直流式風洞縮尺模型氣體擴散試驗臺設計

萬 杰，楊 方

(上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620)

0 引言

隨著時代發展，我國城市化不斷地推進，人們對于空氣污染問題越來越重視。“十四五”規劃綱要重點提出，深入實施污染區域防治，建立健全綜合環境治理體系,推進區域精準、科學、依法、系統的治污,協同統籌推進全面減污，不斷提高改善城市空氣污染環境風險能力[1]。但是大氣的污染來源較為繁雜，大氣污染范圍無法控制。因此研究氣體污染擴散機理可以更精準的檢測和防治氣體污染。城市大氣污染來源是工業排放的廢氣和汽車排放的尾氣等[2]。在城市市區檢測環境中污染物氣體濃度及擴散范圍難度較大，成本也較高，不利于同步采集數據，研究得到的氣體擴散機理不夠還精準，因此需要建立可研究氣體污染擴散的風洞裝置。利用相似性建立大氣環境縮尺模型得到實驗風洞。

風洞的設計利用了相似性原理。自然界物理學中的相似性主要是指相鄰兩個現象或者是兩個和以上相似現象間在物體外表性質以及其他內在現象規律性方面特征的相對一致性,在實際工程界應用中的相似性則是主要指在“模型”之間與在“工程原型”之間的具有一致性。現象與現象之間相似的必要條件是兩者之間單值性相似。滿足相似條件：幾何相似、邊界條件相似、物理條件相似則認為單值性條件。風洞的設計利用了相似性原理，復現大氣邊界層，再確定縮尺比例。通常風洞模型縮尺比例系數的數值確定主要是要根據實際風洞尺寸變形的比例大小等來計算確定。

風洞裝置可以復現室外多變環境狀況，再現真實環境中物體的物理現象，可更高效、便捷地發現物理規律，能夠建立準確的數學模型，并且提供實驗數據。風洞試驗具有諸多優點如可重復性、不受干擾因素影響、連續性、便捷且可視化等。高贊[3]研究對比了平坦地形和丘陵地形下粗糙子層高度范圍的氣溶膠污染物粒子平均縱向、垂向速度隨高度變化。李令令[4]設計了動態熱濕氣候風洞，其加入輻射、濕度、溫度、降雨等多參數條件，能夠科學計算建筑表面上的復雜換熱。田永強[5]等建立風洞模型對結冰問題進行研究,通過相似理論分析得到了若干無量綱參數,并闡述了這些無量綱參數的含義。榮臻[6]利用蜂窩器、多層阻尼網等對風洞管壁給與消聲處理，提升了風洞流場品質并且降低了流動噪音。冷菊麗[7]研究3D 打印技術在風洞中的應用，分析了3D 打印技術工藝在提高風洞模型質量中的作用與原理。

對于城市大氣環境研究，通過建立縮尺模型，在風洞中模擬城市市區的大氣環境，獲取污染氣體在大氣中擴散規律，能夠節約成本且得到較準的結果。利用風洞裝置可更系統更科學的檢測氣體污染情況，對深度研究氣體污染擴散機理大有裨益。

1 風洞總體結構設計

風洞為直流式低速風洞，風洞的縮比尺寸為1：300，風洞的設計遵循幾何相似、物理相似、及動態行為相似原則，風洞整體長寬高為12m、1.5m、1.8m，整體結構分為動力段，模擬段和試驗段，風洞的整體設計如下：

1.1 動力段設計

動力段由風扇、變頻電機、風扇段管道、支架組成。動力段風機需滿足實驗所需最大風速需求及風壓需求。實驗所需的最大風速為10m/s，對應風量Q 為97200m3/h，計算如下：

式中V為風速m/s；A為風洞截面積m2。

風壓計算公式為：

式中Pq為全壓，Pa；Pb為動壓，Pi為靜壓；為空氣密度，1.29kg/m3；R為風洞壁面的單位磨擦阻力，L為風洞長度12m，k取1，為局部阻力與磨擦阻力損失之比，λ取0.035，v是流速10m/s，D為當量直徑1.6m。計算得到，Pb=0.5ρv2=64.5Pa ；Pi=33.8 Pa,動壓Pb為64.5pa，全壓98.3 pa 因此，風機風壓至少為98.3pa。

