内窥镜在气象低速风洞的应用与流速稳定性分析

武灿灿，颜平江，李文博

（天津市气象探测中心，天津 300061）

0 引言

风洞，即风洞实验室，是以人工的方式产生并控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，能量度气流对实体的作用效果，观察物理现象的一种管道状实验设备，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一[1-3]。DZS-II 型气象低速风洞能够根据设定值，在其内部产生稳定的气流，主要用于风速仪的检定与校准工作。风速仪广泛应用于气象、环境保护、消防等部门，其示值的准确与否直接关系到防灾减灾、公共安全以及节能减排等工作的成效[4-5]。DZS-II 型气象低速风洞具有操作简单、准确可靠的特点，作为检定、校准风速传感器和风速仪的设备，其作用不言而喻[6]。

随着科技的发展，风速仪逐步向着轻便化、一体化的方向发展，应用的行业领域也更加广泛[7-10]。然而，风速仪较高的集成度为试验过程中数据的读取和仪器状态的了解带来了困难。因此，此类风速仪的校准需要在风洞内部通过添加摄影设备以实现可视化功能。内窥镜是集光学、精密机械、现代电子和软件于一体的现代精密检测仪器，广泛应用在医学、工业、汽车制造和修理行业[11]。通过在DZS-II 型低速风洞内加装内窥镜的方式实现风洞内部可视化，从而解决现有风洞无法校准便携式手持风速仪的问题，并通过试验探索加装内窥镜前后以及在风洞内部不同位置加装内窥镜对风洞流速稳定性的影响。

1 试验仪器

试验中用到的标准器为皮托静压管与数字压力计，配套设备为DZS-II 型低速风洞、数字气压计和温湿度记录仪。其主要技术指标见表1。

表1 标准器及配套设备主要技术指标

天津地区气象计量业务使用的风洞为DZS-II 型低速风洞，主要由收缩段、试验段、扩散段和风机组成，如图1 所示，试验段的长度约225 cm，整个试验段的形状类似管道状，管内直径约50 cm。试验段是风速最稳定的区域，也是日常使用最多的区域，通常把标准设备和被测设备放到该段进行试验。对风洞内部进行可视化改造，将内窥镜加装于试验段，分别将其与皮托静压管放入试验段，通过控制风洞内空气流速，利用数字压力计读取风压并计算出相应的标准风速示值。

图1 风洞结构

试验中用到的内窥镜为工业超清内窥镜，镜头直径12.5 mm，长度48 mm，镜头变焦方式为数码变焦，该镜头可根据物体的距离自动变焦。软管连接镜头与内窥镜屏幕，软管直径约8 mm，在试验过程中可根据需要手动调节软管的角度以控制内窥镜位置。

试验中的DZS-II 型低速风洞、皮托管、数字压力计、数字气压计仪器等设备均正在使用，且经过法定计量检定机构定期溯源，处于检定有效期内。试验过程中的环境温度、湿度均符合测试规范的相关要求。

2 风洞流速稳定性性能测试试验

2.1 测试依据

试验方法依据QX/T 84—2007《气象低速风洞性能测试规范》[12]。

2.2 流速稳定性测试

2.2.1 内窥镜镜头放置点的选择

没有加装内窥镜时，选择试验段仪器安装截面中心；加装内窥镜后，在保证图像清晰稳定的情况下，分别将内窥镜镜头放置在风洞试验段截面中间位置、侧面及试验段与扩散段交界处截面中下方。

2.2.2 流速选择

参照国家气象计量站对本风洞的稳定性性能测试报告，稳定性测试选择2 m/s、20 m/s、40 m/s（被测截面流速）3 种流速。

2.2.3 测试步骤

（1）将皮托管迎风端安装在所选试验段截面中心，测试不加装内窥镜时风洞的流场稳定性。

（2）通过调整控制器频率从而控制电机转速[13]，使流速稳定在选定流速。流速稳定后每隔5 s 读一次标准风速值，测试时间为1 min，每种流速下测3 次。

（3）皮托管位置不动，将内窥镜软管固定在风洞一侧内壁上以调节合适的镜头角度，分别将内窥镜镜头放置在风洞试验段截面中间位置、侧面及试验段与扩散段交界处截面中下方。镜头所在位置如图2 所示。

图2 内窥镜镜头位置

（4）重复步骤（2），测量内窥镜镜头分别放置在风洞试验段截面中间位置、侧面及试验段与扩散段交界处截面中下方时风洞的流场稳定性。

3 试验数据处理及分析

每分钟的流速稳定性系数按照式（1）计算。

式中，η 为稳定性系数；vi为某次测试中第i 个瞬时流速值，m/s；为某次测试1 min 内的平均流速值，m/s。

将这3 种流速下3 次测得的稳定性系数计算出算术平均值，为所测风洞该流速下的稳定性系数。通常风洞在某一流速下的稳定性系数不大于0.5%[14]。

按照风洞流速稳定性测试步骤对不加装内窥镜的风洞进行稳定性测试，测试数据见表2。

表2 无加装内窥镜风洞测试数据 m/s

计算3 次测得的稳定性系数的平均值，结果见表3。

由表3 可知，不加装内窥镜时，风洞在各测试点的流速稳定性均在0.5%及以下。测试点20 m/s 和40 m/s 的流速稳定性系数均小于0.5%，由于低风速时风洞风场的稳定性受外界影响较大，所以测试点为2 m/s 时的流速稳定性系数为0.50%。总体来说，不加装内窥镜时风洞内流速稳定性系数符合风洞测试标准。

