A輯第27卷第2期水動力學(xué)研究與進(jìn)展Vol.27,N.22012年3月CHINESE JOURNAL OF HYDRODYNAMICSDoI:103969/issn0004874201202014CFD在風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用李金成,陳作鋼,代燚(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海200030,E-mail:bigboy315@sjtu.edu.cn)搞:上海交通大學(xué)在建的風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)備由低速風(fēng)洞和循環(huán)水槽兩部分組成,由于該實(shí)驗(yàn)設(shè)施的獨(dú)創(chuàng)性使得設(shè)計(jì)上存在諸多難點(diǎn),本文采用CFD數(shù)值模擬,探討提高串列式雙試驗(yàn)段風(fēng)洞的流場指標(biāo)的方法,預(yù)測因地基沉降造成的水槽傾斜對循環(huán)水槽計(jì)測部流場的影響,風(fēng)洞風(fēng)扇段的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。風(fēng)洞內(nèi)部流場的整體模擬再現(xiàn)了流動分離等現(xiàn)象,而在擴(kuò)張段中安裝分隔板有效地抑制了流動分離,顯著提高了試驗(yàn)段流場的均一性,旁路風(fēng)道拐角處導(dǎo)流片采用雙圓弧型時(shí)效果較佳。循環(huán)水槽傾斜影響研究結(jié)果表明稍大的傾角可以引起計(jì)測部波面的較大變化,且計(jì)測部末端有氣泡產(chǎn)生,而在微小傾角時(shí),波面變化不明顯,可正常進(jìn)行試驗(yàn)關(guān)蠲:風(fēng)洞循環(huán)水槽:數(shù)值模擬;流場品質(zhì);傾斜中圖分類號:U66174文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ACFD application in design of windtunnel-circulating water channelLI Jin-cheng, CHEN Zuo-gang, DAIYi(School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)Abstract: The wind tunnel-circulating water channel, which is planning to be built in Shanghai Jiaotong University, iscomposed of low speed wind tunnel and circulating water channel( CwC). There are many difficulties in its design for itsoriginality. In this paper, CFD method is used to study the measures to improve flow quality and to predict the effect of CWC'sinclination on test section. Computational results on the fan section of wind tunnel are in good agreement with the experimentaldata, and flow separation is captured at the diffuser. So partitions are equipped to inhibit flow separation. The simulations alsoshow that double-arc guide vanes at comers of bypass can lead to more uniform velocity distribution at the outlet. The inclcaused by installation error or uneven sedimentation will ruin the high quality of the flow field at the test section. CWCs atinclination angles are simulated. The resuls show that wave pattems changes a lot and air bubbles produce in the test section,which is bound to ruin the experiments. However, changes are not significant at very small angles of inclination. The presentnumerical results may bring out some recommendations to the design and construction of cwc.Key words: wind tunnel-circulating water channel; simulation; uniform flow, inclination收稿日期:201105-30(2011-205修改稿)作者簡介:李金成(1987-).