基于稳态CFD模拟的大型低速风洞流场质量数值评估

《Sustainability》：Numerical Evaluation of the Flow Quality of a Large-Scale Low-Speed Wind Tunnel via Steady CFD Simulation

　　

本研究提出了一种全尺度稳态CFD方法，用于评估大型低速风洞（试验段尺寸8 m × 6 m，风速130 m/s）的流场质量。风洞几何以1:1比例建模，阻尼网和蜂窝器采用多孔介质模型模拟，并将结果与风洞试验数据及GJB 1179A-2012验收标准进行对比验证。基线构型能够再现轴向静压梯度并满足验收标准，但显著高估了湍流强度、动压系数及两个速度方向偏差角。阻尼网以多孔跳跃（porous jump）模型模拟，提供了主导性修正，使所有指标均满足验收限值。添加蜂窝器后仅有增量改善：多孔区域（porous zone）模型保持或改善了所有指标，而多孔跳跃表示则将速度方向偏差推至限值之外。在RNG k-ε与SST k-ω两种湍流模型之间，仅湍流强度受闭合模型影响，其中RNG k-ε更接近试验结果。在Ma≈0.38条件下，可压缩性不改变流场质量评估结果，证实了不可压缩假设的充分性。通过以经过验证的CFD工作流替代昂贵的物理试验，这些发现为基于CFD的风洞基础设施评估、设计与改造提供了实用且资源高效的参考，从而支撑可再生能源与能效研究。

论文解读：基于稳态CFD的大型低速风洞流场质量数值评估方法研究

一、研究背景与意义

风洞作为空气动力学研究、模型验证、机理识别及设计验证的核心基础设施，在航空航天、汽车工程、轨道交通、土木与环境工程以及可持续能源工程等领域发挥着不可替代的作用。风洞的价值不仅取决于其尺寸或装机功率，更关键的是其向试验段输送的气流质量。中国标准GJB 1179A-2012定义了低速风洞试验段流场质量的评估指标，包括轴向静压梯度、湍流强度、动压系数以及两个速度方向偏差角。若试验段流场质量不达标，所获取的气动数据可能反映的是风洞自身缺陷而非试验对象的固有特性。

计算流体力学(CFD)已成为评估风洞内部流场质量的重要补充工具，能够揭示气流通过回路的发展过程，识别问题区段，并在昂贵的物理改造前支持设计或改造决策。然而，已有研究多针对较小规模或设计阶段的风洞，主要目标是再现整体内部流型，而非复现大型在役风洞试验段的实测流场质量指标。对于大型闭环风洞，上游稳定段安装的阻尼网和蜂窝器对试验段流场质量具有决定性影响，但在全尺度CFD模型中，这些装置无法以显式几何解析方式建模，必须采用多孔介质模型表示。然而，阻尼网与蜂窝器的物理功能不同、几何特征迥异，其表示方式的选择并非直截了当。

本研究针对一座试验段为8 m×6 m、最高风速130 m/s的大型低速风洞，开发了一套实用的全尺度稳态CFD方法，以1:1比例显式解析风洞几何与导流叶片，采用多孔介质模型表示阻尼网和蜂窝器，并将CFD预测与风洞试验数据及GJB 1179A-2012标准要求进行系统比较。研究逐步推进：首先检验无流动控制装置的基线构型，评估显式几何模型的能力与局限；随后评估阻尼网的影响，并比较蜂窝器的两种候选表示方式——多孔跳跃与多孔区域——以确定优选建模方法；最后评估湍流闭合模型及130 m/s工况下不可压缩假设的敏感性。该研究旨在为类似大型风洞设施的CFD评估、设计或改造提供实用参考，通过复现实测试验段流场质量而无需进行昂贵的全物理试验，有助于减少大型测试设施建造和改造的材料与能源消耗，支撑能效与可再生能源研究所需的气动测试基础设施的资源高效开发。该论文发表于《Sustainability》期刊。

二、关键技术方法

研究采用了以下关键技术方法：1) 全尺度几何建模：基于BIM模型以1:1比例构建风洞完整回路，包括所有拐角段三维导流叶片，省略水平连接钢板；2) 混合网格生成：采用ICEM CFD软件，几何规则段用结构化网格，复杂段用非结构化网格，设置三套网格（粗、中、细）进行网格敏感性分析，网格单元数分别为6,957,388、10,073,503和12,301,110；3) 多孔介质模型：阻尼网因厚度0.73 mm小于最小网格尺度，采用多孔跳跃模型；蜂窝器厚度800 mm可解析，分别考察多孔跳跃和多孔区域两种表示，其中多孔区域模型在横向(Y、Z)施加各向异性阻力（放大系数10⁶）；4) 参数估计：采用Kozeny-Carman公式估算面渗透率，基于伯努利方程与连续性方程估算压力跳跃系数；5) 湍流模型对比：采用RNG k-ε模型为主，并与SST k-ω模型比较；6) 可压缩性验证：采用理想气体定律和能量方程进行可压缩模拟，与不可压缩结果对比。样本数据来自该大型低速风洞的实测数据，测试在130 m/s工况下进行，采用ATE Aerotech移动旋转测量框架系统，包括总压探头、五孔探头和风速管，测量精度满足标准要求。

