低速高温风洞设计及性能测试

吕骋予 赵志军 张笑雷

摘 要：
设计了用于高温部件实验以及气膜冷却实验的低速直流回热风洞。该风洞由动力段、扩散段、稳定段、收缩段、实验段以及加热和回热设备构成，校核并测试了风洞的流场。利用实验段搭载的热电偶在常温工况下测定了风洞出口中心处1 h内的温升。在热态实验中将主流温度提高并利用热电偶测定实验段中心温度，建立校正关系。利用毕托管测定了风洞实验段常温工作的动压分布，计算了平均流速、平均动压以及流速和动压不稳定度。流场校验结果显示，风洞的流速以及动压稳定，常温工作下主流温升不明显，高温工况下温控性能卓越，适用于模拟高温流场、测量高温部件以及气膜冷却实验。

关键词：
低速高温风洞；

气动结构设计；

热电偶；

毕托管；

流场校测

中图分类号：
TK 31 文献标志码：
A

Design and Test of a Wind Tunnel with High Temperature

and Low Speed

LYU Chengyu， ZHAO Zhijun， ZHANG Xiaolei

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and

Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：
An opencircuit regenerative wind tunnel with high temperature and low speed was designed for the experiments on hightemperature components in gas turbines and its filmcooling，which consisted of one power section，one stability section，one contraction section，two test sections，one heating unit and one regenerative unit.Flow field of this tunnel was calibrated and tested.The thermocouples in the test section were used to obtain the temperature rising in the center of the tunnel outlet at room temperature for 1 h.In the hot state experiments，the temperature in the center of the test section was obtained as the main flow temperature increased.And thus the calibration relationship was constructed.The dynamic pressure distribution in the test section of the tunnel was tested using pitot tube at room temperature.The average velocity and dynamic pressure as well as instability degree of velocity and dynamic pressure were calculated.The results from flow field calibration showed that the velocity and dynamic pressure in the tunnel were stable.The temperature rising of main flow was not obvious at room temperature.The best temperature control could be achieved at high temperature.The tunnel was suitable for the simulation of hightemperature flow field，test of hightemperature components and film cooling experiment.

Keywords：
wind tunnel with high temperature and low speed；

aerodynamic structure design；

thermo couple；

pitot tube；

flow field calibration

風洞是一种空气动力学的实验设备，在燃气轮机[1]、化工设备以及航空等领域的实验中已被广泛使用[2-3]。近年来国内研制了大量实验用风洞[4-6]。由于现代航空技术不断的突破，涡轮进口气体温度不断提高，高温且复杂的气体流动实验已经无法依靠理论和常温风洞进行。以往的针对航空航天技术的风洞则倾向于将实验理想化，将工况变为冷态[7-8]。但是仅有能够提供高温流场的风洞才能使实验贴近真实工况。由于常用的测温工具热电偶仅能测量单点温度，因而无法对整个温度场进行描述，并且在多点布置时容易对流场造成影响，增大误差。近年来，国内广泛采用瞬态液晶技术[9]和压敏漆（PSP）等非接触式手段进行测量，但是这些测量方式测温范围小。因此，在风洞实验段搭载非接触式测温设备红外热像仪测温有着较好的使用价值和实际工程意义。

本文提出了搭载红外热像设备的低速高温风洞的设计及性能测试以及搭载红外热像仪的实验段的设计以及性能测试方案，以期为研制低速高温风洞提供一定的参考价值。

1 风洞技术参数的确定

风洞的技术参数根据使用要求确定：① 主流温度t需要达到并稳定在200 ℃，静压Ps≈0.1 MPa，实验风速需达到30 m·s-1以上；
② 出口截面积与实验段面积须接近且不宜过大；
③ 风洞有特殊性，实验对象为主流湍流度高的高温部件（主流湍流度为10%以上的实验件），主流温度不稳定度低于1%，流速的不稳定度低于10%；
④ 设计制作完成后须对风洞的流速进行校核以验证其可用性。对风洞的加热设备需要进行校核以检验高温时主流温度的不稳定性。

能源研究与信息2018年 第34卷

第1期吕骋予，等：低速高温风洞设计及性能测试

2 风洞气动设计

2.1 风洞组成

根据总体需求进行可行性计算并确定风洞尺寸。风洞由动力段（压缩机）、加热段（电加热器、气气换热器）、扩散段、稳定段和收缩段构成。由于需要进行高温实验，需要在动力设备后加装电加热器，而实验中尾气温度较高，为节省能源，设置气气换热器预热入口气流。