男,湖北黃梅人,碩士研究生通情作者:陳作鋼, Email: zichen@sjtu,edue中國煤化工Received: May 30, 2011(Revised December 5, 2011)Biography: LI Jin-cheng(1987-), Male, Master CandidateCNMHGCorrespondingautherCHENZuo-gang,Email:zgchen@sjtu.edu.cn李金成,等:CFD在風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1引言擴(kuò)散段風(fēng)扇段收縮嘴實(shí)驗(yàn)研究在船舶水動力學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。風(fēng)洞循環(huán)水槽作為一種多功能的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大試驗(yàn)段導(dǎo)流片設(shè)備以其獨(dú)特優(yōu)勢將逐漸得到廣泛應(yīng)用。上海交通大學(xué)在建的風(fēng)洞循環(huán)水槽由低速風(fēng)洞和分層流循小試驗(yàn)段環(huán)水槽兩部分組成,二者可獨(dú)立工作,也可協(xié)同工作來形成風(fēng)、浪及分層流環(huán)境下船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的流體動力性能試驗(yàn)的能力,其具有能對流場蜂窩器進(jìn)行長時(shí)間、多目標(biāo)和自動化的測量等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)流場的可視化并能研究復(fù)雜工況下的船圖1風(fēng)洞簡圖舶流體動力學(xué)響應(yīng),這些都是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置無法Fig 1. Diagram of wind tunnel比擬的。傳統(tǒng)上,風(fēng)洞和循環(huán)水槽的設(shè)計(jì)主要依賴于實(shí)2風(fēng)洞數(shù)值模擬驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式1引。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的快速發(fā)展,近年來CFD技術(shù)也逐漸應(yīng)用到風(fēng)洞和循環(huán)水槽的設(shè)計(jì)中。在循環(huán)水槽方面, Ogura等2和 Nishimoto等首先對循環(huán)水槽計(jì)測部的流風(fēng)洞循環(huán)水槽中的風(fēng)洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。該風(fēng)洞具有小試驗(yàn)段(高速試驗(yàn)段,3m×2.5mx16m場進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了抑制計(jì)測部自由面波高最大風(fēng)速60ms)和大試驗(yàn)段(低速試驗(yàn)段,6mx的方法。Chen等對循環(huán)水槽內(nèi)部流場進(jìn)行了整體35m×14m,最大風(fēng)速20ms)。小試驗(yàn)段主要用于數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了拐角流動分離現(xiàn)象,對拐角半徑船舶與海洋結(jié)構(gòu)物上層建筑物、小型建筑物以及高和導(dǎo)流片的數(shù)量與流場品質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)速運(yùn)動體的氣動載荷、風(fēng)壓分布及其流態(tài)影響測值考察;試驗(yàn)和計(jì)算的對比研究揭示了表面流加速試。大試驗(yàn)段主要用于橋梁、體育場等超大型建筑裝置的流動機(jī)理:數(shù)值研究探討了第一拐角形狀和物和機(jī)場、整個(gè)街區(qū)、工業(yè)園區(qū)等建筑群、船舶與氣泡發(fā)生量之間的關(guān)系,并對水槽的局部形狀進(jìn)行海洋結(jié)構(gòu)物上層建筑物的氣動載荷、氣動彈性響應(yīng)了改進(jìn)上海交通大學(xué)在建的風(fēng)洞循環(huán)水槽在國內(nèi)尚和風(fēng)壓分布,以及它們對周邊環(huán)境影響的測試。整個(gè)風(fēng)洞通過風(fēng)扇段的葉輪轉(zhuǎn)動來推動空氣流動,調(diào)屬首創(chuàng),并無設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供參考。CFD作為一種高節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速可以控制風(fēng)洞內(nèi)氣體流速大小。