多参数动态热湿气候风洞研制

李令令，孟庆林，张 磊，李 琼

多参数动态热湿气候风洞研制

李令令，孟庆林，张 磊，李 琼

（华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）

自主研发并建设了多参数动态热湿气候风洞，完成了风洞的温度、湿度、太阳辐射照度、天空有效温度、降雨、风速、盐雾7个参数实现的设备配置。以典型环境参数为例，给出部分气候参数耦合试验结果。测试表明，该设计达到了预期目标。该风洞的建设，为大陆及海岛极端含盐热湿气候环境下建筑热工物理性能的研究提供了新的平台。

风洞；多参数；动态；热湿气候

风洞试验控制精度高、可重复性好、不受室外气候条件影响等优点，从航空航天领域被广泛应用到建筑、气象、车辆、机械、体育等领域。近年来，多种不同规模和不同应用类型的风洞相继建立，为不同领域的科学研究提供了试验平台[1-4]。风洞的控制参数也由单一风速，逐渐增加为风速、温度、湿度、太阳辐射等参数[5-8]。

在建筑物理研究方面，通过风洞试验，复现室外气候环境，再现实际环境中建筑的物理现象，可更方便、准确地发现物理现象规律，为建立合理的数学模型提供较为准确的数据。虽然现有整车环境风洞[4]可实现的气候参数较为丰富，但是其为开口式风洞，不利于建筑材料在复杂气候参数耦合影响下建筑物理问题的精细研究，比如建筑材料的蒸发冷却研究。相关的多参数人工环境实验室，可以很好地实现温湿度等参数的控制，但是流场的要求相比风洞要低。目前，国内外用于建筑材料研究的[7]风洞为稳态控制，且控制参数较少。我校热湿气候风洞[8-9]可以实现温度、湿度、风速、太阳辐射共4个参数的动态控制，但是由于其尺寸限制，不利于建筑单元构件的物理现象研究，而且尚不能实现湿热地区的降雨参数的控制。

此外，在当前各国大力发展海岛建设的形势下，海岛建筑的热工物理性能迫切需要研究。但是目前国内外风洞，尚不能复现复杂极端含盐热湿海岛气候，因此风洞的功能还需拓展。本文的主要目的是从构造和测试结果方面，介绍我校亚热带建筑科学国家重点实验室自主研发并建设的多参数动态热湿气候风洞。

1 DHCWT风洞构造

我校多参数动态热湿气候风洞为回流立式风洞，全长40.3 m，最宽处为4.9 m，最高处为10.4 m。该风洞由第一稳定段、第一试验段、扩散段、风机段、过渡段、收缩段、第二稳定段、第二试验段8部分组成，如图1—图3所示。

本文主要介绍可以复现室外复杂气候环境的第一试验段，其长×宽×高尺寸为3 m×3 m×2.5 m，可放置单元模型和材料试件；试件槽为2.5 m×2.5 m，由5块0.5 m×2.5 m可移动模块板组成，根据试验需求调整模块板放置的数量。

整个风洞实验室由风洞洞体、控制室、材料室、设备区、空调小室5个部分组成，如图4所示。其中控制室放置风洞操控系统计算机、部分数据采集单元；设备区放置风洞控温控湿需要的制冷加热除湿机组，冷却塔，冷、热保温水箱，水系统和控电系统；材料室存储风洞试验需要的材料构件和模型；空调小室为模拟与室外环境相对的室内环境或其他测试环境，保证测试试件内外边界条件与实际所处的室内外热湿边界条件相同。

根据DHCWT的使用要求和特点，风洞洞体内壁面采用316不锈钢，外壁面为彩钢板，内外壁面之间填充100 mm厚度的聚氨酯保温材料，达到保温、隔热、防潮、防腐、节能的目的；风洞观察窗采用保温、隔热的双层钢化玻璃，且其外部配有移动保温门，既保证观察，又避免室外太阳辐射对部分试验的影响。风洞洞体顶部装设由遮阳装置、喷雾装置组成的透明玻璃遮阳棚，以降低日照雨淋对于风洞洞体老化和风洞试验的影响，同时保证风洞实验室整体白天的采光需求及内部舒适性。

