阻塞比:概念,天線風洞試驗阻塞比的仿真計算與分析,風壓數值計算原理,天線風載荷的數

阻塞比是指實驗模型在實驗風道截面上的投影面積與風道截面積之比。

基本介紹

中文名：阻塞比
外文名：Blockage ratio
描述：模型在風道投影與風道截面積之比
套用：風速感測器
學科：工程技術

概念,天線風洞試驗阻塞比的仿真計算與分析,風壓數值計算原理,天線風載荷的數值計算,計算結果分析,研究結論,風洞阻塞比係數試驗與研究,研究背景,技術路線,

概念

由於不確定度阻塞比的影響，同一類型的風速感測器，用大、小風洞測試時，在28 m/s風速點上的實際風速，其結果是不一致的(大風洞測試時實際風速大，小風洞測試時實際風速小)。若將風速感測器在小風洞中的測試結果與阻塞修正係數(用比較法得出)求和後，其實際風速增大。於是得出結論，在小風洞中測試時，對於阻塞係數大於5%的風速感測器，應對測試結果進行阻塞係數修正。

天線風洞試驗阻塞比的仿真計算與分析

工作在露天的天線，風載是必須考慮的一種主要載荷。風載會造成反射面和背架變形，影響反射面精度，引起偏焦和指向誤差。

風載獲得的途徑主要有風洞試驗、現場實測、經驗公式計算和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)數值計算。採用經驗公式計算誤差較大，直接在大氣中進行現場實測不方便甚至不大可能，對於較重要的天線結構風載，通常用天線模型進行風洞試驗方式獲得。然而，在風洞試驗中，風洞口徑有限，要保證風洞內風場不受洞壁影響以使其流動特性與實際風場相似，模型的大小就要根據風洞口徑進行適當選取。隨著CFD技術的不斷改進，數值計算方法在天線風載計算中得到越來越多的套用。

研究運用CFD方法，使用FLUENT軟體，基於Reynolds時均納維-斯托克斯方程(N-S方程)，採用標準κ-ε湍流模型對天線上的風壓分布進行了數值模擬，利用有限體積法和壓力校正算法(Semi-ImplicitMethod for Pressure-Linked Equations，SIMPLE)來實現非線性離散化方程組的離散和疊代求解，選取不同口徑的計算區域模擬風洞試驗，找出合適的阻塞比(實體天線模型的截面積與風洞試驗段的截面積之比稱為阻塞比)，為進行數值計算及風洞試驗提供依據。

風壓數值計算原理

本文為近地面的風場，流體為低速、不可壓縮的粘性牛頓流體，其基本控制方程N-S方程為基於質量守恆原理的連續方程和基於動量守恆的運動方程。流體內不同尺度的渦造成了湍流物理量的脈動，對於脈動量的影響。廣泛採用的方法是時間平均法，即把湍流運動看作由平均流動和脈動流動疊加而成。

對於固體壁面對流場計算的影響，本文選用標準壁面函式(Standard Wall Functions)來修正κ-ε模型，以模擬壁面附近的複雜流動。

數值模擬依據的控制方程是連續方程和納維-斯托克斯方程(N-S方程)，不考慮熱交換，即禁止能量方程。流體介質是低速空氣，具有不可壓縮性，密度為常數，材料參數使用預設值。對控制微分方程離散時，採用FLUENT軟體默認的設定，即採用有限體積法將微分方程分解成一系列關於多個變數的非線性耦合代數方程組，採用一階迎風格式離散對流項，用具有一階精度的中心差分格式離散擴散項。對於壓力- 速度耦合方程，採用SIMPLE算法實現各聯立方程的解耦及壓力場和速度場的校正。

天線風載荷的數值計算

混合格線具有很好的靈活性和適應性，易於進行格線自適應，故本文在GAMBIT中採用混合格線對其周圍流體劃分格線。在流域中採用由面到體的逐級劃分，對天線進行細化，遠離天線的區域格線逐漸變稀。格線縱剖面如圖1所示。

天線受到的風載荷由摩擦阻力與壓差阻力所組成。本文分析的天線均屬於非流線型物體，摩擦阻力比壓差阻力小很多，因此主要考慮壓差阻力。由於天線完全與風向對稱，則只有迎風阻力，而沒有升力和側向力。圖2是根據表1得出的阻力係數隨阻塞比變化的趨勢曲線。

由圖2變化曲線可以看出，平板天線和拋物面天線在阻力係數隨阻塞比變化的趨勢上是相似的，只是前者的阻力係數小於後者。並且當天線與風洞的阻塞比小於4%時，阻力係數趨於穩定，變化不明顯。這樣的趨勢也並不隨進口風速的變化而發生明顯的變化。而且，這種採用數值分析的方法實現天線風洞試驗的數值化，是可行的。

計算結果分析

現以兩天線中的拋物面天線為分析對象，進口風速採用20 m/s，分析阻塞比對風載產生的影響。天線在氣流中的情況如圖3所示。氣流從前方流向天線時，開始氣流沿著天線表面，但到達某一點便與天線分離，在天線後面形成充滿漩渦的尾流。由於漩渦消耗了部分能量，在漩渦區形成了負壓。而在天線前面，流體速度由於物體阻擋而減小，甚至變為零，氣流動能轉化為壓能，故在天線的前面形成了正壓。這樣，天線前後有一壓力差，氣流就對天線作用有一合力，此合力在氣流方向投影即為風的迎面阻力(忽略摩擦阻力)。

