专题研讨 小型直流式风力机实验风洞的流场特性研究 于佳，臧建彬，刘叶弟 （同济大学机械工程学院。上海２０１８０４） 摘要：同济大学新建的小型直流式风力机实验风洞，送风段包括进风稳定段、风机段、过渡 段和蜂窝器段。本文实验段流场特性的研究是根据测量风速，以风速均匀性、稳定性为指标，分 析风洞性能的评价方法。实验采用杯式风速计测量风速，根据计算所得的风速均匀性以及风速 稳定性，确定了距风洞出口５ｍ处为最佳的实验断面。进一步测量５ｍ处截面的风速一电机频率 的关系，结果表明气体流速随风机工作频率呈直线变化。 关键词：小型风力机实验风洞； 风速均匀性； 气流稳定性 中图分类号：ＴＫ８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—８４４９（２０１１）０５—００１１—０３ Ｏ 引言 风洞是进行空气动力学实验的一项基本设备，为 分割成小漩涡，使其平行于风洞轴线。同时，蜂窝管道 对气流的摩擦还有利于改善气流的速度分布。气流经 过蜂窝器，到达风洞出口，进入实验范围Ｉ５］。蜂窝器段的 尺寸长度为５００ｒａｍ。风洞侧视图如图１所示。 流体力学的研究试验提供所需的流场。风洞实验的主 要任务是正确模拟气流流过实物的流态并提供精确的 实验数据，为进一步改进设计方案、改善被测物体的空 气动力学特性提供可靠的依据。风洞的气流特性好坏 直接关系到空气动力学研究的成败【１】。 低速风洞可分为直流式和回流式两种圆。直流式风 洞的气流经过实验段后直接排入大气，实验段的气流 易受外界影响，但占地小、投资少；回流式风洞的气流 在洞内形成一条循环回路，不受外界干扰，流场品质 好，但占地大，造价比直流式要高ｆ３］。 同济大学于２０１１年新建成的一台小型直流式风 力机实验风洞。该实验风洞全长２．７ｍ，内径１．４ｍ，共分 为四段。第一段为进风稳定段，尺寸长度为５００ｍｍ。第 二段为风机段，内置混流式风机一台，尺寸长度为 Ｉ．５ Ｑ－Ｌ ＱＱ １．８ＱＱ．Ｌ ＱＱ．Ｉ 进风 风机段 过渡段蜂窝器段 稳定段 图１小型直流式风力机实验风洞侧视图 １ 风洞的性能要求及其测试方法 在实验风洞使用前，必须对实验风洞进行性能测 试（流场校测），帮助研究者较好地了解实验条件，为空 气动力学实验奠定基础圆。流场校测的目的是为了减小 和消除系统误差，确保实验段流场性能。因此，需要测 量风洞实验段中气流参数的空间分布，再根据测试的 ９００ｍｍ。采用０￣５０Ｈｚ变频调速，利用变频器改变电源 频率，从而调节电机转速，电动机带动风机改变风量 。 第三段为过渡段，是一段空置的气流发展空间，尺寸长 度为８００ｍｍ。第四段为蜂窝器段，蜂窝器由薄铁板相 互交叉连接形成方形的整流栅格管道，形状如同蜂窝。 蜂窝器的作用在于导通气流，把气流中的大尺度漩涡 数值结果对实验段的流动特性进行研究分析，确定风 专题研讨 速范围以及气流品质，选取最佳的实验范围。 实验段是安装实验装置的空间，它的气流动力特 性直接影响实验结果的可靠性，因此实验段的气流特 性是评价实验风洞质量的重要指标。实验段的气流特 性包括风速均匀性及稳定性。 、３０ｍｍ、５０ｍｍ、７０ｍｍ处的６个测试点，即共计７个测 试点。如图２所示。 首先，将风机频率设定为１５Ｈｚ，将测得的每个截 面的平均风速进行计算分析，根据风速稳定性和均匀 性的定义分别计算出各个截面的卵和 。计算结果如 表１、图３所示。 表１不同截面的气流特性 所谓风速均匀性，是指垂直于气流断面的速度空 间分布情况。一般将该指标描述为：风洞试验段内不同 截面内各个测试点的气流速度与气流平均速度相对偏 差的均方根。按照规定保证风速均匀性小于某一给定 值，即表示评价实验风洞质量的该项指标达标。 风速均匀性的定义式为： 厂———— ＝—‘—■—～ Ｖ （ ） （ ） 式中ｎ一测量点数； 一第 点的速度偏差，即第ｉ点的速度与气流 平均速度之差，ｒｎ／ｓ； —气流平均速度，ｍ／ｓ。 ｌ＋风速稳定性一风速均匀性Ｉ ∞ ∞ ∞ 加 ｍ ｏ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ● 而风速稳定性，是指垂直于气流断面的相对最大 风速波动，可按下式进行计算： 钾： ｌ＿一＿ ×１００％ （２） ＼蟮 、 ＼＼ ＼＼ ～ 式中Ｖ 一同一截面的最大或者最小速度，ｍ／ｓ。 因此，将测量距实验风洞出风口一定距离的截面 上的风速，并分析风场分布情况。 ２ ３ ｔ ／— ｉ●——一 ． 一 一 ● ４ ５ ６ ７ ８ 截面距风洞出口距离／ｍ ２ 测试结果及分析 ２．１测试方法 图３风机频率１５Ｈｚ下不同截面处的气流特性 根据表中结果，可以得出结论：各个截面的平均风 速在相同频率的条件下相差不大，这说明气流基本上 能很好地控制在１．４ｍ的圆形截面内流动。在距离风洞 采用杯式风速计测量风速。用坐标支架将杯式风 速计固定在指定的高度（测量的中心线上），通过信号 传感器，将风速记录在计算机内。测量时待气流稳定 后，计算机每ｌｓ读数１次，１ｍｉｎ为１个测量周期，最 出口较近的２－４ｍ处，风速稳定性和均匀性都较差，因 此不能作为实验的区域。根据在４～８ｍ截面处的风速 稳定性和均匀性可以看出，５ｍ处的实验条件是最优 终取测量周期内风速平均值为该测量点的风速值。 ２．２测试结果 的，不论是风速稳定性还是均匀性在４—８ｍ的截面中 均是最好的。 选择距实验风洞出 口２ｍ、３ｍ、４ｍ、５ｍ、６ｍ、 在确定了５ｍ是最佳截面的前提下，改变风机频 表２不同风机频率下距风洞出口５ｍ处的气流特性 ７ｍ、８ｍ处的截面为研 究对象，在每个通过截 面中心的水平线上选取 测试点。