图1 多参数热湿气候风洞三维模型图

图2 多参数热湿气候风洞剖面图A-A（单位：mm）

图3 多参数热湿气候风洞剖面图B-B（单位：mm）

图4 多参数热湿气候风洞平面布置示意图（单位：mm）

2 DHCWT风洞各参数的实现

2.1 风速的实现

风洞内气流循环采用一台变频轴流风机，风量范围为13 500~270 000 m3/h，电机功率110 kW，直径为2 m。通过计算机读入设定风速，传输到风速控制器，经传感器反馈值与设定值的差值运算后，自动调节变频器的频率，在风洞试验段实现风速在0.5~10 m/s范围内连续可调。

风机段进出口为圆形截面，前后风管为矩形截面，为减小气流的分流，在风机前后增加过渡段。由于过渡段的长度并没有严格的设计要求，但需长度应适宜，过长会增加风洞设备的制造成本，过短又会影响到风机段的流动特性，综合Fluent软件模拟结果，最终设置过渡段长度为1.75 m，如图1和5所示。此外，为改善试验段气流特性，在试验段入口设置蜂窝器和阻尼网组成的稳定段。蜂窝器长度长度越大，导直气流效果越好，但是能量损失增加，口径值越小，蜂窝器对降低紊流度的效果越明显。根据相关研究/常取8~12[10]，这里采用损失系数较小的六角形蜂窝器，由树脂结构的蜂窝格子热压而成，/取10，为300 mm。为进一步降低湍流度[11]，在试验段入口布置1层7.9目/cm（20目/英寸）的阻尼网，从而在风洞内实现均匀分布的流场。通过测量系统中的热线风速仪和三维超声波风速仪的测试，在最大风速时，风洞试验段入口截面风速平均偏差系数为1.72%，湍流度为1.35%，其均匀性和湍流度均满足风洞设计要求[12]。

图5 风洞过渡段三维结构图（单位：mm）

2.2 温度、湿度的实现

为实现风洞内温度和湿度的精密调节，在风洞洞体围护结构保温设计较好的基础上，风洞配置的设备包括1台制冷机组、1组表冷器、2组加热器、1台转除湿机、1组电蒸汽加湿器、1台冷却塔、1个冷水保温水箱、1个热水保温水箱。

由于风洞内气流的加热和除湿，相比制冷和加湿，其响应存在滞后性，为提高其响应速度，采用三级加热、三级除湿的方式，控制流程如图6所示。风机驱动气流循环经一级空气调节除湿表冷器、二级露点除湿专用表冷器、三级高效转轮除湿机实现三级快速除湿；气流经表冷器进行一级升温，再经过两组加热器实现三级快速加热。通过智能耦合控制，在试验段入口实现风洞内温度10~40 ℃、相对湿度的耦合范围为40%~98%。

图6 温度和湿度控制流程图

2.3 太阳辐射照度模拟的实现

风洞试验段上部灯槽共安装141盏175 W红外灯模拟太阳光源，可瞬时启动，光源能量主要分布在300~3000 nm波长内，基本包含了太阳辐射的中短波辐射280~2500 nm波长。通过控制系统设定太阳辐射照度值，经辐射照度表反馈值与设定值的差值运算后，自动调节光源的输入功率，在试件表面获得设置的太阳辐射照度。同时，灯槽顶部设置冷辐射板，及时带走光源产生的热量，保持灯槽空间的温度在50 ℃以下，保证太阳辐射灯的正常工作。

根据风洞内部构造、316钢板壁面以及玻璃观察窗表面对于光源反射的不同影响，并考虑经济成本，在灯阵中央区域采用稀疏布置的梅花型阵列；灯阵的前后区域，由于无钢板壁面的反射叠加作用，采用加密的矩阵阵列；灯阵的左右区域，根据钢板壁面和玻璃壁面的反射叠加程度不同，采用矩阵阵列并进行局部调整，见图7。在距离辐射灯底部2.5 m处的试件槽表面，测得动态范围为0~1000 W/m2，可无极调节。

图7 灯阵平面布置图（单位：mm）

2.4 天空有效温度模拟的实现

天空有效温度是计算天空长波辐射量的关键参数。在DHCWT实验段上部采用尺寸为3 m×3 m的辐射板与辐射灯耦合布置。为保证温度分布的均匀性和动态调节的快速响应，在辐射板上设置8条水路，9个温度控制点。在控制系统中输入天空有效温度设定值，经测点反馈值的平均值与设定值的差值运算，调节冷、热水的供水量，实现天空有效温度在7~45 ℃的动态控制。

