CFD在风洞循环水槽设计中的应用

A辑第27卷第2期水动力学研究与进展Vol.27,N.22012年3月CHINESE JOURNAL OF HYDRODYNAMICSDoI:103969/issn0004874201202014CFD在风洞循环水槽设计中的应用李金成,陈作钢,代燚(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200030,E-mail:bigboy315@sjtu.edu.cn)搞:上海交通大学在建的风洞循环水槽设备由低速风洞和循环水槽两部分组成,由于该实验设施的独创性使得设计上存在诸多难点,本文采用CFD数值模拟,探讨提高串列式双试验段风洞的流场指标的方法,预测因地基沉降造成的水槽倾斜对循环水槽计测部流场的影响,风洞风扇段的计算结果与实验数据吻合良好。风洞内部流场的整体模拟再现了流动分离等现象,而在扩张段中安装分隔板有效地抑制了流动分离,显著提高了试验段流场的均一性,旁路风道拐角处导流片采用双圆弧型时效果较佳。循环水槽倾斜影响研究结果表明稍大的倾角可以引起计测部波面的较大变化,且计测部末端有气泡产生,而在微小倾角时,波面变化不明显,可正常进行试验关蠲:风洞循环水槽:数值模拟;流场品质;倾斜中图分类号:U66174文獻标识码: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)作者简介:李金成(1987-).男,湖北黄梅人,硕士研究生通情作者:陈作钢, Email: zichen@sjtu,edue中国煤化工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在风洞循环水槽设计中的应用1引言扩散段风扇段收缩嘴实验研究在船舶水动力学的发展中发挥了重要作用。风洞循环水槽作为一种多功能的基础实验大试验段导流片设备以其独特优势将逐渐得到广泛应用。上海交通大学在建的风洞循环水槽由低速风洞和分层流循小试验段环水槽两部分组成,二者可独立工作,也可协同工作来形成风、浪及分层流环境下船舶与海洋工程结构物的流体动力性能试验的能力,其具有能对流场蜂窝器进行长时间、多目标和自动化的测量等优点,同时能够实现流场的可视化并能研究复杂工况下的船图1风洞简图舶流体动力学响应,这些都是传统的实验装置无法Fig 1. Diagram of wind tunnel比拟的。传统上,风洞和循环水槽的设计主要依赖于实2风洞数值模拟验数据和经验公式1引。随着计算流体力学(CFD)的快速发展,近年来CFD技术也逐渐应用到风洞和循环水槽的设计中。在循环水槽方面, Ogura等2和 Nishimoto等首先对循环水槽计测部的流风洞循环水槽中的风洞结构如图1所示。该风洞具有小试验段(高速试验段,3m×2.5mx16m场进行了数值模拟,研究了抑制计测部自由面波高最大风速60ms)和大试验段(低速试验段,6mx的方法。Chen等对循环水槽内部流场进行了整体35m×14m,最大风速20ms)。小试验段主要用于数值模拟,发现了拐角流动分离现象,对拐角半径船舶与海洋结构物上层建筑物、小型建筑物以及高和导流片的数量与流场品质之间的关系进行了数速运动体的气动载荷、风压分布及其流态影响测值考察;试验和计算的对比研究揭示了表面流加速试。大试验段主要用于桥梁、体育场等超大型建筑装置的流动机理:数值研究探讨了第一拐角形状和物和机场、整个街区、工业园区等建筑群、船舶与气泡发生量之间的关系,并对水槽的局部形状进行海洋结构物上层建筑物的气动载荷、气动弹性响应了改进上海交通大学在建的风洞循环水槽在国内尚和风压分布,以及它们对周边环境影响的测试。整个风洞通过风扇段的叶轮转动来推动空气流动,调属首创,并无设计经验可供参考。CFD作为一种高节叶轮转速可以控制风洞内气体流速大小。为了减效的研究手段被用于该设备的辅助设计。陈作刚少流动分离提高流场质量,在风洞的四个拐角处都等通过计算和试验的对比,得出了该循环水槽浅安装有导流片,且在试验段的前方都安装了蜂窝器水分层流试验流速不能超过03m/s等结论并通过和阻尼网等整流装置。iSIGHT集成 Gambit和 Fluent,实现了对多功能风由于该风洞含有两试验段,且试验段的横截面此在建风洞为串列式双试验段的低速风洞,两积相差校大,而风初的场地有因面低速试试验段截面积相差较大,且场地布置受限,这些因场品质不佳。本文采用CFD方法,对风洞进行了素给气动设计带来较大的难度。