可移动式风蚀风洞设计及其空气动力学性能研究

论文题目: 可移动式风蚀风洞设计及其空气动力学性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 农业机械化工程

作者: 范贵生

导师: 窦卫国

关键词: 风蚀,风洞,设计,可移动式风蚀风洞

文献来源: 内蒙古农业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文在分析回顾风蚀研究与风蚀风洞国内外发展现状的基础上,论述了研发可移动式风蚀风洞的必要性,通过分析风蚀实验研究对大气边界层模拟的相似性要求和对风蚀风洞测试功能的要求,提出了可移动式风蚀风洞设计的空气动力学准则和设计条件。根据所提出的设计准则,进行了可移动式风蚀风洞的设计制造及配套测试装置的设计研究。最后进行了整体性能和功能部件性能的校验测试和评估。 所设计的风蚀风洞的全长为 11.8m, 其中试验段长 7.2m;截面宽为 1.0m, 高为1.2m;收缩段长 1.2m, 收缩比为 1.7;稳定段长为 0.41m, 宽为 1.16m, 高为 1.76m,内置不锈钢正六边形蜂窝器和一层 18 目不锈钢纱网;配套风机为 1.4m 直径、型号为BK-57 型的轴流风机,由型号为 40G 型的 40KW 发电机组驱动;配套的测试装置包括由皮托管、微差压变送器、模数转换模块和计算机所组成的压力、风速测试系统、风速廓线仪和旋风式集沙仪;配置的辅助功能部件有加沙器和人工套大气边界层模拟装置。风洞的风速在 0～20m/s 风速范围内连续可调。风洞各段之间易于连接和分离,实现了野外测试时便于移动和运输的功能。 经试运行和机动性能试验,风洞总体机械性能达到了设计要求,各功能部件均实现了预定的功能。经性能测试,在空洞条件下的各项空气动力学指标均符合设计要求;人工大气边界层调节装置能能将边界层厚度从 10 ㎝增厚至 96 ㎝左右,并能将风速廓线调节至所需的形状,实现了气流边界层的增厚和风速廓线的调节功能;研制配置的加沙装置能使风洞模拟不同挟沙程度的挟沙风。多旋风分离器式集沙仪对于 0.076mm以上粒径的土壤悬浮颗粒的收集效率可达 97%以上。 本研究为风蚀研究提供了一个具有大气边界层模拟和风速廓线调节功能、既能用于野外又能用于实验室内进行风蚀实验研究的良好的研究工具,为可移动式风蚀风洞的理论研究奠定了基础。

论文目录:

1 引言

1.1 风蚀研究和风蚀风洞的国内外发展概况

1.2 本研究的主要目的及意义

2 可移动式风蚀风洞设计的功能、性能和空气动力学要求

2.1 风蚀研究对风蚀风洞的功能和使用性能的要求

2.1.1 土壤颗粒的起动过程和风速阀值参数的测定

2.1.2 土壤可蚀性颗粒的输运及风沙流结构

2.1.3 土壤颗粒的起跳受力机制

2.1.4 摩擦速度

2.2 大气边界层模拟对风蚀风洞的设计要求

2.2.1 雷诺数

2.2.2 整体里查森（Richordson）数

2.2.3 普兰特（Prandtl）数

2.2.4 埃科特（Eckert）数

2.2.5 罗斯贝（Rossby）数

2.2.6 平均风速廓线

2.2.7 湍流的强度与尺度

2.2.8 流向零压梯度相似条件

2.2.9 地面起伏及表面粗糙度的模拟

2.2.10 风洞费鲁德数效应

2.3 设计准则小结

3 气动设计

3.1 总体布局设计

3.2 设计风速的确定

3.3 风洞实验段设计

3.3.1 试验段截面形状的设计

3.3.2 试验段高度设计

3.3.3 试验段的长度设计

3.3.4 实验段宽度的设计

3.3.5 洞壁附面层的影响与消除措施

3.4 风洞整流段的设计

3.4.1 宽角扩散段与多孔板组合的设计

3.4.2 稳定段及整流装置的设计

3.4.3 收缩段的设计

3.5 风洞能量比的估算

3.5.1 风洞能量比估算理论与基本公式

3.5.2 实验段当量压力损失系数K_(01)的计算

3.5.3 收缩段当量压力损失系数K_(02)的计算

3.5.4 稳定段外管壁面摩擦引起的当量压力损失系数K_(03)的计算

3.5.5 蜂窝器的当量压力损失系数K_(04)的计算

3.5.6 阻尼网的当量压力损失系数K_(05)的计算

3.5.7 宽角扩散段的当量压力损失系数K_(06)的计算

3.5.8 多孔板的当量压力损失系数K_(07)的计算

3.5.9 风洞出口当量压力损失系数K_(08)的计算

3.5.10 风机整流段当量压力损失系数K_(09)估算

3.5.11 风洞能量比的估算

3.6 风机系统及发电机组的选用

3.6.1 风机系统的选用

3.6.2 发电机组与调速装置选用

3.7 风机整流段的设计

3.7.1 风机整流罩设计中应考虑的若干因素

3.7.2 尾罩外形轮廓和长细比的确定

3.7.3 扩散管设计

3.7.4 风机整流段压力损失系数的验算

3.8 大气边界层模拟装置的设计

3.8.1 各种大气边界层人工形成法装置的特点分析

3.8.2 平行棒栅与粗糙元的设计

3.9 加沙器的设计配置

4 风洞测量系统的设计与配置

4.1 风洞性能试验与风蚀研究对测量系统设计配置的要求

4.1.1 风洞性能试验对测试系统设计配置的要求

4.1.2 风蚀研究对风洞测试系统设计配置的要求

4.2 压力差测试传感装置的设计配置

4.2.1 静压探头与压力差测量

4.2.2 静压差探头与差压变送器的配置

4.3 单点瞬时风速测试装置的配置

4.4 单点时均风速测试装置的配置

4.5 风速廓线仪的设计配置

4.6 数据采集系统的设计

4.6.1 数据采集处理系统硬件的构成

4.6.2 数据采集处理系统软件模块的构成

4.7 风洞集沙仪的设计与配置

5 可移动式风蚀风洞性能试验与评估

5.1 性能实验仪器的组成、标定和调整；

5.2 流场测试截面选择与测试截面上测点的布置

5.3 截面上气流的横向均匀性的测试与计算

5.4 气流稳定性的测量与计算

5.5 湍流度的测量与计算

5.6 风洞工作段轴向静压梯度的测量

5.7 空洞时湍流边界层厚度的测量

5.7.1 底板附面层厚度的测量

5.7.2 侧壁附面层厚度的测量

5.8 风洞能量比的测量

6 野外典型下垫面风速廓线的试验研究

6.1 近地表层自然大气边界层风速廓线的测试

6.1.1 试验场地的选择

6.1.2 测点布置、仪器配置与测试方法

6.2 测试结果与分析

6.2.1 测试结果

6.2.2 特征参数的计算与分析

7 风洞风速廓线的调节与测试

7.1 风洞风速廓线调节的目标基准

7.2 风洞边界层风速廓线调节装置与调节方法

7.3 风洞风速廓线调节结果与结论

8 结论

致谢

参考文献

作者简介

发布时间: 2005-07-18

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