1.2 模擬段設計

風是一種自然界中的大氣運動。在大氣流過地球表面時候，由于地球表面不是的光滑的，存在著各種障礙物如：植被、山地、建筑群等，于是大氣流過時遇到這些障礙物便會產生阻力。當大氣距離地面一定高度后，受到的阻力才可忽略不計，該遠離地面的高度稱為大氣邊界層高度。由此看出，在大氣邊界層高度范圍內，風速隨高度變化。根據國家《建筑結構荷載規范》標準，地貌可分為A、B、C、D 四類，如表1 所示：

表1 地貌分類及相關參數

1.2.1 大氣邊界層的設計

風洞內大氣邊界層的模擬方法通常有兩種，分為主動模擬法和被動模擬法。主動模擬方法一般在進口位置安裝射流、翼形葉柵等運動機構從而模擬出風場；被動模擬方法一般裝有擋板、尖劈和粗糙元等被動發生裝置，即用物理靜態裝置來模擬大氣邊界層的湍流。主動模擬裝置成本較高，安裝難度大。被動模擬成本低，且能有效地模擬出所需的風場。

本風洞采用被動模擬裝置。原理是在氣體來流沿高度方向上增加阻礙，將大氣減少動能轉變為湍動能，從而得到合理的流場。本風洞采用的被動裝置是三角形尖劈與粗糙元，如圖2 所示。

圖1 風洞模型

圖2 尖劈與粗糙元

1.2.2 尖劈尺寸設計

根據加拿大學者Irwin[8]反復的試驗歸納出的經驗公式，以此進行尖劈的設計。其研究得出尖劈的迎風板可用來產生合理的湍流渦旋，風速剖面的形成可由迎風板的上窄下寬的形狀得到，湍流的強度可通過迎風板的底邊寬度調整。其給出了尖劈的設計公式：

式中，H為風洞的高度；?為尖劈的高度；b為三角形尖劈迎風板底邊的寬度；δ為大氣邊界層的高度；α為地面粗糙度指數。

風洞分為模擬段和試驗段，模擬段模擬大氣邊界層風場，試驗段進行污染氣體釋放實驗。根據300：1 的縮比尺寸，大氣邊界層在風洞中高度δ為1.5m，地面粗糙度指數α為0.22，風洞橫截面的高度H為1.5m。

由公式得到，設計尖劈時尖劈高度位于1.31m～2.21m 范圍內可模擬大氣邊界層。由于城市地貌的差異性和該計算公式的局限性，本風洞設置的尖劈高度為1.6m。

1.2.3 粗糙元尺寸設計

僅利用尖劈得到的試驗所需的大氣邊界層現有的地面的粗糙度是遠遠的不夠的。為了彌補近地面的粗糙度和增加地面湍流度，需要在風洞底部加以補充，于是加入粗糙元裝置。粗糙元的設計參考公式：

式中，k為粗糙元的高度；δ為縮比后風洞內邊界層的高度；D為兩個粗糙元點的點間距；Cp為表面摩擦系數；α為地面粗糙度指數。

取地面粗糙度指數α為0.22，粗糙元間距取0.5m，風洞大氣邊界層的厚度δ取1.5m，經計算得到粗糙元高度為0.06m。由于風洞內氣體流過6 倍的尖劈高度距離的后風場方能趨于穩定，因此粗糙元分布總長度為9.6m。均勻布置粗糙元，將粗糙元成梅花狀交錯安置在風洞底部。風洞的尺寸參數如表2 所示。

表2 風洞尺寸參數

1.3 試驗段設計

本風洞設計用于研究城市市區大氣環境下氣體污染物擴散規律，因此在風洞中加入了氣體污染物釋放裝置。在試驗段處開孔并且連通氣體釋放裝置。基于相似原理中幾何相似原則，所研究的城市市區空間區域為長375m、寬300m、高50m 的建筑群，計算縮尺比例同樣應遵循300：1 的比例，則得到試驗段建筑模型空間尺寸為長1.25m、寬1m，高0.16m。

圖3 試驗段布局

為了模擬風洞內城市街區內餐飲污染物和汽車排放污染物，在試驗段底部進行開孔，開孔位置位于建筑模型下方。建筑模型連接示蹤氣體管道裝置。因為餐飲油煙及汽車尾氣排放為多點源排放且排放濃度不一，因此，需要布置多種示蹤氣體及管道，每條氣體支路管道具有獨立的閥門控制氣體釋放。氣體管道上裝有流量計，監測氣體釋放量。

