多參數(shù)動態(tài)熱濕氣候風洞研制

李令令，孟慶林，張 磊，李 瓊

多參數(shù)動態(tài)熱濕氣候風洞研制

李令令，孟慶林，張 磊，李 瓊

（華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

自主研發(fā)并建設了多參數(shù)動態(tài)熱濕氣候風洞，完成了風洞的溫度、濕度、太陽輻射照度、天空有效溫度、降雨、風速、鹽霧7個參數(shù)實現(xiàn)的設備配置。以典型環(huán)境參數(shù)為例，給出部分氣候參數(shù)耦合試驗結(jié)果。測試表明，該設計達到了預期目標。該風洞的建設，為大陸及海島極端含鹽熱濕氣候環(huán)境下建筑熱工物理性能的研究提供了新的平臺。

風洞；多參數(shù)；動態(tài)；熱濕氣候

風洞試驗控制精度高、可重復性好、不受室外氣候條件影響等優(yōu)點，從航空航天領(lǐng)域被廣泛應用到建筑、氣象、車輛、機械、體育等領(lǐng)域。近年來，多種不同規(guī)模和不同應用類型的風洞相繼建立，為不同領(lǐng)域的科學研究提供了試驗平臺[1-4]。風洞的控制參數(shù)也由單一風速，逐漸增加為風速、溫度、濕度、太陽輻射等參數(shù)[5-8]。

在建筑物理研究方面，通過風洞試驗，復現(xiàn)室外氣候環(huán)境，再現(xiàn)實際環(huán)境中建筑的物理現(xiàn)象，可更方便、準確地發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象規(guī)律，為建立合理的數(shù)學模型提供較為準確的數(shù)據(jù)。雖然現(xiàn)有整車環(huán)境風洞[4]可實現(xiàn)的氣候參數(shù)較為豐富，但是其為開口式風洞，不利于建筑材料在復雜氣候參數(shù)耦合影響下建筑物理問題的精細研究，比如建筑材料的蒸發(fā)冷卻研究。相關(guān)的多參數(shù)人工環(huán)境實驗室，可以很好地實現(xiàn)溫濕度等參數(shù)的控制，但是流場的要求相比風洞要低。目前，國內(nèi)外用于建筑材料研究的[7]風洞為穩(wěn)態(tài)控制，且控制參數(shù)較少。我校熱濕氣候風洞[8-9]可以實現(xiàn)溫度、濕度、風速、太陽輻射共4個參數(shù)的動態(tài)控制，但是由于其尺寸限制，不利于建筑單元構(gòu)件的物理現(xiàn)象研究，而且尚不能實現(xiàn)濕熱地區(qū)的降雨參數(shù)的控制。

此外，在當前各國大力發(fā)展海島建設的形勢下，海島建筑的熱工物理性能迫切需要研究。但是目前國內(nèi)外風洞，尚不能復現(xiàn)復雜極端含鹽熱濕海島氣候，因此風洞的功能還需拓展。本文的主要目的是從構(gòu)造和測試結(jié)果方面，介紹我校亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主研發(fā)并建設的多參數(shù)動態(tài)熱濕氣候風洞。

1 DHCWT風洞構(gòu)造

我校多參數(shù)動態(tài)熱濕氣候風洞為回流立式風洞，全長40.3 m，最寬處為4.9 m，最高處為10.4 m。該風洞由第一穩(wěn)定段、第一試驗段、擴散段、風機段、過渡段、收縮段、第二穩(wěn)定段、第二試驗段8部分組成，如圖1—圖3所示。

本文主要介紹可以復現(xiàn)室外復雜氣候環(huán)境的第一試驗段，其長×寬×高尺寸為3 m×3 m×2.5 m，可放置單元模型和材料試件；試件槽為2.5 m×2.5 m，由5塊0.5 m×2.5 m可移動模塊板組成，根據(jù)試驗需求調(diào)整模塊板放置的數(shù)量。

整個風洞實驗室由風洞洞體、控制室、材料室、設備區(qū)、空調(diào)小室5個部分組成，如圖4所示。其中控制室放置風洞操控系統(tǒng)計算機、部分數(shù)據(jù)采集單元；設備區(qū)放置風洞控溫控濕需要的制冷加熱除濕機組，冷卻塔，冷、熱保溫水箱，水系統(tǒng)和控電系統(tǒng)；材料室存儲風洞試驗需要的材料構(gòu)件和模型；空調(diào)小室為模擬與室外環(huán)境相對的室內(nèi)環(huán)境或其他測試環(huán)境，保證測試試件內(nèi)外邊界條件與實際所處的室內(nèi)外熱濕邊界條件相同。