截面中心本身 为一个测试点（０点）， 再取距离截面中心 －７０ｍｍ、－５０ｍｍ、－３０ｍｍ 图２风速测量点示意图 专题研讨 率，检验该截面在不同风速下的实验性能，同时得出 系。测量计算的结果见表２。 ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ Ｏ 同济大学小型直流式风力机实验风洞为１台开路 ５ｍ的实验断面处气体流速随风机工作频率变化的关 根据计算结果，可以看出：５ｍ处在不同风速下的 风速稳定性在１３．１９％～１８．３９％，风速均匀性在０．１２～ 风洞，内径１．４ｍ，全长２．７ｍ。根据实验测量的风速数据 分析，找到了风速稳定性以及风速均匀性最佳的截面， 即距离风洞出口５ｍ处。该截面风速与风机频率之问 呈线性关系，且风速稳定性以及均匀性几乎不受风机 频率的影响。 由此可见，此开路风洞占用的场地空间小，制造成 ０．１４，都完全符合实验的要求。 风机频率从ｌＯＨｚ变化到３５Ｈｚ，相应的风速可调 节范围为２．２８～８．５３ ｒｒｄｓ。用ｏｒｉｇｉｎ作图工具对数值进 行处理可以得到风速一频率关系如图４所示。由图可 知，风速与风机频率之间呈现线性关系。 本比较低，而且从性能上也具有可观且稳定的风速稳 定性以及均匀性。在使用该实验风洞时，根据所需的风 速调整风机频率，即可满足相应的实验条件。 参考文献： 【１］１刘连山，赵兰水．１．２ Ｉｎ ｘ １ ｍ小型低速风洞的数据采集与处理系统［Ｊ］． 暑 ＼ 山东工业大学学报，２０００，３０（５）：４３５～４４９． ［２］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． 霉 ［３］王丽瑛，王琪．实用直流式低速风洞的研究【ＪＪ．吉林化工学院学报， ２００７，２４（２）：５５～５７． ［４１赛庆毅，殷忠民，王欣．小型校准风洞的设计及变频调速数据自动采 １ ２ ３ ４ ５ ６ 集系统【ＪＪ＿上海理工大学学报，２００４，２６（２）：１３４～１３７． ［５］Ｒ．Ｄ．梅塔，Ｐ．布雷德肖，胡宗雄，龙斯仁．小型低速风洞设计原则叨． 风机频率／Ｈｚ 图４风洞出口５ｍ处风速一风机频率关系曲线 矿业安全与环保，１９８３，０１：６３～７２． 收稿日期：２０１１一Ｏ７—０６ ３ 结语 修回日期：２０１ １一Ｏ８—２９ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ Ｓｍａｌｌ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ ＹＵ Ｊｉａ， ＺＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｂｉｎ，ＬＩＵ Ｙｅ－ｄｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎ＃ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｍａｌｌ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｎ ｔｏｎｇｊｉ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｓｅｃｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｉｎｆｌｏｗ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｆａｎ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ，ｅｖａｌｕａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｃｕｐ—ｔｙｐｅ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，５ｍ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ５ ｍ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｈａｓ ａ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｌｉｎｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｆａｎ’Ｓ￣ｅｑｕｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ； ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ａｉｒ ｓｐｅｅｄ； ａｉｒ ｆｌｏｗ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 作者简介： 于佳（１９８８一），女，江苏扬州人，硕士研究生，研究方向：建筑新能源应用。 一——’ 。。。。 — ：广告索引 、封底：深圳麦克维尔空调有限公司 封二：垄霖冷冻机械（上海）有限公司 封三：中国制冷展 前插二：杭州华电华源环境工程有限公司 ， 前插三：杭州华电华源环境工程有限公司 前插四：乐星空调系统（山东）有限公司 封面：宁波奥克斯空调公司 封拉：东芝开利空调销售（上海）有限公司 前插一：浙江盾安机电科技有限公司