本文采用CFD方模拟,以探索改善低速试验段流场的具体措施法对风洞进行了模拟,针对一些关键区域流场品质不佳的原因进行了分析,提出一些具体的改进措施,并数值验证了改进设计的效果。循环水槽作为一种精密的实验设备,对计测部的水平度有着严格要求。在循环水槽建造过程中可能会由于制造或者安装中的误差而导致水槽不能保证绝对水平,同时在循环水槽建成使用过程中,由于建筑地基等因素,循环水槽会产生沉降,中国煤化工而如果沉降非均匀,水槽会发生倾斜。本文研究了CNMHG循环水槽基于这些潜在因素可能导致的倾斜对其图2风段模型计测部流场产生的不利影响,以期对此进行预测和Fig. 2. Model of fan section218水动力学研究与进展A辑2012年第2期2l风肩段数值模拟22风洞内部流场的横拟在采用CFD方法模拟风洞内部流场之前,先在前节的基础上,依据风洞设计参数完成了如对风洞的风扇段单独进行模拟,以检验CFD法在图1所示的风洞完整模型,其中风扇段外罩直径为风洞内部流场数值模拟的可靠性。如图2所示,风38m,且各参数均对应于前节中的风扇段按比例缩扇段长度约为15m,外罩直径为55m,风扇叶片小。计算域包含各拐角导流片和两个试验段上游的共20片,叶片的前方有前支撑片和头罩,其后方蜂窝器。对计算域进行分区,生成了混合型网格,有止旋片、尾支撑和尾罩。为了便于设定边界条件,其中除风扇段外,其余部分为结构化网格。网格单计算模型沿轴向向上下游进行了适当的延伸。本模元总数约为500万。拟在 GAMBIT23中完成模型并划分网格,网格单数值计算中采用了SSTk-m湍流模型,Plso元总数约为270万。( Pressure-Implicit with Splitting of Operators)法山本模拟采用 FLUENT63进行流场模拟,即用用于求解压力和速度之间的耦合方程。导流片和蜂有限体积法求解RANS方程,采用了STk-a窝器均设定为无滑移壁面。风扇旋转部分采用MRF流模式,对近壁流动采用标准壁函数进行简化,并方法处理,并给定转速为600mpm。CPU时间约为对风扇旋转区域采用MRF( Multiple Reference150hFrame)方法围处理。对计算区域的入口和出口分别完整风洞模型计算的结果表明,叶轮前后截面采用速度入口条件和压力出口条件,对所有物面采压升值为1439Pa。本节中取出该风洞模型的风扇用无滑移壁面条件。 SIMPLE法被用于求解速度段,并沿着入口和出口方向作适当延伸,将完整风与压力之间的耦合方程,对动量方程釆用三阶洞计算中得到的流量作为入口条件,其他条件同上MUSCL( Monotone Upstream-Centered Schemes for节,计算所得的风扇段压升为1233Pa,比前述完Conservation Laws)格式,对k和O方程采用二整模拟的压升值低14%,该偏离值和前节中10%~阶上风格式。在双核并行条件下,计算收敛所需15%的结果很接近,这再次验证了CFD计算的可靠CPU时间约为30h性。通过计算,得到了风扇叶轮前后截面上的压升23风洞流场品质分析值如图3所示。由于该串列式风洞包含两试验段,且截面积相差较大,因而风洞中需有扩散段来形成过渡。为提高低速试验段流场品质,需要上游收缩嘴的收缩比较大,该措施会使稳定段宽度较大而导致扩散段的扩张角增大,而较大的扩张角容易导致流动分离,进而影响到下游低速试验段的流场分布。因此如何提高低速试验段流场品质成为设计中的难题之转速/r图3不同转速下的压升值Fig 3 Pressure rise at different rotation speeds可以看到,CFD计算结果与实验数据吻合较好,二者在变化趋势上完全一致,计算压升大体上比实验数据小10%~15%。误差主要来源于以下两个因素:(1)模型及出口和入口条件带来的误差。试验中的风扇位于某座风洞中,而本节计算中没有考虑风扇段以外的结构,仅以风扇段为计算对象,因而试验中风扇段上游的来流非均匀,而计算时在计算区域入口处以流量相等的原则采用了均匀分布。(2)数值方法本身的误差。计算中采用的MRF法、壁函数近似处理、网格密度和湍流模型等因素山中国煤化工的度而也会带来一定的误差。算结果和实验数据的对比初步表明CFD方CNMHGOW法能够用于模拟风洞内的流场并得到较为准确的取大试验段转盘中心位置(距试验段入口结果。85m)的截面数据作为研究对象,为扣除近壁面处李金成,等:CFD在风洞循环水槽设计中的应用219边界层的影响,取该截面上宽、高均为70%的矩形为提高低速试验段流场分布均匀性,必须设法区域,由此得到了该截面上的速度分布参数如图4抑制气流在扩散段的分离所示。