帳篷風載實驗風洞初步方案

1                      概述

1.1                      項目信息

項目名稱：帳篷風載實驗風洞

建設單位：XXX公司

建設地點：國內

數量：1套

1.2                     帳篷測試風洞 建設內容

帳篷風載實驗風洞包括流風道（風洞洞體）、風機及動力系統、淋雨系統、測控系統等4套子系統，上述子系統為一期建設，預留轉盤、冰凌及砂塵系統位置，待二期建設，此外還將提供培訓服務。由客戶提供該風洞所需的配套廠房，我方提供土建工藝布局設計輸入，供客戶土建設計方進行詳細設計，以滿足廠房的約束條件。項目所需的壓縮空氣（如有）、儀表氣（如有）、自來水、電等由客戶提供，配套廠房的土建等具體建設需求在設計階段我方根據風洞設計方案提出。

表 1?1項目主要建設內容

1.3                      帳篷測試風洞建設項目周期

本項目的建設總周期為10個月。

本項目實施過程中，對各階段分為：合同簽訂、詳細設計、土建圖紙提交、采購加工制造、設備進場、設備安裝與調試、最終驗收共7個階段。

注：風洞建設需要土建廠房及配套條件，項目周期是以土建廠房具備施工條件為前提條件。

1.4                      甲方需提供的硬件條件

1.4.1                      場地需求

客戶提供場地，所需要廠房面積將在設計階段提出。

1.4.2                      能源需求

l                      現場環境條件：

環境溫度：廠房內溫度0℃～30℃；

環境濕度：相對濕度：30%～95%；

l                      廠房提供供電電源：

廠房提供用電電壓AC690V和AC380V兩種用電，其中AC690V用電功率約為650kW，AC380V用電功率約為30kW。

l                      廠房供水：

廠房（甲方）配備自來水，初步供水能力如下：

壓力： 市政用水，供水壓力0.2MPa；流量：25m3/h。

注：以上為初步預估，需要以詳細設計數據為準。

l                      廠房供壓縮氣：

6.3m3/min，出口壓力：8bar。

1.5                      付款條件

我方期望的付款條件如下：

（1）                      合同生效后7個工作日內,甲方預付合同總價款的30%,乙方同時開具等額的13% 增值稅專用發票。

（2）                      乙方主要設備完成工廠驗收，具備發貨條件，甲方7個工作日內付合同總價款的30%，乙方同時開具等額的13% 增值稅專用發票，并發貨到安裝現場。

（3）                      完成安裝調試驗收合格后7個工作日內, 甲方支付合同總價款的40%,乙方同時開具合同總價款剩余額度的13%增值稅專用發票。

2                      技術指標

l                      風洞形式：直流3/4開口下吹式

l                      試驗段：5.0m×2.4m×12m

l                      空風洞風速范圍：2-40m/s

l                      測量控制系統：包含控制、測量、軟件系統。

3                      總體方案

風洞按需求設計為直流下吹式風洞，試驗段為3/4開口、外包駐室的形式，試驗段的氣動截面為寬5.0m×高2.4m的矩形，試驗段長12.0m。常溫時空風洞狀態下最大設計風速為40.0m/s。

總體方案如下圖所示。

圖 3?1 總體氣動輪廓圖

風洞總長約44m，寬8m，高4m，風洞洞體采用碳鋼材料，洞體做防銹蝕處理，風洞流道由進口段、動力段、第一擴散段（出口具有導流格柵）、穩定段、收縮段、開口試驗段、第二擴散段、出口段等組成。各部段通過支座固定在地面基礎上，動力段通過減振器置于地面上方，風洞中心軸線距離地面為1.20m。

風洞試驗段采用3/4開口形式，底部為實壁，頂部、兩個側面開口，試驗段位于駐室內部。駐室長15m×寬9m（駐室由客戶土建方提供），駐室單側設有大門，便于帳篷等被測件的進出。

4                      子系統初步方案

4.1                      流道

風洞結構采用符合氣動輪廓要求的薄壁殼體結構形式，流道呈水平臥式布置，流道各部段通過各種類型支座或直接固定在基礎上，動力段設置獨立隔振基礎。為保證流道的密封性能，流道各部段采用法蘭或焊接連接，整個流道各部段采用統一的顏色防腐漆，保證整體美觀。

圖 4?1流道三維結構

4.2                      風機系統

風機系統（即動力系統）為軸流風機，為風洞提供各種試驗條件下風洞運行所需要的能量，是風洞的重要組成部分，風機位于試驗段氣流來流前方。風機位于動力段內，動力段尺寸為Ф3200mm×6000mm。

風機系統包括動力系統洞體部段（動力段）、風扇系統（包含風扇槳葉、整流罩和止旋片等），核心部件是風扇系統，風機擬使用14片葉片，內有整流裝置，所需總電機功率630kW。風機系統如下圖所示。