根據(jù)DHCWT的使用要求和特點，風洞洞體內(nèi)壁面采用316不銹鋼，外壁面為彩鋼板，內(nèi)外壁面之間填充100 mm厚度的聚氨酯保溫材料，達到保溫、隔熱、防潮、防腐、節(jié)能的目的；風洞觀察窗采用保溫、隔熱的雙層鋼化玻璃，且其外部配有移動保溫門，既保證觀察，又避免室外太陽輻射對部分試驗的影響。風洞洞體頂部裝設由遮陽裝置、噴霧裝置組成的透明玻璃遮陽棚，以降低日照雨淋對于風洞洞體老化和風洞試驗的影響，同時保證風洞實驗室整體白天的采光需求及內(nèi)部舒適性。

圖1 多參數(shù)熱濕氣候風洞三維模型圖

圖2 多參數(shù)熱濕氣候風洞剖面圖A-A（單位：mm）

圖3 多參數(shù)熱濕氣候風洞剖面圖B-B（單位：mm）

圖4 多參數(shù)熱濕氣候風洞平面布置示意圖（單位：mm）

2 DHCWT風洞各參數(shù)的實現(xiàn)

2.1 風速的實現(xiàn)

風洞內(nèi)氣流循環(huán)采用一臺變頻軸流風機，風量范圍為13 500~270 000 m3/h，電機功率110 kW，直徑為2 m。通過計算機讀入設定風速，傳輸?shù)斤L速控制器，經(jīng)傳感器反饋值與設定值的差值運算后，自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率，在風洞試驗段實現(xiàn)風速在0.5~10 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

風機段進出口為圓形截面，前后風管為矩形截面，為減小氣流的分流，在風機前后增加過渡段。由于過渡段的長度并沒有嚴格的設計要求，但需長度應適宜，過長會增加風洞設備的制造成本，過短又會影響到風機段的流動特性，綜合Fluent軟件模擬結(jié)果，最終設置過渡段長度為1.75 m，如圖1和5所示。此外，為改善試驗段氣流特性，在試驗段入口設置蜂窩器和阻尼網(wǎng)組成的穩(wěn)定段。蜂窩器長度長度越大，導直氣流效果越好，但是能量損失增加，口徑值越小，蜂窩器對降低紊流度的效果越明顯。根據(jù)相關(guān)研究/常取8~12[10]，這里采用損失系數(shù)較小的六角形蜂窩器，由樹脂結(jié)構(gòu)的蜂窩格子熱壓而成，/取10，為300 mm。為進一步降低湍流度[11]，在試驗段入口布置1層7.9目/cm（20目/英寸）的阻尼網(wǎng)，從而在風洞內(nèi)實現(xiàn)均勻分布的流場。通過測量系統(tǒng)中的熱線風速儀和三維超聲波風速儀的測試，在最大風速時，風洞試驗段入口截面風速平均偏差系數(shù)為1.72%，湍流度為1.35%，其均勻性和湍流度均滿足風洞設計要求[12]。

圖5 風洞過渡段三維結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.2 溫度、濕度的實現(xiàn)

為實現(xiàn)風洞內(nèi)溫度和濕度的精密調(diào)節(jié)，在風洞洞體圍護結(jié)構(gòu)保溫設計較好的基礎上，風洞配置的設備包括1臺制冷機組、1組表冷器、2組加熱器、1臺轉(zhuǎn)除濕機、1組電蒸汽加濕器、1臺冷卻塔、1個冷水保溫水箱、1個熱水保溫水箱。

由于風洞內(nèi)氣流的加熱和除濕，相比制冷和加濕，其響應存在滯后性，為提高其響應速度，采用三級加熱、三級除濕的方式，控制流程如圖6所示。風機驅(qū)動氣流循環(huán)經(jīng)一級空氣調(diào)節(jié)除濕表冷器、二級露點除濕專用表冷器、三級高效轉(zhuǎn)輪除濕機實現(xiàn)三級快速除濕；氣流經(jīng)表冷器進行一級升溫，再經(jīng)過兩組加熱器實現(xiàn)三級快速加熱。通過智能耦合控制，在試驗段入口實現(xiàn)風洞內(nèi)溫度10~40 ℃、相對濕度的耦合范圍為40%~98%。

圖6 溫度和濕度控制流程圖

2.3 太陽輻射照度模擬的實現(xiàn)

風洞試驗段上部燈槽共安裝141盞175 W紅外燈模擬太陽光源，可瞬時啟動，光源能量主要分布在300~3000 nm波長內(nèi)，基本包含了太陽輻射的中短波輻射280~2500 nm波長。通過控制系統(tǒng)設定太陽輻射照度值，經(jīng)輻射照度表反饋值與設定值的差值運算后，自動調(diào)節(jié)光源的輸入功率，在試件表面獲得設置的太陽輻射照度。同時，燈槽頂部設置冷輻射板，及時帶走光源產(chǎn)生的熱量，保持燈槽空間的溫度在50 ℃以下，保證太陽輻射燈的正常工作。