2.5 降雨的实现

风洞的降雨模拟系统由流量高、中、低3组不同孔径（13.1 mm、6.0 mm、3.6 mm）的FullJet型雨滴模拟喷头，不锈钢分水、供水、过滤系统，便携式降雨测控系统组成。通过测控系统反馈值与设定值的差值比较，实时调整降雨喷头的供水量和压力、降雨喷头以及供水温度，在试验段可实现降雨强度为5~ 200 mm/h的动态控制范围。

2.6 盐雾的实现

风洞的盐雾系统是按比例配制好盐溶液过滤后输送到盐雾发生箱中，经超声波雾化器，产生分散精细而湿润的浓雾，通过调节喷雾压力和喷嘴孔径开度可调节盐雾颗粒直径大小，经风洞中的盐雾喷嘴均匀分布在试验段中，根据盐雾收集器收集试验段中的盐溶液样本，以测试盐雾的沉降率，及时补充盐溶液。风洞内暴露于盐雾环境下的部位均做耐盐防腐蚀处理。实验段内的盐雾浓度的动态控制范围为0.3~25 mg/m3，盐雾颗粒直径大小1~5 μm占85%以上，可满足沿海城市及海岛地区的大气盐雾浓度范围[13]。

2.7 空调小室

空调小室位于风洞试验段下方，采用2 HP风冷压缩冷凝机组和功率为6 kW的电加热器调节温度，并且在其送风和出风口采用孔板型风口，保证空调小室内风场和温度场的均匀性。空调小室温度控制范围为16~30 ℃，风速≤0.5 m/s。

3 DHCWT动态周期性工况模拟

DHCWT风洞不仅可以对单一气候参数实现稳定控制，也可实现多参数动态耦合控制。本节对热湿地区广州夏季典型气象日[14]进行连续3 d的动态复现试验，并采用标准差评价动态周期性工况的控制偏差。各参数动态周期性模拟结果如表1和图8所示。

各参数的测量值均能较好跟踪其设定值，仅在风速较低且相对湿度较高时，空气温度和天空有效温度出现较大的波动；空气温度在高湿且低风速的一段时间内，个别点的测量值与控制值绝对偏差大于0.2 ℃，其他大部分偏差均在±0.2 ℃以内；天空有效温度在高温高湿且低风速的这段段时间内，测量值与控制值的绝对偏差大于0.5 ℃，其他均在0.5 ℃以内。

表1 各参数的动态控制偏差

图8 各参数周期性动态模拟结果

4 结论

（1）自主研发的多参数动态热湿气候风洞，通过设置相关气候参数的设备，实现了室外自然气候中风速、温度、湿度、太阳辐射照度、天空背景辐射温度、降雨、盐雾共7个参数的模拟，控制范围分别为0.5~ 10 m/s、10~40 ℃、40%~98%、0~1000 W/m2、7~45 ℃、5~200 mm/h、0.3~25 mg/m3。对广州夏季典型气象日连续测试表明，测量值与控制值的标准差分别为0.01 m/s、0.19 ℃、0.53%、0.96 W/m2、0.35 ℃。该风洞的建设，为大陆及海岛极端含盐热湿气候环境下，建筑物理的研究提供了新的实验平台。

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Development of multi-parameter dynamic hot-humid climate wind tunnel

LI Lingling, MENG Qinglin, ZHANG Lei, LI Qiong

(State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

A multi-parameter dynamic hot-humid climate wind tunnel is independently developed and built, and the equipment configuration of seven parameters, namely temperature, humidity, solar radiation illumination, sky effective temperature, rainfall, wind speed and salt fog is completed. By taking typical environmental parameters as an example, the coupling experimental results of some climatic parameters are presented. From the experimental results, it can be seen that the design has achieved the expected goal. The construction of the wind tunnel provides a new experimental platform for the study of thermal and physical properties of buildings in the extreme salt-bearing hot-humid climate of the mainland and islands.

wind tunnel; multi-parameter; dynamic state; hot-humid climate;

V211.74

A

1002-4956(2019)10-0095-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.023

2019-02-21

国家自然科学基金重大项目（51590912）；国家自然科学基金项目（51678243）；广东省自然科学基金项目（2016A030313506）

李令令（1990—），女，河南周口，博士研究生，主要从事建筑热环境与节能研究。E-mail: huananlilingling@163.com

孟庆林（1963—），男，吉林海龙，教授，博士生导师，主要从事建筑物理与节能技术研究。