热气候风洞实验台风洞流场的计算机模拟

热气候风洞实验台风洞流场的计算机模拟
高云飞孟庆林赵立华
摘要：在建筑中，维护结构蓄水的传热情况是十分常见的，而且被动蒸发冷去技术也是实现建筑节能的重要手段。

在蓄水结构与被动蒸发冷却问题的研究中，对于一些重要参数是要进行风洞实验获取的，所以良好的风洞品质也是至关重要的。

本文尝试用计算流体力学（CFD）的方法对热气候风洞实验台的流场进行了优化设计的模拟，以寻找获得均匀稳定流场的构造控制方法。

关键词：风洞，CFD，流场
所谓风洞就是用人工的方法构造一个流动的空气区域，这个区域称为流场。

所谓风洞实验就是把一个物体或模型放在人造流场中，观察其流动状态，测量物体或模型承受的空气动力。

按照试验速度风洞可以划分为亚声速风洞、跨超声速风洞和高超声速风洞。

其中，在亚声速风洞中，当速度低于135m/s左右时，称为低速风洞。

在低速风洞中空气的可压缩性是可以忽略的[1]。

早期的风洞试验主要涉及航空航天工程，是人们为了了解和认识飞行原理以及为解决飞行器的设计问题而建造的，风洞试验技术发展也是随着人们对飞行器飞行问题研究的深入而不断发展的，并且成为空气动力学和航空工程中的一项基本研究工具。

但随着现代科学技术的发展，空气动力学特别是低速空气动力学已经跨出航空航天领域，向国民经济的各个领域渗透，逐渐形成了一门新的边缘学科，即风工程与工业空气动力学，以研究非航空航天方面，诸如运输交通工具、建筑物构筑物以及地球环境等领域的工程问题。

风洞试验也从研究航空航天飞行器的性能试验扩展到研究大气边界层内流动的空气与人类创造的物体之间的相互作用，乃至人类在地球表面的活动，诸如环境保护等方面的试验[1,2]。

在建筑领域中风洞已经被广泛利用来对高层建筑物、桥梁、电视塔、高烟囱、海洋平台、雷达天线等的风荷载和风所激发的振动问题，来解决高耸建筑物和构筑物的建筑结构强度与刚度的问题[1]。

同时在建筑热环境研究、建筑材料热工性能实验、建筑物围护结构传热过程研究中风洞实验更是一种实用有效的实验手段。

研究建筑物围护结构传热过程时，通常采用三种方法：1. 现场实际测量2. 计算机模拟计算3. 利用风洞试验。

对于这种含有水分蒸发的围护结构的传热过程的研究，当通过试验的方法来进行测试时，会因为天然降水具有很大的偶然性，导致很难进行测量；而使用计算机来模拟时，由于难以建立完善的传质传热过程数学模型，相关参数的难以确定，也不能够准确的描述有水分蒸发的围护结构的传热情况。

因此，建设一个可以控制和模拟自然现象的被动蒸发冷却风洞是研究有水分蒸发的围护结构传热过程的一个很重要的基础[3]。

1.模拟对象说明
为了进一步进行和深入开展亚热带地区建筑被动蒸发冷却技术研究，华南理工大学建筑节能中心搭建了可以模拟自然情况（风速、温度、湿度、辐射照度可以控制）的风洞实验台。

实验台的实际情况如下。

风洞装置（内部尺寸600×1000mm，全长9101mm）由吸入段A，稳定段B，试件段C，吹出辅助段D，扩散断E，风机段等几部分组成。

风洞内表面（胶合板部分）无凸凹，为了防止风洞内表面对试件表面有过大的长波辐射，在风洞内表面贴铝箔。

在风洞的试件段上将在顺着风的方向上布置400×400mm的五块试件，试件表面是构成风洞内表面的一部分。

风机的运行方式是变频变压，并且在吸入段设入口挡板改变入口面积，从而能获得主流风速0～5.5m/s的任意可调范围。

风洞试件段的上部设置了可调节高度的模拟太阳光源，用来获得不同的照度。

试件段的下方为空气调节室，可以通过室内的空调对试件进行加热或
冷却。

图1 热气候风洞剖面图
图2 热气候风洞剖面图
2.模型的建立
2.1 几何模型的建立
由于本模拟的主要目的是讨论风洞的风场分布情况，不考虑温度、湿度、辐射照度等变化的情况，所以在进行模拟时光源模拟室与空气调节室都不在模拟对象之内，在建模时按照固体实块进行处理，同时由于挡板与风洞前后两端的支撑架实际相对尺寸比较小，而且处于风洞的外部环境，在建立几何模型时不予考虑。