根據(jù)風洞內(nèi)部構(gòu)造、316鋼板壁面以及玻璃觀察窗表面對于光源反射的不同影響，并考慮經(jīng)濟成本，在燈陣中央?yún)^(qū)域采用稀疏布置的梅花型陣列；燈陣的前后區(qū)域，由于無鋼板壁面的反射疊加作用，采用加密的矩陣陣列；燈陣的左右區(qū)域，根據(jù)鋼板壁面和玻璃壁面的反射疊加程度不同，采用矩陣陣列并進行局部調(diào)整，見圖7。在距離輻射燈底部2.5 m處的試件槽表面，測得動態(tài)范圍為0~1000 W/m2，可無極調(diào)節(jié)。

圖7 燈陣平面布置圖（單位：mm）

2.4 天空有效溫度模擬的實現(xiàn)

天空有效溫度是計算天空長波輻射量的關(guān)鍵參數(shù)。在DHCWT實驗段上部采用尺寸為3 m×3 m的輻射板與輻射燈耦合布置。為保證溫度分布的均勻性和動態(tài)調(diào)節(jié)的快速響應，在輻射板上設置8條水路，9個溫度控制點。在控制系統(tǒng)中輸入天空有效溫度設定值，經(jīng)測點反饋值的平均值與設定值的差值運算，調(diào)節(jié)冷、熱水的供水量，實現(xiàn)天空有效溫度在7~45 ℃的動態(tài)控制。

2.5 降雨的實現(xiàn)

風洞的降雨模擬系統(tǒng)由流量高、中、低3組不同孔徑（13.1 mm、6.0 mm、3.6 mm）的FullJet型雨滴模擬噴頭，不銹鋼分水、供水、過濾系統(tǒng)，便攜式降雨測控系統(tǒng)組成。通過測控系統(tǒng)反饋值與設定值的差值比較，實時調(diào)整降雨噴頭的供水量和壓力、降雨噴頭以及供水溫度，在試驗段可實現(xiàn)降雨強度為5~ 200 mm/h的動態(tài)控制范圍。

2.6 鹽霧的實現(xiàn)

風洞的鹽霧系統(tǒng)是按比例配制好鹽溶液過濾后輸送到鹽霧發(fā)生箱中，經(jīng)超聲波霧化器，產(chǎn)生分散精細而濕潤的濃霧，通過調(diào)節(jié)噴霧壓力和噴嘴孔徑開度可調(diào)節(jié)鹽霧顆粒直徑大小，經(jīng)風洞中的鹽霧噴嘴均勻分布在試驗段中，根據(jù)鹽霧收集器收集試驗段中的鹽溶液樣本，以測試鹽霧的沉降率，及時補充鹽溶液。風洞內(nèi)暴露于鹽霧環(huán)境下的部位均做耐鹽防腐蝕處理。實驗段內(nèi)的鹽霧濃度的動態(tài)控制范圍為0.3~25 mg/m3，鹽霧顆粒直徑大小1~5 μm占85%以上，可滿足沿海城市及海島地區(qū)的大氣鹽霧濃度范圍[13]。

2.7 空調(diào)小室

空調(diào)小室位于風洞試驗段下方，采用2 HP風冷壓縮冷凝機組和功率為6 kW的電加熱器調(diào)節(jié)溫度，并且在其送風和出風口采用孔板型風口，保證空調(diào)小室內(nèi)風場和溫度場的均勻性。空調(diào)小室溫度控制范圍為16~30 ℃，風速≤0.5 m/s。

3 DHCWT動態(tài)周期性工況模擬

DHCWT風洞不僅可以對單一氣候參數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定控制，也可實現(xiàn)多參數(shù)動態(tài)耦合控制。本節(jié)對熱濕地區(qū)廣州夏季典型氣象日[14]進行連續(xù)3 d的動態(tài)復現(xiàn)試驗，并采用標準差評價動態(tài)周期性工況的控制偏差。各參數(shù)動態(tài)周期性模擬結(jié)果如表1和圖8所示。

各參數(shù)的測量值均能較好跟蹤其設定值，僅在風速較低且相對濕度較高時，空氣溫度和天空有效溫度出現(xiàn)較大的波動；空氣溫度在高濕且低風速的一段時間內(nèi)，個別點的測量值與控制值絕對偏差大于0.2 ℃，其他大部分偏差均在±0.2 ℃以內(nèi)；天空有效溫度在高溫高濕且低風速的這段段時間內(nèi)，測量值與控制值的絕對偏差大于0.5 ℃，其他均在0.5 ℃以內(nèi)。