电加热器最大加热功率为100 kW，额定电压为380 V，共有加热功率分别为50 kW（8支加热管）、25 kW（9支加热管）、16.7 kW（6支加热管）和8.3 kW（3支加热管）的四组加热组件。风洞动力由螺杆式空气压缩机提供。空气依次经过储气罐、精密空气过滤器、冷干机进入实验系统。两台空气压缩机的功率分别为75 HP（55 kW）和150 HP（110 kW），工作压力为0.9 MPa，单机输出流量分别为900、1 800 kg·h-1。储气罐工作压力为1.0 MPa，容积为2 m3。风洞整体轮廓及设备示意图如图1所示。

2.2 收缩段收缩曲线和收缩比

收缩段为风洞均匀加速气流、降低湍流度使气体流速符合实验所需，其长度适中，以免气流发生分离。实际应用中为保证其性能，收缩段长度L的取值在（0.5～1.0）D1，其中D1为收缩段入口直径。收缩曲线常用的有双三次、维氏和移轴维氏曲线。根据不同曲线的特点[10]和实际风洞工况，并考虑到双三次曲线入口收缩平滑，速度均匀，采用双三次曲线作为收缩段型面曲线，其中两曲线前后连接点xm=0.5。收缩方程式为

D-D2D1-D2=1-xL3x2m，（x/L）≤xm

1-xL3（1-xm）2，（x/L）>xm（1）

图1 风洞整体轮廓及设备示意图

Fig.1 Whole profile of the wind tunnel and

its schematic diagram

式中：D2为收缩段出口截面半径，m；
x为轴向距离，m；
D为x处的截面直径，m。

依据国内外常规低速风洞的设计经验，收缩比通常设计为7～10。为了满足本实验风洞运行的要求，采用收缩比为9，即进、出口面积比为9。

2.3 实验段

实验段截面采用矩形，截面高大于宽，这有利于二元模拟实验，并为实验台改造，安装单个叶片、燃烧室部件或进行叶片气膜冷却实验作准备。实验段截面当量直径

D0=4S2（a+h）=4ah2（a+h）（2）

式中：a为实验件宽度，mm；
h为实验件高度，mm；
S为实验段入口截面积，mm2。

实验段两侧开矩形孔，实验板内表面开槽，使其与实验段内壁面平行。其结构参数为：截面a×h为75 mm×100 mm，D0=75 mm，L=400 mm。实验段空气流速大于30 m·s-1，t为常温至200 ℃，静压Ps≈0.1 MPa。实验板处安装蓝宝石玻璃和支架以搭载红外热像仪测温。加工后的实验段如图2所示。

图2 实验段

Fig.2 Test section

2.4 稳定段蜂窝器和阻尼网

稳定段设计包括截面和湍流衰减装置设计。在收缩段前设置蜂窝器、阻尼网以降低湍流度，保证气流品质。稳定段长度设计为600 mm。蜂窝器采用薄的不锈钢板进行交叉布置，强度高且耐高温。稳定段中阻尼网开孔率β（对于低湍流度风洞β应为0.57）为0.64，网丝直径d为0.25 mm。β计算式[11]为

β=AhA0=1-dB2（3）

式中：Ah为阻尼网开孔面积，m2；
A0为阻尼网总面积，m2；
B为网孔宽度，mm。

加工后的蜂窝器如图3所示。

图3 蜂窝器

Fig.3 Honeycomb

2.5 扩散段

扩散段将气流动能转化为压力能。沿气流方向，气流速度降低，截面尺寸增大。气动损失ΔP0为

ΔP0=q1λ8tanθ2+0.6tanθ2·

1-A1A22（4）

式中：A1为进口截面积，mm2；
A2为出口截面积，mm2；
q1为进口截面动压，Pa；
θ为扩散段全扩散角；
λ为摩擦损失系数。

擴散角在小于7°时可以避免气流分离，且理论上可证明最佳扩散角为4°～5°[12]。常规低速风洞设计时θ≤5°。本风洞扩散角为5°。

2.6 温控设备

温控设备为由东方四通有限公司提供的KT系列晶闸管调压器。该设备可以设置为手动调整加热功率或自动设定目标温度，通过调节输入电压和电流对空气进行加热，并在主流温度达到设定温度时切换至低功率进行保温。自动控制面板为日本岛电公司生产的SR93型温控仪，整定后设定报警温度上、下限即可使用。