24加装隔板前后的流动分高抑制效果为降低气流在扩散段的分离,拟添加隔板将扩散段分割成若干子区域,使各子区域的扩散角相应减小,就可能抑制流动分离的产生。在扩散段高度和宽度方向上各等间距地安装两块隔板,其余部分未作任何改变,数值模拟条件也相同。取上节中相同截面上的速度分布作为研究对象,来考査该设计对改善实验段流场的效果。表1扩做段加装隔板前后试验段某截面的速度分布比较Table 1. Comparison of velocity distribution in 3 caseshout/with separation plates in the diffuser平均速度速度标离散系数湍流/(ms)准差(标准差与强度(m/s)均值之比)%图5风洞内的流场流线图无隔板14.225.362+2隔板14.40.128.38从图4中可以明显看出,该截面上速度分布很不均匀,平均速度为14.2ms,速度标准差为537ms,流场品质很差,通过对流场流线图分析(图6,表1为加装隔板前后试验段该截面上的速以看出,在扩散段确实存在着严重的流动分离现度分布比较。该截面的平均速度为14m,标准象(图5)。差为177m/s,相比于未加隔板的情形,速度分布明显变得更加均匀。由此可见,加装隔板后能有效改善实验段的流场分布,从流线图中可以明显观察到隔板能抑制分离。通过以上对比分析表明:加装隔板能有效减少分离,提高试验段的流场品质。这里需指出,本文数值模拟中未包含阻尼网,故计算得到的速度非均匀度和湍流度都比实际情况下的要大。(a)速度分布图7旁路风道Fig. 7. By pass wind channelb)流场流线中国煤化工图6加隔板后试验段某截面的速度分布及风洞内的流场流线图CNMHGFig. 6. Velocity distribution on the cross section and streamlinesb)双圆弧型inside the wind tunnel with separation planes in the图8导流片型式Fig 8 Form of the guide vanes220水动力学研究与进A辑2012年第2期(a)國弧型导流片b)双圆弧型导流片图9喷口截面上的速度分布Fig 9, Double-circle arc type of guide vanes25旁路风道导流片研究面上的流场数据详见表2。从图9和表2可以看到,循环水槽在进行风、浪和分层流试验时,需通采用双圆弧型导流片时喷口处的速度分布更为均过旁路风道将风从风洞引至循环水槽测试部上方。匀。旁路风道的结构如图7所示。旁路风道需要经过几囊2不同型式的导流片下喷口面上的流场数据个拐角才能连接风洞和循环水槽测试部,因此为了Table 2 Flow parameters on outlet section of the bypass减少分离,需在拐角处安装导流片,以提高喷囗处wind channel in different forms of guide vane流场的品质,以满足循环水槽测试部风速分布要平均速度速度标准差离散系数求。拐角形式和导流片布置已有相关工作51,本(ms)(标准差与文中主要考察不同型式导流片对流场的影响。现设均值比率)计阶段考虑了圆弧型导流片和双圆弧导流片(图圆弧型导流片31618)。本节中数值模拟了两种不同型式导流片下旁路009风道内部的流动,并对喷口处速度分布进行比较双园弧导流片3112165005研究采用何种型式导流片较佳。本计算单元总数约200万,主要采用了结构化以上结果均表明,采用双圆弧导流片能得到更网格,对含双圆弧型导流片的方案,在局部采取了好的截面速度分布,但双圆弧导流片制作和安装工非结构化的六面体单元。计算中采用RNGk-ε湍艺较为复杂,具体建造中应根据实际情况灵活选流模式封闭方程,用非平衡壁面函数简化处理近壁用。必须再次强调,旁路风道近喷口处将设置阻尼流动,并采用 Standard标准法进行压力插值网,以进一步提高喷口处速度分布的均匀性。SIMPLE法被用于求解速度和压力间的耦合方程。流动介质为常温空气,采用 velocity Inlet条件,3循环水槽倾斜角影响的研究入口处湍流度设定为5%,流速则以循环水槽计测部上方旁路风道出口处的平均流速30ms来推定V凵中国煤化工通过模拟,得到了两种导流片型式下的喷口速3.1CNMHG度分布,其中为扣除近壁面处边界层的影响,取该循环水槽作为一种精密的实验设施,对计测部截面上宽、高均为70%的矩形区域(图9)。