雨滴在邊界層風洞中漂移軌跡研究

馬占元

摘 要：在邊界層風洞中，研究雨滴在微風速下的漂移軌跡，建立應用于邊界層風洞的雨滴運動模型，對不同粒徑雨滴的落地速度和飄移軌跡進行分析，結果表明，雨滴在邊界層風洞中的漂移軌跡隨風速的增加而跟隨性越差。

關鍵詞：雨滴;邊界層風洞;漂移軌跡;粒徑

中圖分類號：P426 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0220-02

0 引言

邊界層風洞是研究風工程的重要設備，利用邊界層風洞中的濕沉積系統進行降雨模擬逐漸成為一項重要的環境模擬手段，雨滴在邊界層風洞中的軌跡運動是降雨模擬的重要課題，它對降雨終端設備的布置，水壓的確定，降雨高度的選擇和相關試驗粗糙元的布置都有著重要的影響。

以往針對雨滴運動的研究，通常都是對雨滴自然下落運動進行分析，主要研究自然運動受力狀況和自然收尾速度的控制狀況等。本文的研究建立在已有邊界層風洞配置的濕沉積模擬系統上，根據已有的最大降落高度和濕沉積系統提供的雨滴初始參數，結合邊界層風洞提供的可控的精確微風速，對雨滴的漂移軌跡進行研究。

1 計算模型

1.1 邊界層風洞計算模型

邊界層風洞基本尺寸如圖1所示。取標準大氣狀態進行計算，溫度為15℃，黏性系數為1.4607×10-5，通過變頻控制風機和槳葉的變槳距，可實現風洞試驗段風速范圍：0.5-20m/s。風洞總長71.1m，其中試驗段長度為28m，濕沉積系統布置在試驗段頂部，距離試驗段入口3m。邊界層風洞試驗段截面尺寸：5m（寬）×3.5m（高），試驗研究風速：1m/s，2m/s和3m/s。

3 計算結果

當風洞氣流速度一定時，隨著液滴粒徑的增大，液滴的x向落地速度逐漸增大;同一粒徑的液滴，隨著風速的增大，x向落地速度逐漸增大;風速越小，x向落地速度變化率越大，如圖2所示。分析原因：液滴在風洞中沿x方向運動時，受到氣流加速和氣流阻力的綜合作用力的影響，液滴粒徑越小，受到的綜合作用力越大，因此速度變化也越大。

當風洞氣流速度變化時（1m/s-4m/s），液滴的y向落地速度不受風速變化的影響，而只受液滴粒徑的影響，隨液滴粒徑的增大而增大，如圖3所示。這表明：在邊界層風洞中，雨滴下落速度幾乎不受垂直方向的氣流浮力的影響，這與自然界雨滴的下落過程不同。

4 液滴軌跡

針對粒徑為1mm的液滴在不同風速下的軌跡進行分析。當風速為1m/s時，1mm粒徑液滴在風洞中的運動時間為1.3s，液滴噴射速度經歷了初始減速和末端加速兩個歷程，減速時間歷程為：0-1.15s，速度表現為：由初始噴射速度4m/s逐漸降低至0.5m/s，在該階段，液滴減速是受氣體阻力的影響;加速時間歷程為：1.15s-1.3s，速度表現為：速度由0.5m/s加速至1m/s，即液滴x向落地速度達到1m/s，碰撞到風洞底部，停止運動，液滴加速是受氣流吹拂速度的影響。

因此，在1m/s風速下，液滴只經歷初始減速和末端加速兩個歷程，液滴落地可實際跟隨氣流運動速度。

當風速為2m/s時，1mm粒徑液滴在風洞中的運動時間為1.3s，液滴噴射速度經歷了初始加速，中間減速和末端加速三個歷程，初始加速時間歷程為：0-0.08s，速度表現為：由初始噴射速度4m/s逐漸加速至4.25m/s;中間減速時間歷程為：0.08s-1.1s，速度表現為：速度由4.25m/s逐漸減速至1m/s;最后，末端加速時間歷程為：1.1s-1.3s，速度表現為：由1m/s逐漸加速至1.8m/s，即液滴x向落地速度達到1.8m/s，碰撞到風洞底部，停止運動。

在初始加速，中間減速和末端加速這三個階段，分別是氣流加速，氣體阻力減速和邊界層氣流相對加速起主導作用。

風速達到3m/s時，液滴運動軌跡和風速2m/s時的運動趨勢一致，落地速度達到2.7m/s。

風速達到4m/s時，液滴運動軌跡和風速2m/s時的運動趨勢一致，落地速度達到3.4m/s。

5 結語

（1）液滴在風洞中沿x方向運動時，受到氣流加速和氣流阻力的綜合作用力的影響，液滴粒徑越小，受到的綜合作用力越大，因此速度變化也越大。（2）當風速<1m/s時，液滴所受空氣阻力作用較小，液滴落地時可跟隨風速達到風速值。（3）當風速>2m/s時，液滴運動受到空氣阻力明顯的影響，跟隨空氣運動規律較差，并隨著風速的增加跟隨性表現越差。

參考文獻

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