3 风洞流场校测

3.1 气流稳定性

利用毕托管对流场湍流度和均匀性进行测量。气流速度、温度测量装置示意图如图4所示。采样时间为1 h，采样间隔为5 min，校测时测点共有3个，沿Y方向依次向上，间距为5 mm，第一个测点离底面5 mm。为保证测量精确性，在实验段前模型区设置测量孔并在风机频率分别为20、30、40 Hz时测量动压并计算平均速度，其中20 、30 Hz为实验时常用频率，而40 Hz则为高速实验所需频率。

实验时记录实验段空气温度以计算空气密度，即

ρ=ρ0273273+t·PP0（5）

式中：ρ0为0 ℃、101 325 Pa时的空气密度，kg·m-3；
P为动压测量值，Pa；
P0为101 325 Pa。

风洞气流速度

V=2Pρ（6）

图4 气流速度、温度测量装置示意图

Fig.4 Schematic diagram of the velocity and

temperature testing equipment

动压测量值和风洞气流速度计算值分别如图5（a）、（b）所示。

图5 动压测量结果和气流速度计算结果

Fig.5 Test results of the dynamic pressure and

calculation results of the velocity

从图5（b）中可以看出，风洞气流速均匀。表1为风洞气流速度稳定性测试数据，其中气流不稳定度

ηv=Vmax-VminV—（7）

式中：Vmax为最大气流速度，m·s-1；
Vmin为最小气流速度，m·s-1；
V—为平均气流速度，m·s-1。

表1 风洞气流速度稳定性测试数据

Tab.1 Stability of the dynamic pressure and

velocity in the wind tunnel

从表1中可以看出，风洞气流速度稳定性良好，符合设计需求。

3.2 主流温度及加热设备稳定性的测量

利用实验段内的高精热电偶测量冷态温度，测量时不开启加热装置，待系统稳定后观测读数，并记录1 h内温升。经测试，三种风机频率（20、30、40 Hz）下常温工作时实验段中心气流温度随风机温度升高而上升，1 h内实验段中心温升均小于15 ℃。

同样利用实验段内热电偶测量热态温度，测量时将风机频率设定为30 Hz（对应风速为55 m·s-1左右），待流速稳定后调节气流温度。主流温度分别设定为50、60、70、80、90、100、120、150、180、200 ℃，采样时间为1 h，每5 min记录热电偶测得的实验段中心温度，并与温控设备设定温度进行比较。

测量温度不稳定度

ηT=Tmax-TminT—（8）

式中：Tmax、Tmin为分别为最高温度、最低温度，℃；
T—为平均温度，℃。

将加热设备调节至设定温度T1并记录数据，结果如表2所示。从表中可以看出，高温下气流的最不稳定工况为主流温度70 ℃、不稳定度0.29%，即在风洞设计许用温度下不稳定度均小于0.3%，小于设计规定的上限1%，温控性能优异，可利用该风洞开展高温部件测试实验。

表2 风洞气流温度稳定性实验

Tab.2 Stability of the air flow temperature in the wind tunnel

4 结 语

本文利用空气动力学设计了低速高温风洞，并提供了具体的结构参数和轮廓设计方案。该风洞能够长时間、稳定地输出高品质气流。对高温工况下风洞气流进行温度校核，结果表明，风洞温控性能优异，能长时间输出恒定温度的高温气流，适用于高温部件的测量。本研究对于燃气轮机叶片及燃烧室部件或气膜冷却实验均具有较高的使用价值和指导意义。

参考文献：

[1] 孙培锋，蒋志强.燃气轮机在热电联产工程中的应用状况分析[J].能源研究与信息，2013，29（1）：6-10.

[2] SARGISON J E，WALKER G J，ROSSI R.Design and calibration of a wind tunnel with a two dimensional contraction[C]∥15th Australasian Fluid Mechanics Conference.Sydney，Australia：University of Sydney，2004：13-17.

[3] PORTER J S，SARGISON J E，HENDERSON A D.Design and calibration of a facility for film cooling research[C]∥16th Australasian Fluid Mechanics Conference.Gold Coast，Australia：Crown Plaza，2007：87-92.

[4] 王文奎，石柏军.低速风洞洞体设计[J].机床与液压，2008，36（5）：93-95.

[5] 李强，丁珏，翁培奋.上海大学低湍流度低速风洞及气动设计[J].上海大学学报：自然科学版，2007，13（2）：203-207.