喷口截的水平度有着很高要求。如果水槽发生了倾斜,计李金成,CFD在风洞循环水槽设计中的应用221测部的流动将会发生较大的改变。如果定常波的波此节计算中采用标准k-E湍流模式封闭方程高大于设计值,将明显影响各类实验的精度。在循标准壁函数简化处理近壁流动。非定常的VoF法环水槽的建造以及安装过程中,安装误差在所难被用于模拟自由表面。计算中采用 PRESTO法进行免,水槽可能会有一定的倾斜角,而且在水槽投入压力插值, SIMPLE法被用于求解速度和压力间的使用后,由于地基的不均匀沉降,水槽也会有一定耦合方程。用显式 CICSAM格式4求解ⅤOF方程,的倾角。本研究模拟了水槽不同倾角下计测部的流对动量方程采用三阶 MUSCL格式,对k和E方程采动情况,以期预判结果并对不利情况制定对策。用二阶迎风格式32大倾角下水计测部流场横拟水槽在安装过程中可能存在安装误差,这会导负压区致水槽有一定的倾角,此处我们模拟了水槽在较大入口管嘴收缩段计测部倾角(±1°)时计测部的流动情况,并与水槽水平时以导流片计测部的流场做对比。图11中为三种情况下计测部流场某瞬时的流动情况,文中水槽倾角逆时针旋转记为正,反之为负。从图11中可以看到,与水槽在水平时的计测部波面相比,水槽在较大倾角(±1°)下波面变化较图10计算域示意图大。水槽逆时针旋转1°时,波浪幅值相对较大,同Fig 10. Diagram of computational domain时在计测部的末端有气泡产生,并混入水流进入第为了提高计算效率采取陈等研究中相同的拐角,这将对流场品质造成严重影响(如果气泡策略,即忽略了三维效应,采用了二维计算,并略循环后流入到计测部,会影响到实际观测效果)。去了其余三拐角,仅保留第一拐角并作适当延伸水槽顺时针旋转1°时,波幅较大,在计测部末端有一个明显的波峰。故大角度倾斜将对循环水槽的流计算区域主要包括管嘴收缩段、计测部、第一转角场以及观测造成很大影响,因此在建造和安装的过以及导流片(图10)。为了模拟计测部的自由面,在计测部上方添加了一个空气区域,该区域两侧为程中,应确保水槽水平。壁面条件,上方为压力出口条件。因第一拐角处要高于计测部水面高度,故在此处有一负压区,来保证拐角处充满水,具体数值由第一拐角处水位与计测部自由面水位压力差值计算得到。入口选在管嘴收缩段的左侧,入口速度为1.0ms,出口位于第a)水槽平时瞬时流动拐角的后方,为保证流量守恒及空气不从下游流出,出口处采用了负流入的特殊形式,即采用速度入口条件,速度大小为1778m/s(b)水槽倾斜0.1时瞬时流动(a)水槽平时瞬时流动(c)水槽倾斜0.1时瞬时流动图12小倾角下计测部的流动情况Fig 12. Flow at the test section of cwC with small inclinations33小倾角下水檜计测部流场模拟(b)水槽倾斜I时瞬时流动即使在建造安装过程中水槽完全水平,但是水槽建造安装完成一段时间后由于地基沉降、尤其是不均匀产生水槽倾斜。依据现场地质勘测(c)水槽倾斜1”时瞬时流动结果推中国煤化工不水槽的倾斜度图11大倾角下计测部的流动情况不会超CNMHG开究了水槽在水Fig. 11. Flow at the test section of the CWC with large平和倾况,最后对比各种情况下计测部的流动情况,研究水槽在倾斜后其计测部自由面的变化情况(图12)水动力学研究与进展A辑2012年第2期从图12中可以看到,与水槽在水平时的计测对比的结果表明采用双圆弧导流片能得到更为均部波面相比,水糟在小角度(±0.1°)倾斜时,很难匀的喷口流场。最后,文中针对循环水槽在建造、直观上观察到计测部流场的变化。为了研究小角度安装以及使用过程中产生的倾斜影响进行了预测,(±0.1°)倾斜对循环水槽流场的影响,现考虑通过发现在较小倾角时,计测部波面变化不明显,波浪监测计测部末端的顶板(图10)的压力变化来表征呈现定的周期性,但顺时针倾斜时计测部末端顶计测部的波浪变化。因为随着计测部的波面变化,板压力较大,而在较大倾角时,计测部波面变化较顶板的压力值也会随之而变化,二者在时域上的变大,不利于实验进行,且会有气泡产生,对精度和化是相同的,因此可以通过压力的变化来表征计测观测产生较大影响,因此在安装时应确保水槽水部的流动在时域上的变化。