為了減效的研究手段被用于該設(shè)備的輔助設(shè)計(jì)。陳作剛少流動分離提高流場質(zhì)量,在風(fēng)洞的四個(gè)拐角處都等通過計(jì)算和試驗(yàn)的對比,得出了該循環(huán)水槽淺安裝有導(dǎo)流片,且在試驗(yàn)段的前方都安裝了蜂窩器水分層流試驗(yàn)流速不能超過03m/s等結(jié)論并通過和阻尼網(wǎng)等整流裝置。iSIGHT集成 Gambit和 Fluent,實(shí)現(xiàn)了對多功能風(fēng)由于該風(fēng)洞含有兩試驗(yàn)段,且試驗(yàn)段的橫截面此在建風(fēng)洞為串列式雙試驗(yàn)段的低速風(fēng)洞,兩積相差校大,而風(fēng)初的場地有因面低速試試驗(yàn)段截面積相差較大,且場地布置受限,這些因場品質(zhì)不佳。本文采用CFD方法,對風(fēng)洞進(jìn)行了素給氣動設(shè)計(jì)帶來較大的難度。本文采用CFD方模擬,以探索改善低速試驗(yàn)段流場的具體措施法對風(fēng)洞進(jìn)行了模擬,針對一些關(guān)鍵區(qū)域流場品質(zhì)不佳的原因進(jìn)行了分析,提出一些具體的改進(jìn)措施,并數(shù)值驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)的效果。循環(huán)水槽作為一種精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對計(jì)測部的水平度有著嚴(yán)格要求。在循環(huán)水槽建造過程中可能會由于制造或者安裝中的誤差而導(dǎo)致水槽不能保證絕對水平,同時(shí)在循環(huán)水槽建成使用過程中,由于建筑地基等因素,循環(huán)水槽會產(chǎn)生沉降,中國煤化工而如果沉降非均勻,水槽會發(fā)生傾斜。本文研究了CNMHG循環(huán)水槽基于這些潛在因素可能導(dǎo)致的傾斜對其圖2風(fēng)段模型計(jì)測部流場產(chǎn)生的不利影響,以期對此進(jìn)行預(yù)測和Fig. 2. Model of fan section218水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯2012年第2期2l風(fēng)肩段數(shù)值模擬22風(fēng)洞內(nèi)部流場的橫擬在采用CFD方法模擬風(fēng)洞內(nèi)部流場之前,先在前節(jié)的基礎(chǔ)上,依據(jù)風(fēng)洞設(shè)計(jì)參數(shù)完成了如對風(fēng)洞的風(fēng)扇段單獨(dú)進(jìn)行模擬,以檢驗(yàn)CFD法在圖1所示的風(fēng)洞完整模型,其中風(fēng)扇段外罩直徑為風(fēng)洞內(nèi)部流場數(shù)值模擬的可靠性。如圖2所示,風(fēng)38m,且各參數(shù)均對應(yīng)于前節(jié)中的風(fēng)扇段按比例縮扇段長度約為15m,外罩直徑為55m,風(fēng)扇葉片小。計(jì)算域包含各拐角導(dǎo)流片和兩個(gè)試驗(yàn)段上游的共20片,葉片的前方有前支撐片和頭罩,其后方蜂窩器。對計(jì)算域進(jìn)行分區(qū),生成了混合型網(wǎng)格,有止旋片、尾支撐和尾罩。為了便于設(shè)定邊界條件,其中除風(fēng)扇段外,其余部分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格單計(jì)算模型沿軸向向上下游進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难由?。本模元總?shù)約為500萬。擬在 GAMBIT23中完成模型并劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格單數(shù)值計(jì)算中采用了SSTk-m湍流模型,Plso元總數(shù)約為270萬。( Pressure-Implicit with Splitting of Operators)法山本模擬采用 FLUENT63進(jìn)行流場模擬,即用用于求解壓力和速度之間的耦合方程。導(dǎo)流片和蜂有限體積法求解RANS方程,采用了STk-a窩器均設(shè)定為無滑移壁面。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)部分采用MRF流模式,對近壁流動采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)進(jìn)行簡化,并方法處理,并給定轉(zhuǎn)速為600mpm。CPU時(shí)間約為對風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用MRF( Multiple Reference150hFrame)方法圍處理。對計(jì)算區(qū)域的入口和出口分別完整風(fēng)洞模型計(jì)算的結(jié)果表明,葉輪前后截面采用速度入口條件和壓力出口條件,對所有物面采壓升值為1439Pa。本節(jié)中取出該風(fēng)洞模型的風(fēng)扇用無滑移壁面條件。 