根據表1中的數據，畫出進口風速為20 m/s時，拋物面天線迎風面、背風面及總載荷(迎面阻力)隨阻塞比的變化趨勢曲線，如圖4所示。天線側面所受風載荷很小，故而忽略不計。

由圖4可以看出，隨著阻塞比的變化，迎風面風載變化很小，最大幅度僅為2.62%，天線總載荷主要隨著背風面載荷的變化而變化。

通過FLUENT仿真結果的後處理分析，分別研究天線迎風面和背風面風載隨不同阻塞比的變化情況。圖5是阻塞比分別為25%和4%時的天線周圍的風速矢量圖。

對比圖5a、5b不難發現，在迎風面附近的風速大小和方向幾乎是一樣的，從下面的圖6天線迎風面的壓力雲圖上也可以看出，雖然阻塞比發生了很大變化，但天線迎風面的載荷幾乎沒什麼變化。

接下來研究背風面風載的變化。背風面風載的大小與尾流有關。尾流的尺寸越大，湍動能就越大，背風面風載也就越大。

對於尾流部分，圖5a中由於阻塞比比較大，天線距離風洞壁較近，洞壁干擾大，壁壓信息強，氣流脫離天線之後隨即碰到風洞壁。風洞壁的反射與壓縮的干擾作用，使一部分氣流轉到天線背面,形成較大的漩渦區。尾流尺寸增加，故背面風載荷增加。圖5b中，由於阻塞比比較小，氣流脫離天線的分離點也比較靠後，脫離後沿速度方向向外自由散開，只有一小部分氣流在天線背面附近形成較小的漩渦。

尾流的漩渦以湍動能的形式作用在天線上。下面的圖7是阻塞比分別為25%和4%時的天線背風面的湍動能雲圖，可以看出當阻塞比為25%時，天線背風面的湍動能明顯要大於阻塞比為4%時。綜合上面圖5尾流的情況，由此可以解釋圖4中天線背風面載荷曲線隨阻塞比變化的原因。

研究結論

研究利用CFD方法，採用FLUENT6軟體平台，基於標準κ-ε湍流模型來模擬風洞試驗，研究了不同阻塞比下天線風載荷的變化情況，並從中找出了其變化的原因。主要結論如下：

（1）實體天線模型的截面積小於風洞試驗段的4%為佳。這樣能較可靠的保證測試數據的準確性。這相對於參考書上5%～8%更為合理。

（2）對於拋物面天線，只是它的阻力係數大於平板天線的阻力係數，而在阻力係數隨阻塞比變化的趨勢上是一樣的。

（3）天線阻力係數隨阻塞比變化的趨勢，並不受進口風速的影響。

（4）不同的阻塞比主要影響天線背風面的載荷，而對迎風面的風載影響很小，幾乎可以忽略不計。如果只是考慮天線迎風面風載的話，阻塞比可以取很大，取25%亦可。

風洞阻塞比係數試驗與研究

研究背景

為了提高自動氣象觀測站風速感測器檢定的準確性、可靠性，對使用中的風速感測器進行定期檢測是十分重要的工作。套用較為廣泛的風速感測器有長春某所生產的EC9-2型風速感測器、天津某廠生產的EL15-1A型風速感測器及EL15-1C型風速感測器。天津某廠生產的風速感測器的阻塞比(阻塞比為被檢風速感測器不動部分的投影面積與風洞工作段截面積之比)超過5.0%(JJG 613-89《電接風向風速儀測試規程》和美國ASTM關於《測風感測器性能測試方法標準》中明確規定風速感測器的不動部分投影面積與風洞工作段截面積之比不能大於5.0%，否則會給測試結果帶來附加誤差)。

迄今為止，中國氣象局已經生產認證我省的II型自動氣象站，所生產的自動氣象站，必須經過檢定、合格才能投入台站使用，小風洞是工作段直徑為500 mm的風洞，與大風洞(工作段直徑為800 mm，截面積為6400 cm²)有一定差距，檢定/校準的數據結果也會不同，那么是否會影響檢定結果的準確性，通過調研我國部分省級計量站(所)現有的計量檢定情況，發現存在的問題如下：

風速在自動氣象站檢定的時候，檢定數據要以大風洞的檢定結果為標準進行修正，面對自動氣象站在全國廣泛使用的現狀，大風洞來檢定全國所有的氣象感測器是難以實現的。因此，亟需要研究在小風洞檢定時數據的修正，通過在小風洞與大風洞的對比檢定，找出阻塞修正係數，並判斷結果差值間的差距，使計量檢定工作達到規範、準確和高效。

技術路線

指定性能穩定的同一型號風速感測器兩台或者多台，分別進行相同多風速點測試，地點首先在大風洞中(工作段直徑為800 mm，截面積為6400 cm²)，其次，在小風洞中進行相同的測試，分別計算出每個風速感測器在大風洞及小風洞中測試得出的線性回歸方程，在兩種測試條件下，可以得出指示風速均為28 m/s時對應的實際風速值，將兩種測試條件下的實際風速值，代入公式得每個風速感測器的阻塞修正係數E。

式中:v₀為指示風速為28 m/s大風洞中測試時的實際風速值；v_b為指示風速為28 m/s小風洞測試時的實際風速值。

測試規程規定：兩台(或多台)風速感測器計算出來的E值間相差不得超過2%。兩次E值的平均值即為風速感測器的阻塞修正係數，去小數點後3位。由表2可知，用比較法得出的阻塞修正係數對小風洞數據修正後，結果接近大風洞的測試數據。

阻塞比