构设计研究[J].森林工程，2016，32(6)：77-80.

V 211

A

1001-005X(2016)06-0077-04