SIMPLE法被用于求解速度段,并沿著入口和出口方向作適當(dāng)延伸,將完整風(fēng)與壓力之間的耦合方程,對動量方程釆用三階洞計(jì)算中得到的流量作為入口條件,其他條件同上MUSCL( Monotone Upstream-Centered Schemes for節(jié),計(jì)算所得的風(fēng)扇段壓升為1233Pa,比前述完Conservation Laws)格式,對k和O方程采用二整模擬的壓升值低14%,該偏離值和前節(jié)中10%~階上風(fēng)格式。在雙核并行條件下,計(jì)算收斂所需15%的結(jié)果很接近,這再次驗(yàn)證了CFD計(jì)算的可靠CPU時(shí)間約為30h性。通過計(jì)算,得到了風(fēng)扇葉輪前后截面上的壓升23風(fēng)洞流場品質(zhì)分析值如圖3所示。由于該串列式風(fēng)洞包含兩試驗(yàn)段,且截面積相差較大,因而風(fēng)洞中需有擴(kuò)散段來形成過渡。為提高低速試驗(yàn)段流場品質(zhì),需要上游收縮嘴的收縮比較大,該措施會使穩(wěn)定段寬度較大而導(dǎo)致擴(kuò)散段的擴(kuò)張角增大,而較大的擴(kuò)張角容易導(dǎo)致流動分離,進(jìn)而影響到下游低速試驗(yàn)段的流場分布。因此如何提高低速試驗(yàn)段流場品質(zhì)成為設(shè)計(jì)中的難題之轉(zhuǎn)速/r圖3不同轉(zhuǎn)速下的壓升值Fig 3 Pressure rise at different rotation speeds可以看到,CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,二者在變化趨勢上完全一致,計(jì)算壓升大體上比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小10%~15%。誤差主要來源于以下兩個(gè)因素:(1)模型及出口和入口條件帶來的誤差。試驗(yàn)中的風(fēng)扇位于某座風(fēng)洞中,而本節(jié)計(jì)算中沒有考慮風(fēng)扇段以外的結(jié)構(gòu),僅以風(fēng)扇段為計(jì)算對象,因而試驗(yàn)中風(fēng)扇段上游的來流非均勻,而計(jì)算時(shí)在計(jì)算區(qū)域入口處以流量相等的原則采用了均勻分布。(2)數(shù)值方法本身的誤差。計(jì)算中采用的MRF法、壁函數(shù)近似處理、網(wǎng)格密度和湍流模型等因素山中國煤化工的度而也會帶來一定的誤差。算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比初步表明CFD方CNMHGOW法能夠用于模擬風(fēng)洞內(nèi)的流場并得到較為準(zhǔn)確的取大試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤中心位置(距試驗(yàn)段入口結(jié)果。85m)的截面數(shù)據(jù)作為研究對象,為扣除近壁面處李金成,等:CFD在風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用219邊界層的影響,取該截面上寬、高均為70%的矩形為提高低速試驗(yàn)段流場分布均勻性,必須設(shè)法區(qū)域,由此得到了該截面上的速度分布參數(shù)如圖4抑制氣流在擴(kuò)散段的分離所示。24加裝隔板前后的流動分高抑制效果為降低氣流在擴(kuò)散段的分離,擬添加隔板將擴(kuò)散段分割成若干子區(qū)域,使各子區(qū)域的擴(kuò)散角相應(yīng)減小,就可能抑制流動分離的產(chǎn)生。在擴(kuò)散段高度和寬度方向上各等間距地安裝兩塊隔板,其余部分未作任何改變,數(shù)值模擬條件也相同。取上節(jié)中相同截面上的速度分布作為研究對象,來考査該設(shè)計(jì)對改善實(shí)驗(yàn)段流場的效果。表1擴(kuò)做段加裝隔板前后試驗(yàn)段某截面的速度分布比較Table 1. Comparison of velocity distribution in 3 caseshout/with separation plates in the diffuser平均速度速度標(biāo)離散系數(shù)湍流/(ms)準(zhǔn)差(標(biāo)準(zhǔn)差與強(qiáng)度(m/s)均值之比)%圖5風(fēng)洞內(nèi)的流場流線圖無隔板14.225.362+2隔板14.40.128.38從圖4中可以明顯看出,該截面上速度分布很不均勻,平均速度為14.2ms,速度標(biāo)準(zhǔn)差為537ms,流場品質(zhì)很差,通過對流場流線圖分析(圖6,表1為加裝隔板前后試驗(yàn)段該截面上的速以看出,在擴(kuò)散段確實(shí)存在著嚴(yán)重的流動分離現(xiàn)度分布比較。該截面的平均速度為14m,標(biāo)準(zhǔn)象(圖5)。差為177m/s,相比于未加隔板的情形,速度分布明顯變得更加均勻。由此可見,加裝隔板后能有效改善實(shí)驗(yàn)段的流場分布,從流線圖中可以明顯觀察到隔板能抑制分離。通過以上對比分析表明:加裝隔板能有效減少分離,提高試驗(yàn)段的流場品質(zhì)。這里需指出,本文數(shù)值模擬中未包含阻尼網(wǎng),故計(jì)算得到的速度非均勻度和湍流度都比實(shí)際情況下的要大。