平本研究提出了一些改进风洞流场品质的措施,并对运营后水槽可能产生的倾斜及其后果进行了预测。本文工作可为风洞循环水槽的设计、建造和运营提供一定的参考和借鉴。致谢L6 F..AM,Ai-本文的工作是在上海交通大学船舶与海洋工9009109209094090909090991000程国家实验室建设项目(985二期能力建设)的支持下完成的,作者在此深表谢意。图3不同倾角下顶板压力积分随时间变化的曲线Fig 13 Curves of the vanation of pressure integral on ceilingversus time at different inclination通过计算,得出了水平以及小角度倾斜下顶板压力随时间变化的曲线(图13)从图13中可以看到,压力平均值顺时针倾斜[u伍荣林,王振羽.风洞设计原理M]北京:北京出版01°时最大,逆时针倾斜0.°时最小,水平居中。社,1985当水槽顺时针倾斜时,顶板处的浸深会增大,这就WU Rong-lin, WANG Zhen-yu. Principles of wind造成了平均压力的升高,反之平均压力则减小,此tunnel design[M]. Benjing: Beijing Publishing House,结论对水槽顶板处的结构设计和校核具有一定的参考价值。另外,从图13中还可以看到,压力的(2] OGURA M. Study on design and hydrodynamic perfor-变化随时间成一定的周期性变化,这是由于计测部mance of circulating water channe[D]. Ph. D. thesis,波浪的变化造成的,故由此能够大致推断出自由面Hiroshima University, Higashi Hiroshima, Japan, 1995.上的波浪周期。在顺时针倾斜0°算例中,压力变3] OGURA M. TAMASHIMA M. On a method to design化幅度较小,且周期较为均匀,这是由于项板浸深较大,自由面波动影响较小造成的the circulating water channel with the performance formeasurements]. Transactions of The West-JapanSociety of Naval Architects, 1996, 92(1): 59-804结论[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方法针对风洞循环水槽设计和建造中的某些关键问题进行了数值模拟,其中风Naval Architects, 1996, 92(1): 45-57扇段模拟结果与实验结果吻合良好,表明CFD方(5] CHEN Z G KUROKAWA Y, NISHIMOTO H CFD法可以合理地用于数值风洞的构建。针对风洞低速中国煤化工of circulating water试验段流场品质不佳这一问题,发现加装隔板后流ISoPE, the Interna场品质提高明显,但隔板的数量和稳定段宽度还有CN MHGPolar Engineers,San待进一步研究。文中还模拟了旁路风道拐角处采用Francisco, USA 2006圆弧型导流片和双圆弧导流片时喷口处速度分布,[陈作钢,马宁,桥诘泰久等.循环水槽中分层流模李金成,等:CFD在风洞循环水槽设计中的应用拟试验与CFD研究C]第二十一届全国水动力学研flow[M]. Washington DC, USA: Hemisphere讨会暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集,Publishing Corporation, 1980北京:海洋出版社,2008[10] Van LEER B. Towards the ultimate conservative diffeCHEN Zuo-gang, MA Ning. HASHIZUME Y, et al.rence scheme. V. A second order sequel to Godunov'sPreliminary experiment of multi-layer flow in circula-method[J]. Comput. 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