风洞流场特性分析.pdf

年 月 第 卷 第 期 机床与液压 收稿日期 作者简介 齐世龙 硕士 助理工程师 研究方向为风力发电机结构有限元分析 空气动力学等 风洞流场特性分析 齐世龙 周连俊 陈载宇 上海华仪风能电气有限公司 上海 南京理工大学自动化学院 江苏南京 摘要 根据不可压缩流体理论 加载修正后的入口风速表达式 并利用流体仿真软件建立风洞模型 对流场进行仿真 分析 通过对比实验数据与仿真结果来验证模型的合理性 并对改进收缩段风洞进行仿真 比较两组风洞的流场品质 通 过对流体域入口及出口处气流速度的积分运算 计算出风能利用率的差值 结果表明 改进模型能够进一步提高风洞内空 气的流速 增强风能的利用效率 关键词 风洞 流场品质 风能利用率 中图分类号 文献标识码 文章编号 风洞设计要求洞体壁面处不应有压力中断或逆压 力梯度 以免发生边界层分离 作为风洞的重要部 件 收缩段具有提高试验段的气流品质的作用 可改 善流场的均匀性 稳定性 降低湍流度 孔祥言 提出了一种新的亚声速二维风洞的收 缩段设计方法 该方法可以降低边界层对风洞的影 响 刘正权等 针对具有不确定复合材料参数的某风 洞收缩段和风扇叶片 利用区间参数顶点法和有限元 软件建模 对位移变化区间及其不确定度进行计算分 析 得到了最大气动载荷下最大位移区间 刘卫红 采用 算法计算了 种 常 用 的收 缩 曲线 即 曲线 五次方曲线和双三次方曲线 对收 缩段内流场的影响 证明了该算法具有较快的收敛速 度 林超强等 采用差分方法和贴体坐标 以 格式进行离散化并利用 方法 对 种常用的收缩 曲线的三元流场进行了具体计算和比较 总结出三元 收缩段流动的特点 给出了流动三元性对壁面逆压梯 度和出口均匀性影响的数值结果 这些方法都假设风 洞入口处的气流均匀 而实际收缩段会对来流产生阻 碍效果 壁面的黏滞作用也会影响气流分布 文中考虑到收缩段前沿对来流的影响 设置较大 的流体域 体现出流固耦合作用 并参照实际供风情 况 修正流体域入口处的速度表达式 计算流体域的 流场分布 得到风洞入口处压强分布规律 通过对风 洞入口及出口处风速的坐标函数积分计算风能利用 率 风洞模型设计 风洞的计算模型结构如图 所示 分为流体域和 风洞洞体两类 其中 风洞洞体为圆形截面 由收缩 段 工作段及扩散段 个部分组成 洞体以外的其他 区域为计算的流体域 上下边界为壁面 左侧边界为 入口端 右侧边界为出口端 图 风洞模型结构示意图 收缩段凭借逐渐减小的切角来提高气流水平方 向的运动速度 改善流场品质 收缩段的设计应满足 如下要求 气流流过收缩段时 流速增加 避免气流 在洞壁发生分离 出口处气流速度分布均匀 稳定 工作段的横截面保持一致 目的是使上游来流平稳 均匀地流过 工作段内的气流速度和方向不发生明显 变化 扩散段的横截面积沿着气流方向逐渐增大 用 于逐渐降低来流的速度 使气流的动能转化为压力 能 由于气流的能量与速度的三次方成正比 所以 为减少能量的损失 应尽快降低气流的速度 出口的 速度分布可以表征风洞模型的品质 洞体设计参数 此次仿真使用的风洞模型数据分为两组 参照文 献 设计的风洞模型 以下简称 文献模型 及将其收缩段进行改进的维托辛斯基曲线模型 以 下简称 维氏模型 模型参数如表 所示 表 风洞模型基本参数 入口截面半径 扩散段长度 收缩段长度 出口截面半径 工作段长度 收缩比 对应开口式风洞 模型的工作段长度等于横截面 积当量直径 洞体厚度取 为保证连续 洞 体前后沿经过倒圆角处理 圆角处曲率较大 按照收 敛性要求 此处网格划分要求更为细密 维氏模型风洞收缩段为维托辛斯基曲线 表达式 为 槡 其中 为距进口处的距离 表示 位置处的截面 直径 根据式 绘制的收缩段曲线如图 所示 图 维氏收缩段曲线 为保证流场品质 控制壁面影响 流体域设计成 尺寸为 的矩形面 求解域参数及边界条件 求解域参数如表 所示 流体的运动没有外力干 扰 表 求解域参数表 环境温度 密度 运动黏度 初始体积力 初始体积力 考虑到风扇动力系统供风在轴向和径向的不均匀 性 入口和相邻两边的交界点上就会存在一个速度突 变 因此流体域入口处的速度轮廓是抛物线形 为实 现交界点处流速的平滑过渡 改善流体计算的收敛 性 引入变量 入口边界风速表达式为 最大风速 取 在流体域入口边界 上 沿 方向变量 从 到 取值 出口处为开边界 初始压力设置为 流体的控制方程 对于不可压缩流体 其运动表述如下 其中 为空气密度 为有效面积 表示动黏滞 系数 初始体积力 为压强 为速度 向量 表示哈密顿 算子 模拟结果与分析 速度分布 两组模型的流场稳态仿真结果如图 所示 图 中的流体运动速度最大值达到 文 献 中提供了模型的风洞实验数据 该值为 误差率为 考虑到实验结果受到支架干 扰 铅丝 及洞壁干扰的不确定性 认为该误差 是合理的 入口处的风速呈抛物线形式分布 