如圖所示，建筑群內道路兩側商業餐飲油煙多源排放由氣瓶1 和氣瓶2 控制的示蹤氣體釋放表示。商業街內道路上汽車尾氣排放由氣瓶3 和氣瓶4 控制的示蹤氣體釋放表示。

2 模擬驗證

根據計算流體力學，對設計的風洞風場進行數值模擬，驗證風洞的可行性。在ANSYS 軟件中對風洞進行建模，去除不影響計算結果的模型特征，進行模擬模型優化，模型如圖5 所示：

圖5 風洞仿真模型

圖6 風洞實物面模型

2.1 流場驗證

為在縮尺模型中模擬風在大氣邊界層高度內的流動，需根據相似原理得到大氣邊界層內的湍流強度分布、湍流積分尺度和平均風速分布。對模型試驗段結果從高度方向每隔0.2 建立平面，并進行模擬數據提取。風洞試驗段速度場如圖7 所示，風洞截面風速如圖7 所示：

圖7 試驗段橫截面風速

圖7 表明試驗段處風速底部風速較低，頂部風速較高，且試驗段底部風速梯度較大。因為只研究大氣邊界層近地面情況，因此大氣高度上升到一定高度后的大氣情況不用考慮，因此風場滿足所研究的大氣環境。從圖7 中可知風速從下往上先快速增大而后趨于恒定。圖8 表明流場前端不穩定風速變化劇烈，當長度超過六倍尖劈高度后趨于穩定。風洞前段尖劈的存在使得風速梯度發生變化，粗糙元增加了底部氣流的湍能。從圖8 可看出風洞后端試驗段處的流場處穩定狀態，因此可用作污染氣體擴散研究。

圖8 風洞縱截面風速

湍流強度用于衡量大氣湍流特性，可利用脈動風速標準差計算得到。在《建筑結構荷載規范》[9]中我國明確規定了湍流強度計算方法，如下所示：

式中，IZ為高度z處的湍流強度；I10為高度10m 處的湍流強度。根據地貌，該名義湍流強度值不同；如表1所示，α為地貌粗糙度指數。計算得到，城市市區大氣湍流度剖面如圖9 所示：

圖9 城市風的湍流度剖面圖

在大氣邊界層中，通常認為邊界層內中任意一點處的速度時程是經過平均風所運輸的不同尺度的旋渦累加而成。旋渦的平均尺度以及脈動能量的分布決定著來流的湍流的特性。湍流積分尺度與地面粗糙度有關[10]。

湍流積分尺度計算式為：

圖10 城市風的湍流積分尺度圖

平均風剖面用于表示大氣邊界層中平均風速隨高度變化的規律。同樣根據國家《建筑結構荷載規范》標準，我國采用的平均風剖面是指數平均風剖面。指數平均風剖面由Davenport A G[11]整理、歸納而來。

圖11 城市市區平均風剖面

圖12 中黑線為C 類地貌環境平均風速線，藍色D 線為D 類地貌環境平均風速線，紅色E 線為本設計的風洞脈動風速線，本風洞風速線介于C 類與D 類地貌環境的風速線之間。C 類地貌風速隨高度增長較慢，D類地貌風速隨高度增長較快。可見D 類地貌風速梯度更大。C 類與D 類地貌都是城市地貌，兩者之間的差別在于城市內建筑物高度不同，因此本風洞可用于模擬城市市區風場。

圖12 風速變化對比

3 結論

本文在以往的風洞研究下，設計了縮尺比300：1的直流式低速風洞。采用被動模擬裝置，對建筑模型、尖劈、粗糙元等尺寸參數進行了設計。對設計的風洞添加了可進行氣體釋放的氣體管道裝置，并給出了氣體釋放裝置連接圖。計算了300：1縮尺比下風洞的平均風剖面、湍流積分尺度等參數。可用此風洞研究多污染源氣體的城市內的污染擴散情況。本文對設計的直流式低速風洞進行了數值模擬分析，驗證了此風洞可模擬大氣邊界層，可用作城市氣體污染物擴散研究。