表3 无加装内窥镜风洞稳定性系数

将内窥镜镜头放置在试验段截面中间位置时，3 次测得的稳定性系数平均值见表4。

由表4 可知，测试点为2 m/s时，风洞内流速稳定性系数最大，2 m/s 和20 m/s 时的流速稳定性系数均大于0.5%，测试点为40 m/s 时的流速稳定性系数最小。其原因一方面是在风洞试验段加装内窥镜后气流经过内窥镜镜头后空气流场发生变化，对皮托管前段气流稳定性造成影响；另一方面由于内窥镜软管用胶带固定在试验段侧面内壁上，给试验段内空气流场的稳定性增加了干扰因素。

表4 内窥镜加装在试验段中间时风洞稳定性系数

将内窥镜镜头放置在试验段截面侧面时，3 次测得的稳定性系数平均值数据见表5。

由表5 可知，将内窥镜镜头放置在侧面后，在2 m/s 和20 m/s 时风洞内流速稳定性系数依然大于0.5%。在风洞试验段中加装内窥镜以后，气流在经过该截面段时的截面变小，根据伯努利原理，导致流速瞬时值增大，所以前后流速差增大，根据公式，的值增大，从而导致流速气流稳定性系数增大。由此可见，在风洞试验段截面的中间和侧面加装内窥镜后，对风洞中的中低流速的稳定性影响较大，对高流速的稳定性影响较小。

表5 内窥镜加装在试验段侧面时风洞稳定性系数

将内窥镜镜头放置在试验段与扩散段交界处的截面中下方时，3 次测得的稳定性系数平均值数据见表6。

由表6 可知，将内窥镜镜头放在试验段于扩散段交界处的截面中下放时，在20 m/s 和40 m/s 时的流速稳定性系数较低，均在0.5%以下，但是在低风速的2 m/s时，稳定性系数高于0.5%。内窥镜镜头在该位置时，由于风洞内壁软管及胶带的影响，导致低风速时的摩擦力和阻力增大，中高风速时受摩擦力和阻力的影响比较小。因此，在该位置放置内窥镜镜头对低风速的流速稳定性影响较大，对中高风速的流速稳定性影响很小。

表6 内窥镜加装在交界处截面中下方时风洞稳定性系数

为了便于比较和分析，将国家计量站对本风洞的测试结果与不同试验位置下的稳定性系数进行数据汇总（图3）。

图3 稳定性系数汇总

从图3 可以看出，在风洞内加装内窥镜对风洞内流速的稳定性有一定的影响，风洞在不加装内窥镜时得到的稳定性系数与国家计量站测试报告中的数据基本一致。在风洞试验段加装内窥镜后，增加了气体与内窥镜镜头之间的摩擦力，使得风格洞内流速阻力增加，稳定性系数增大。在试验段截面中间和侧面加装内窥镜使截面减小，某一瞬时流速值会突然变大，导致气流在经过内窥镜镜头前后的流速差增大，稳定性系数增大。试验证实，无论将内窥镜镜头放置在哪个位置都对2 m/s 的流速稳定性有较大的影响，均大于0.5%，但是对高风速流速的稳定性影响较小。所以，将内窥镜镜头加装在截面中间及侧面时，中低风速段风洞风场的稳定性受外界影响较大，高风速段风洞风场的稳定性受外界影响较小。将内窥镜镜头加装在试验段与扩散段交界处中下方时，低风速段风洞风场的稳定性受外界影响较大，中高风速段风洞风场的稳定性受外界影响较小。

4 结论

DZS-II 型气象低速风洞在风速仪的检定与校准中发挥着重要作用，但在使用过程中发现因为风洞内部因缺少可视化设备导致便携式手持风速仪无法校准。因此，为了解决该问题，通过在风洞内部加装内窥镜的形式对风洞内部进行可视化改造，通过试验的方式探索内窥镜镜头在不同位置对风洞内部流速稳定性的影响。试验表明，在保证内窥镜图像清晰稳定的前提下，将镜头加装在风洞试验段截面中间及侧面时，对风洞内2 m/s和20 m/s 时的流速稳定性影响较大，对40 m/s 时的流速稳定性影响较小；将内窥镜镜头加装在试验段与扩散段交界处中下方时，对风洞内2 m/s 时的流速稳定性影响较大，对20 m/s 和40 m/s 时的流速稳定性影响较小。

未来可通过选用规格更小的内窥镜、更换其他无线连接摄影设备，或将摄影设备安装在离风洞试验段更远位置的方式解决风洞流速稳定性问题，实现风洞内部可视化，使风洞更好的投入气象及各行业的应用中。