靠近入 口处相邻两边界的气流逐渐趋近于停滞 图 中流体运动速度最大值为 经过风洞的 流体分离为两个部分 一部分偏转进入风洞洞体 由于截面积收缩 根据连续性可知其流速得到提 高 另一部分绕过收缩段前沿并与洞体外壁发生分 离形成低速区 低速区外侧的气流由于受到压缩 流速也得到明显提高 速度场的整体分布趋势与文 献 一致 第 期齐世龙 等 风洞流场特性分析 图 不同模型的速度场仿真结果 相比于文献模型 维氏模型中低速区的外沿气流 开始剥离形成紊流 速度等位图如图 所示 但没有 出现明显的涡街 图 维氏模型速度等位图 图 中心轴线上 的速度分布 取中心轴线上 段的 速度值 绘制的速度曲线 如图 所示 在风洞入口 前 处 文献模型 中该处的流速基本保持在 入口边界的最大值 在到达风洞入口前 流速线性下降 后方 处速度达到最大值 其后流速逐渐衰减到接近于入口处的速度值 压力分布 图 测试段上的 压强分布 取风洞入口处 段 作为测试线 调取该线上 各点的压力值绘制曲线如 图 所示 可知 两模型 中风洞入口处的压力分布 规律相似 从边缘到中心 压力分布都是先增后减 维氏模型中风洞入口处的 压力值可达 大于 文献模型中的 前者在中心处的最小压力值为 也大于后者在该处的 而且后者在两边 处的风速下降得更快 该压力分布趋势 高低压区 位置 及速度场分布与文献 结果一致 由图 可知 维氏曲线型的收缩段更有利于提高 风洞入口处的风速 风能利用率的计算 图 出口处速度分 布及拟合曲线 为计算流体域出口处 的风能 从两组仿真结果 中输出流体域出口 段各点的速度分布值 对 应坐标绘制速度曲线 并 采用禁忌搜索算法对其进 行拟合 结果如图 所示 两组拟合曲线的相关系数 都达到 以上 偏差 都主要在 之间 为进一步提高相关系数 对偏差段以二次函数进行拟合 风能 其中 表示质量流量 表示风速 为空气密度 风能利用率 式中 分别表示入口和出口处的风能 由于两模型入口处速度表达式一致 对应的入口 处风能也相等 风能利用变化率 对拟合得到的出口速度表达式 三次方后 再对坐标进行积分 代入上式计算知 维氏模型下风 洞的风能利用率比文献中的模型提高了 结论 通过仿真并对结果进行分析 得到风洞流场的分 布规律 对比了两种不同收缩段曲线的风能利用率 下转第 页 机床与液压第 卷 在速度信号反馈通路上加入低通滤波器 以削 弱高频噪声 设置速度通道的低通滤波器的增益为 时间常数为 伺服放大器增益为 得 到的仿真曲线如图 所示 图 加入速度反馈的输入信号与输出位移曲线图 图 加入速度反馈的动 态位置误差曲线图 图 加入速度反馈的液 压缸速度曲线图 从仿真曲线可以看出 系统的响应速度加快 输 出位移能迅速地跟踪输入信号 在开环增益仍为 的条件下 动态位置误差最大值达 满足 系统动态位置误差的要求 且有较大的余量 从图 可以看出 液压缸活塞杆运动平稳 速度无明显 的波动 可见 在位置伺服控制系统中引入速度信号 进行补偿 使得整个系统的响应速度加快 在开环增 益满足系统稳定性的前提下有效地降低了系统的动态 位置误差 结论 基于 图形环境对电液位置控制系统进行 了建模 仿真分析了不同开环增益 对系统动态性 能的影响 为了满足性能指标的要求 将液压缸活塞 杆的速度信号反馈给输入端 并在速度信号通道附加 一个低通滤波器 通过仿真对比发现 在系统稳定的 前提下 既加快了系统的动态响应速度 又降低了系 统的动态位置误差 达到了理想效果 参考文献 李成功 和彦淼 液压系统建模与仿真分析 北京 航空工业出版社 付永领 祈晓野 系统建模和 仿真参考手册 北京 北京航空航天大学出版社 王春行 液压控制系统 北京 机械工业出版社 孙静 王新民 金国举 基于 的液压位置控制系 统动态特性研究 机床与液压 江玲玲 基于 的液压系统动态特性仿真与优化 研究 绵阳 西南科技大学 苏东海 孙占文 仿真技术在电液位置同步系 统中的应用 液压气动与密封 上接第 页 文献模型仿真得到的最大流速可达 与实验数据相比误差为 说明所建模型 合理 维氏模型中流速最大值为 说明维 氏收缩段比文献中提供的收缩段能更好地实现风速的 提高 文献模型风洞入口前 处的流速达 维氏模型该处空气流速可达 在到达 风洞入口前流速线性下降 在距风洞入口后方 处两模型中流速达到最大值 其后流速逐渐衰减 到接近于入口处的速度值 在维氏模型流场中观察到 了局部气流分离现象 在风洞入口处 从边缘到对称中心压力分 布都是先增后减 维氏模型中风洞入口处的压力值可 达 大于文献模型中的 前者在中心处 的最小压力值为 也大于后者在该处的 而且后者在两边处的风速下降得更快 维氏模型下风洞的风能利用率比文献中的 模型提高了 参考文献 孔祥言 亚声速二维风洞收缩段的设计 空气动力 学学报 刘正权 陈吉云 王晓军 等 某立式风洞收缩段及风扇 叶片的位移区间分析 北