(a)速度分布圖7旁路風(fēng)道Fig. 7. By pass wind channelb)流場流線中國煤化工圖6加隔板后試驗(yàn)段某截面的速度分布及風(fēng)洞內(nèi)的流場流線圖CNMHGFig. 6. Velocity distribution on the cross section and streamlinesb)雙圓弧型inside the wind tunnel with separation planes in the圖8導(dǎo)流片型式Fig 8 Form of the guide vanes220水動力學(xué)研究與進(jìn)A輯2012年第2期(a)國弧型導(dǎo)流片b)雙圓弧型導(dǎo)流片圖9噴口截面上的速度分布Fig 9, Double-circle arc type of guide vanes25旁路風(fēng)道導(dǎo)流片研究面上的流場數(shù)據(jù)詳見表2。從圖9和表2可以看到,循環(huán)水槽在進(jìn)行風(fēng)、浪和分層流試驗(yàn)時(shí),需通采用雙圓弧型導(dǎo)流片時(shí)噴口處的速度分布更為均過旁路風(fēng)道將風(fēng)從風(fēng)洞引至循環(huán)水槽測試部上方。勻。旁路風(fēng)道的結(jié)構(gòu)如圖7所示。旁路風(fēng)道需要經(jīng)過幾囊2不同型式的導(dǎo)流片下噴口面上的流場數(shù)據(jù)個(gè)拐角才能連接風(fēng)洞和循環(huán)水槽測試部,因此為了Table 2 Flow parameters on outlet section of the bypass減少分離,需在拐角處安裝導(dǎo)流片,以提高噴囗處wind channel in different forms of guide vane流場的品質(zhì),以滿足循環(huán)水槽測試部風(fēng)速分布要平均速度速度標(biāo)準(zhǔn)差離散系數(shù)求。拐角形式和導(dǎo)流片布置已有相關(guān)工作51,本(ms)(標(biāo)準(zhǔn)差與文中主要考察不同型式導(dǎo)流片對流場的影響?，F(xiàn)設(shè)均值比率)計(jì)階段考慮了圓弧型導(dǎo)流片和雙圓弧導(dǎo)流片(圖圓弧型導(dǎo)流片31618)。本節(jié)中數(shù)值模擬了兩種不同型式導(dǎo)流片下旁路009風(fēng)道內(nèi)部的流動,并對噴口處速度分布進(jìn)行比較雙園弧導(dǎo)流片3112165005研究采用何種型式導(dǎo)流片較佳。本計(jì)算單元總數(shù)約200萬,主要采用了結(jié)構(gòu)化以上結(jié)果均表明,采用雙圓弧導(dǎo)流片能得到更網(wǎng)格,對含雙圓弧型導(dǎo)流片的方案,在局部采取了好的截面速度分布,但雙圓弧導(dǎo)流片制作和安裝工非結(jié)構(gòu)化的六面體單元。計(jì)算中采用RNGk-ε湍藝較為復(fù)雜,具體建造中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活選流模式封閉方程,用非平衡壁面函數(shù)簡化處理近壁用。必須再次強(qiáng)調(diào),旁路風(fēng)道近噴口處將設(shè)置阻尼流動,并采用 Standard標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行壓力插值網(wǎng),以進(jìn)一步提高噴口處速度分布的均勻性。SIMPLE法被用于求解速度和壓力間的耦合方程。流動介質(zhì)為常溫空氣,采用 velocity Inlet條件,3循環(huán)水槽傾斜角影響的研究入口處湍流度設(shè)定為5%,流速則以循環(huán)水槽計(jì)測部上方旁路風(fēng)道出口處的平均流速30ms來推定V凵中國煤化工通過模擬,得到了兩種導(dǎo)流片型式下的噴口速3.1CNMHG度分布,其中為扣除近壁面處邊界層的影響,取該循環(huán)水槽作為一種精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)施,對計(jì)測部截面上寬、高均為70%的矩形區(qū)域(圖9)。噴口截的水平度有著很高要求。如果水槽發(fā)生了傾斜,計(jì)李金成,CFD在風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用221測部的流動將會發(fā)生較大的改變。如果定常波的波此節(jié)計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)k-E湍流模式封閉方程高大于設(shè)計(jì)值,將明顯影響各類實(shí)驗(yàn)的精度。在循標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)簡化處理近壁流動。非定常的VoF法環(huán)水槽的建造以及安裝過程中,安裝誤差在所難被用于模擬自由表面。計(jì)算中采用 PRESTO法進(jìn)行免,水槽可能會有一定的傾斜角,而且在水槽投入壓力插值, SIMPLE法被用于求解速度和壓力間的使用后,由于地基的不均勻沉降,水槽也會有一定耦合方程。用顯式 CICSAM格式4求解ⅤOF方程,的傾角。本研究模擬了水槽不同傾角下計(jì)測部的流對動量方程采用三階 MUSCL格式,對k和E方程采動情況,以期預(yù)判結(jié)果并對不利情況制定對策。