图3. 风洞模型图
2.2 数学模型
风洞内的空气流动是三维湍流流动，在计算求解时采用应用广泛的K －ε两方程模型，同时在靠近固体壁面的近壁区处采用壁面函数法。

因为模拟中不考虑温度变化、辐射变化等热量传递以及能量传递的计算，故而只对流场进行稳态求解；同时因为风洞的速度变化非常低，所以在计算时进行了空气流体常物性的假设[4]。

对气体流动的情况进行分析和简化后建立数学模型有[4-9]：
0x U j j
＝∂∂ (1)
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡--∂∂∂∂=∂∂j i ij j i j
j u u P x U v x x U U δρj j (2) 其中： j i u u ρ为Reynolds 应力
⎩
⎨⎧=01ij δ j i j i ≠= εσν-∂⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣
⎡∂∂+∂∂+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂j i i j j i i j k t j j x U x U x U v x k x x k U j (3) k c x U x U x U k c c x x x U i
i i j j i j t i j j 221εεσνεμε-∂∂⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂ (4)
其中：
ενμ/2k c t =, 湍流粘度
2/j j u u k =，湍动能
2
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂
=j
i x u νε，湍流能量耗散 3. 模拟结果与分析 风洞品质的一个重要表现与衡量标注就是风洞实验段上风侧和下风侧的垂直速度剖面
是否一致，下面将通过对五种情况的模拟来说明用CFD 模拟预测和优化风洞调节方案的过程。

模拟中取上风侧、下风侧、中间位置三个断面的垂直风速分布为参考断面。

情况1：定义为标准情况，风洞吸入口出不加挡板；情况2：入口放置挡板（考察挡
板的效果）；情况3：入口挡板向前倾斜5°； 情况4：入口挡板向前倾斜5°，并且在空调
室的前后两端设置三角形整流物体； 情况5：在情况4的基础上，在风机段上下位置放置
放置两个流量不用的条形风扇。

图4. 标准情况下的风洞流场 图5 情况1试件段上风侧、下风侧与中间
断面垂直速度剖面图
图6.情况2下的风洞流场 图7 情况2试件段上风侧、下风侧与中间
断面垂直速度剖面图
图8情况3下的风洞流场图9 情况3试件段上风侧、下风侧与中间
图10情况4下的风洞流场图11 情况4试件段上风侧、下风侧与中间
图12情况4下的风洞流场图13 情况4试件段上风侧、下风侧与中间
由上面的模拟我们可以得到在情况4与情况5的情况是趋向要求风场分布的，当然对于风洞风场调节还有其他多种方法正在模拟过程中，但是通过对风洞各种调节方法的模拟，直观的展示出了风洞内风场的可能的变化情况，为今后风洞调节获取良好的风场提供了方向性的指导与预测。

参考文献：
1中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 2002 低速风洞实验[M]. 北京：国防工业出版社
2中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 2003 高低速风洞气动与结构设计[M]. 北京：
国防工业出版社
3蒲野良美ら，水分蒸发による冷却效果を利用した外断热壁体の高性能化に关する研究【C】，日本建筑学会计画系论文报告集，第360号，昭和61（1986）年2月，pp.50-58
4朱冬生，吴会军，邹华生，孙加龙. 2002. 除湿系统中固定床内部气体流长的数值分析[J]. 华南理工大学学报，Vol.30. No.50：45-49.
5陶文铨. 2002. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社
6唐毅，孟庆林. 2001. 广州高层住宅小区风环境模拟分析[J]，西安建筑科技大学学报，33（4）：
7Y.P. Chang and R.Tsai ，natural convection in a square enclosure with a cold source[J]，int.
comm. Heat Mass Transfer，Vol.24，No.7：
8 D.A.Paterson, C.J.Apelt. 1989. Simulation of Wind Flow Around Threee-Dimensional
Buildings[J], Building and Enviroment, Vol.24, No.1：pp39-50,
9Shuzo Murakami,Akashi Mochida. 1989.Three-Dimensional Numerical Simulation of Turbulent Flow Around Buildings using the k-e Turbulence Model[J]. Vol.24, No.1：pp51-64,。