表1 各參數(shù)的動態(tài)控制偏差

圖8 各參數(shù)周期性動態(tài)模擬結(jié)果

4 結(jié)論

（1）自主研發(fā)的多參數(shù)動態(tài)熱濕氣候風洞，通過設置相關(guān)氣候參數(shù)的設備，實現(xiàn)了室外自然氣候中風速、溫度、濕度、太陽輻射照度、天空背景輻射溫度、降雨、鹽霧共7個參數(shù)的模擬，控制范圍分別為0.5~ 10 m/s、10~40 ℃、40%~98%、0~1000 W/m2、7~45 ℃、5~200 mm/h、0.3~25 mg/m3。對廣州夏季典型氣象日連續(xù)測試表明，測量值與控制值的標準差分別為0.01 m/s、0.19 ℃、0.53%、0.96 W/m2、0.35 ℃。該風洞的建設，為大陸及海島極端含鹽熱濕氣候環(huán)境下，建筑物理的研究提供了新的實驗平臺。

[1] PATERNA D, MONTI R, SAVINO R, et al. Experimental and Numerical Investigation of Martian Atmosphere Entry[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2002, 39(2): 227–236.

[2] 余先鋒，謝壯寧，劉海明，等.氣柱共振對開洞結(jié)構(gòu)內(nèi)壓風洞試驗的影響[J].振動與沖擊，2018, 37(4): 55–59.

[3] CUI P Y, LI Z, TAO W Q. Wind-tunnel measurements for thermal effects on the air flow and pollutant dispersion through different scale urban areas[J]. Building & Environment, 2016, 97: 137–151.

[4] HE Y, YANG Z, WANG Y. Wind noise testing at the full scale aeroacoustic wind tunnel of Shanghai Automotive Wind Tunnel Center[C]// 14. Internationales Stuttgarter Symposium. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

[5] CERMAK J E. Thermal effects on flow and dispersion over urban areas: Capabilities for prediction by physical modeling [J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(3): 393–401.

[6] CERMAK J E. Wind-tunnel development and trends in applications to civil engineering[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2003, 91(3): 355–70.

[7] LIAO Chungmin, CHIU Kunhung. Wind tunnel modeling the system performance of alternative evaporative cooling pads in Taiwan region[J]. Building & Environment, 2002, 37(2): 177–87.

[8] 張玉，孟慶林，陳淵睿.太陽能被動蒸發(fā)用動態(tài)熱濕氣候風洞實驗臺研制[J].太陽能學報，2008, 29(5): 509–14.

[9] ZHANG Lei, FENG Yanshan, MENG Qinglin, et al. Experimental study on the building evaporative cooling by using the Climatic Wind Tunnel[J]. Energy & Buildings, 2015, (104): 360–368.

[10] BARLOW J B, RAE W H, POPE A. Low Speed Wind Tunnel Testing[M]. 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc, 1999.

[11] BARRETT R V. Design and performance of a new low turbulence wind tunnel at Bristol University[J]. Aeronautical Journal, 1984, 88(873): 86–90.

[12] 建筑工程風洞試驗方法標準：JGJ/T338-2014[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[13] 巫銘禮.自然界中的鹽霧[J].環(huán)境技術(shù)，1993(4): 3–8.

[14] 城市居住區(qū)熱環(huán)境設計標準：JGJ286-2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

Development of multi-parameter dynamic hot-humid climate wind tunnel

LI Lingling, MENG Qinglin, ZHANG Lei, LI Qiong

(State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

A multi-parameter dynamic hot-humid climate wind tunnel is independently developed and built, and the equipment configuration of seven parameters, namely temperature, humidity, solar radiation illumination, sky effective temperature, rainfall, wind speed and salt fog is completed. By taking typical environmental parameters as an example, the coupling experimental results of some climatic parameters are presented. From the experimental results, it can be seen that the design has achieved the expected goal. The construction of the wind tunnel provides a new experimental platform for the study of thermal and physical properties of buildings in the extreme salt-bearing hot-humid climate of the mainland and islands.

wind tunnel; multi-parameter; dynamic state; hot-humid climate;

V211.74

A

1002-4956(2019)10-0095-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.023

2019-02-21

國家自然科學基金重大項目（51590912）；國家自然科學基金項目（51678243）；廣東省自然科學基金項目（2016A030313506）

李令令（1990—），女，河南周口，博士研究生，主要從事建筑熱環(huán)境與節(jié)能研究。E-mail: huananlilingling@163.com

孟慶林（1963—），男，吉林海龍，教授，博士生導師，主要從事建筑物理與節(jié)能技術(shù)研究。