用二階迎風(fēng)格式32大傾角下水計(jì)測部流場橫擬水槽在安裝過程中可能存在安裝誤差,這會導(dǎo)負(fù)壓區(qū)致水槽有一定的傾角,此處我們模擬了水槽在較大入口管嘴收縮段計(jì)測部傾角(±1°)時(shí)計(jì)測部的流動情況,并與水槽水平時(shí)以導(dǎo)流片計(jì)測部的流場做對比。圖11中為三種情況下計(jì)測部流場某瞬時(shí)的流動情況,文中水槽傾角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)記為正,反之為負(fù)。從圖11中可以看到,與水槽在水平時(shí)的計(jì)測部波面相比,水槽在較大傾角(±1°)下波面變化較圖10計(jì)算域示意圖大。水槽逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1°時(shí),波浪幅值相對較大,同F(xiàn)ig 10. Diagram of computational domain時(shí)在計(jì)測部的末端有氣泡產(chǎn)生,并混入水流進(jìn)入第為了提高計(jì)算效率采取陳等研究中相同的拐角,這將對流場品質(zhì)造成嚴(yán)重影響(如果氣泡策略,即忽略了三維效應(yīng),采用了二維計(jì)算,并略循環(huán)后流入到計(jì)測部,會影響到實(shí)際觀測效果)。去了其余三拐角,僅保留第一拐角并作適當(dāng)延伸水槽順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1°時(shí),波幅較大,在計(jì)測部末端有一個(gè)明顯的波峰。故大角度傾斜將對循環(huán)水槽的流計(jì)算區(qū)域主要包括管嘴收縮段、計(jì)測部、第一轉(zhuǎn)角場以及觀測造成很大影響,因此在建造和安裝的過以及導(dǎo)流片(圖10)。為了模擬計(jì)測部的自由面,在計(jì)測部上方添加了一個(gè)空氣區(qū)域,該區(qū)域兩側(cè)為程中,應(yīng)確保水槽水平。壁面條件,上方為壓力出口條件。因第一拐角處要高于計(jì)測部水面高度,故在此處有一負(fù)壓區(qū),來保證拐角處充滿水,具體數(shù)值由第一拐角處水位與計(jì)測部自由面水位壓力差值計(jì)算得到。入口選在管嘴收縮段的左側(cè),入口速度為1.0ms,出口位于第a)水槽平時(shí)瞬時(shí)流動拐角的后方,為保證流量守恒及空氣不從下游流出,出口處采用了負(fù)流入的特殊形式,即采用速度入口條件,速度大小為1778m/s(b)水槽傾斜0.1時(shí)瞬時(shí)流動(a)水槽平時(shí)瞬時(shí)流動(c)水槽傾斜0.1時(shí)瞬時(shí)流動圖12小傾角下計(jì)測部的流動情況Fig 12. Flow at the test section of cwC with small inclinations33小傾角下水檜計(jì)測部流場模擬(b)水槽傾斜I時(shí)瞬時(shí)流動即使在建造安裝過程中水槽完全水平,但是水槽建造安裝完成一段時(shí)間后由于地基沉降、尤其是不均勻產(chǎn)生水槽傾斜。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘測(c)水槽傾斜1”時(shí)瞬時(shí)流動結(jié)果推中國煤化工不水槽的傾斜度圖11大傾角下計(jì)測部的流動情況不會超CNMHG開究了水槽在水Fig. 11. Flow at the test section of the CWC with large平和傾況,最后對比各種情況下計(jì)測部的流動情況,研究水槽在傾斜后其計(jì)測部自由面的變化情況(圖12)水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯2012年第2期從圖12中可以看到,與水槽在水平時(shí)的計(jì)測對比的結(jié)果表明采用雙圓弧導(dǎo)流片能得到更為均部波面相比,水糟在小角度(±0.1°)傾斜時(shí),很難勻的噴口流場。最后,文中針對循環(huán)水槽在建造、直觀上觀察到計(jì)測部流場的變化。為了研究小角度安裝以及使用過程中產(chǎn)生的傾斜影響進(jìn)行了預(yù)測,(±0.1°)傾斜對循環(huán)水槽流場的影響,現(xiàn)考慮通過發(fā)現(xiàn)在較小傾角時(shí),計(jì)測部波面變化不明顯,波浪監(jiān)測計(jì)測部末端的頂板(圖10)的壓力變化來表征呈現(xiàn)定的周期性,但順時(shí)針傾斜時(shí)計(jì)測部末端頂計(jì)測部的波浪變化。因?yàn)殡S著計(jì)測部的波面變化,板壓力較大,而在較大傾角時(shí),計(jì)測部波面變化較頂板的壓力值也會隨之而變化,二者在時(shí)域上的變大,不利于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,且會有氣泡產(chǎn)生,對精度和化是相同的,因此可以通過壓力的變化來表征計(jì)測觀測產(chǎn)生較大影響,因此在安裝時(shí)應(yīng)確保水槽水部的流動在時(shí)域上的變化。