三、研究结果

3.1 基线构型：网格敏感性、能力与局限

基线构型（无流动控制装置）在粗、中、细三套网格上的结果表明：最大速度、轴向静压梯度和速度方向偏差角对网格细化不敏感，而湍流强度I和动压系数μ在中网格与细网格之间变化显著减小（I变化0.11个百分点，μ变化0.04个百分点），表明解趋于网格独立。选择中网格作为工作网格。采用中网格的基线预测：最大速度132.13 m/s（与试验130.3 m/s偏差1.5%以内），轴向静压梯度满足验收标准，但I、μ、Δα、Δβ均大幅高估并超出限值，其中I超过试验数据一个数量级以上。这表明显式几何模型能充分再现轴向压力发展，但湍流强度、速度均匀性和流动对准度依赖于上游阻尼网和蜂窝器的调理作用，基线模型因缺失这些装置而无法复现这些指标。入口湍流强度从1%增加至10%对结果影响可忽略，验证了入口条件的稳健性。

3.2 阻尼网对流场质量的影响

引入四层阻尼网（多孔跳跃模型）后，所有评估指标均进入验收限值。相比基线，最大速度和轴向静压梯度基本不变，但I从1.61%降至0.03%（试验0.07%），μ从0.28%降至0.08%（试验0.15%），Δα从0.40°降至0.10°（试验0.09°），Δβ从0.26°降至0.07°（试验0.09°）。流场分析表明，阻尼网通过速度依赖的惯性阻力形成自均衡机制：每层网对高速区域施加更大阻力，逐级减小截面速度梯度，同时消除剪切产生项，使湍动能衰减至背景水平。试验段湍流强度分布中，核心区呈均匀低值，残余湍流限于近壁薄层。阻尼网表示是CFD模型物理可信性的必要条件，缺失时模型无法通过验收标准。

3.3 蜂窝器表示方式对流场质量的影响

在阻尼网基础上添加蜂窝器，两种表示方式（多孔跳跃与多孔区域）产生显著差异。多孔区域模型（配置4）将Δα从0.10°降至0.04°，Δβ从0.07°降至0.03°，μ保持0.08%；多孔跳跃模型（配置3）则使Δα增至0.13°（超出0.10°限值），μ增至0.10%。横向速度轮廓显示，多孔区域模型通过800 mm厚度内分布式各向异性阻力逐步将横向动量导向轴向，复现物理蜂窝器的整流机制；多孔跳跃模型因零厚度、各向同性阻力无法产生方向性调理，反而引入非物理扰动。横向阻力系数在10⁴至10⁸范围内变化对所有指标几乎无影响，验证了所取值的稳健性。因此，基于结果和物理机制双重依据，多孔区域表示被确定为蜂窝器的优选模型。

3.4 湍流模型对流场质量的影响

RNG k-ε与SST k-ω两种闭合模型对除湍流强度外的四个指标预测几乎一致：轴向静压梯度均为0.0033，动压系数均为0.08%，方向偏差角差异仅0.01°。湍流强度差异显著：RNG k-ε预测I=0.02%（满足0.10%限值），SST k-ω预测I=0.36%（超出限值），试验值为0.07%。湍流强度轮廓显示，分歧源于收缩段近壁区域：SST k-ω在逆压梯度下保持边界层内高湍动能，经收缩加速向内部传播；RNG k-ε通过应变率依赖的耗散项在快速应变下增强耗散，使湍动能随加速而衰减。物理上，理想化几何模型预测的湍流强度应低于实测值（因未考虑表面粗糙度、安装公差等），RNG k-ε预测值低于试验值0.05个百分点，方向正确；SST k-ω高估0.29个百分点，方向相反。因此RNG k-ε被确认为该设施和工况下更合适的湍流闭合模型。

3.5 130 m/s工况下可压缩性的影响

在配置4下比较不可压缩与可压缩模拟。可压缩模拟采用理想气体定律和能量方程，入口速度保持相同。结果表明：湍流强度、动压系数和方向偏差角几乎不变（I均为0.02%，μ从0.08%降至0.06%，Δα差0.02°，Δβ差0.01°），均满足验收限值。但最大速度从131.84 m/s增至143.65 m/s，轴向静压梯度从0.0033增至0.0048（仍满足≤0.005）。可压缩模拟与等熵理论对比：理论密度ρ≈1.141 kg/m³、温度T≈291.5 K、速度≈139.64 m/s，CFD预测密度约1.103 kg/m³、温度约290.9 K、最大速度143.65 m/s，偏差小于2.9%，归因于全回路非等熵损失。轴向静压梯度对可压缩性敏感源于密度-速度耦合，而其余四个指标由上游流动控制装置主导，不受影响。因此不可压缩假设在当前马赫数下是充分且可信的评估基础。

四、讨论与结论

研究表明，全尺度稳态CFD结合多孔介质模型能够可靠复现大型低速风洞试验段的流场质量指标。阻尼网表示是物理可信性的前提，蜂窝器应采用多孔区域模型以实现方向性整流。湍流强度对闭合模型敏感，RNG k-ε更符合试验结果。在Ma≈0.38下，不可压缩假设充分。该工作流可迁移至其他类似风洞设施，通过替代昂贵物理试验，支撑风洞基础设施的资源高效与可持续发展。