平本研究提出了一些改進(jìn)風(fēng)洞流場品質(zhì)的措施,并對運(yùn)營后水槽可能產(chǎn)生的傾斜及其后果進(jìn)行了預(yù)測。本文工作可為風(fēng)洞循環(huán)水槽的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營提供一定的參考和借鑒。致謝L6 F..AM,Ai-本文的工作是在上海交通大學(xué)船舶與海洋工9009109209094090909090991000程國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(985二期能力建設(shè))的支持下完成的,作者在此深表謝意。圖3不同傾角下頂板壓力積分隨時(shí)間變化的曲線Fig 13 Curves of the vanation of pressure integral on ceilingversus time at different inclination通過計(jì)算,得出了水平以及小角度傾斜下頂板壓力隨時(shí)間變化的曲線(圖13)從圖13中可以看到,壓力平均值順時(shí)針傾斜[u伍榮林,王振羽.風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理M]北京:北京出版01°時(shí)最大,逆時(shí)針傾斜0.°時(shí)最小,水平居中。社,1985當(dāng)水槽順時(shí)針傾斜時(shí),頂板處的浸深會增大,這就WU Rong-lin, WANG Zhen-yu. Principles of wind造成了平均壓力的升高,反之平均壓力則減小,此tunnel design[M]. Benjing: Beijing Publishing House,結(jié)論對水槽頂板處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核具有一定的參考價(jià)值。另外,從圖13中還可以看到,壓力的(2] OGURA M. Study on design and hydrodynamic perfor-變化隨時(shí)間成一定的周期性變化,這是由于計(jì)測部mance of circulating water channe[D]. Ph. D. thesis,波浪的變化造成的,故由此能夠大致推斷出自由面Hiroshima University, Higashi Hiroshima, Japan, 1995.上的波浪周期。在順時(shí)針傾斜0°算例中,壓力變3] OGURA M. TAMASHIMA M. On a method to design化幅度較小,且周期較為均勻,這是由于項(xiàng)板浸深較大,自由面波動影響較小造成的the circulating water channel with the performance formeasurements]. Transactions of The West-JapanSociety of Naval Architects, 1996, 92(1): 59-804結(jié)論[4 NISHIMOTO H, OGURA M, YAMAZAKI R Nume-rcal simulation of flow in the test section of circulatingwater channel with the performance for mea本研究采用CFD方法針對風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)計(jì)和建造中的某些關(guān)鍵問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,其中風(fēng)Naval Architects, 1996, 92(1): 45-57扇段模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,表明CFD方(5] CHEN Z G KUROKAWA Y, NISHIMOTO H CFD法可以合理地用于數(shù)值風(fēng)洞的構(gòu)建。針對風(fēng)洞低速中國煤化工of circulating water試驗(yàn)段流場品質(zhì)不佳這一問題,發(fā)現(xiàn)加裝隔板后流ISoPE, the Interna場品質(zhì)提高明顯,但隔板的數(shù)量和穩(wěn)定段寬度還有CN MHGPolar Engineers,San待進(jìn)一步研究。文中還模擬了旁路風(fēng)道拐角處采用Francisco, USA 2006圓弧型導(dǎo)流片和雙圓弧導(dǎo)流片時(shí)噴口處速度分布,[陳作鋼,馬寧,橋詰泰久等.循環(huán)水槽中分層流模李金成,等:CFD在風(fēng)洞循環(huán)水槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用擬試驗(yàn)與CFD研究C]第二十一屆全國水動力學(xué)研flow[M]. Washington DC, USA: Hemisphere討會暨兩岸船舶與海洋工程水動力學(xué)研討會文集,Publishing Corporation, 1980北京:海洋出版社,2008[10] Van LEER B. 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