圖 4?2風機系統示意圖

4.3                      淋雨系統

淋雨系統組成具體包括噴嘴、噴淋架、水泵、閥門、流量計、水處理設備以及管路、控制子系統。淋雨系統工作時，基于PLC編程變頻器控制水泵電機的供電頻率，通過流量控制和壓力控制調節雨量大小，穩定淋雨強度。采用噴嘴噴射的方式進行淋雨模擬，用水經過過濾器，去除顆粒雜質，確保淋雨噴嘴不發生堵塞。變頻水泵穩壓送水，采用流量調節閥調節支管路的流量，利用流量計監測主管路和支管路的流量，消除測量誤差，實現系統流量的精確調節。通過電磁閥控制噴嘴端管路的打開和關閉，噴嘴端的水壓和水流量不同組合形成淋雨實驗所需的不同雨強。結冰系統和淋雨系統共用主水管路，并集成在同一終端上，系統原理如下圖所示。

淋雨系統利用空壓機系統提供的壓縮空氣實現吹掃功能，待試驗結束后，開啟壓縮空氣吹盡管路中的殘留水跡，避免管路生銹。

圖 4?3 淋雨系統原理圖

4.4                      測控系統

測控系統通過設置的現場儀和各子系統控制器，對設備各系統進行實時監測，不僅可以對風洞參數進行實時測量，還可以將監測的數據通過控制器和上位計算機的綜合處理與邏輯判斷，發給各執行設備對現場設備進行控制，包含風速控制系統和必要的實驗數據采集和處理系統等。

圖 4?4測控系統架構示意圖

轉盤通過PLC系統及軟件自動控制，如下圖所示。

圖 4?5風速轉盤控制系統圖

風速變量通過PLC系統及軟件自動控制，如下圖所示。

圖 4?6風速系統控制原理

5                      項目服務

5.1                      人員培訓

我方擁有專業化的設備研發團隊、設備運營維護團隊，在培訓方面，我方將根據客戶的實際情況和對風洞試驗技術的了解與掌握，組織具有豐富試驗經驗和具有較高理論水平的專家對現場的應用管理人員進行培訓。保證接受培訓人員培訓結束后能夠獨立進行試驗操作，能夠進行日常維護與保養。

5.2                      售后服務

由專業團隊負責風洞及相關設備售后服務，12個月質保期，對于使用過程中出現的問題在24小時內給予解答；對后續風洞試驗技術發展提供必要的合作咨詢、指導。

6                      系統預留擴展

轉盤系統、噴砂系統及冰凌系統僅預留位置，后期考慮建設。

6.1                      轉盤系統

試驗段設有轉盤，轉盤主要用于實現試驗件的迎風面角度變化，試驗時試驗件置于轉盤上，保證試驗件迎風面距離砂塵噴射出口在3m左右。

轉盤系統由回轉軸承、回轉軸承蓋板以及驅動系統組成。回轉軸承蓋板直徑為5m，可承重1000kg，轉盤系統的控制速度為2°/s，角度范圍-180°～180°，控制精度3′。

圖 6?1轉盤系統

6.2                      噴砂模擬

系統采用主動加砂加塵方案，利用高壓空氣驅動儲罐內的砂塵以一定的速度從布置在風場噴口附近的數個噴嘴中噴出，并通過風場氣流的裹攜作用和砂塵顆粒的布朗運動擴散到氣流空間中形成穩定均勻的砂塵場。

砂塵模擬系統的工作原理是噴嘴把砂以一定的速度噴射到氣流場中，通過固體顆粒在氣流場中布朗運動作用完成擴散，并通過氣流攜裹作用運送到試驗區域，形成較為均勻的氣固兩相流流場。

砂塵場的濃度是通過控制單位時間內噴射到氣流場中的砂塵的質量完成的。均勻性保證主要由砂塵的布朗擴散作用原理來實現，由于擴散需要一定的距離，因此噴嘴與試驗件的距離比較重要，另外由于砂的顆粒度較大，重力作用較為明顯，噴嘴的噴射方向和角度需考慮重力影響作用。

圖 6?2 砂塵模擬系統工作原理圖

向風場中加砂和調節噴射速度是通過噴射器實現的，噴射器由壓縮空氣產生的正壓空氣流經噴射器時產生吸力，抽吸走位于噴射器上方的物料，并使之在正壓氣動輸送系統中噴射砂塵。

砂塵模擬系統主要包括砂塵氣力輸送噴射系統與濃度控制系統兩部分。砂塵噴射系統主要包含噴射器、噴射管路、噴嘴等；濃度控制系統包含粉塵濃度儀、電子流量秤、螺旋喂料器以及PLC控制系統。

砂塵模擬系統工作時，加料設備將砂塵加注到秤斗內，流量秤開始按照設定流速開始排料，排料機用變頻器控制調解。為了適應不同濃度要求的控制，流量秤排料采用螺旋輸送喂料。

圖 6?3 噴射器結構圖

噴射系統啟動后，濃度儀在線檢測實際濃度值，我們獲得實測濃度與設定值的差值，以此實測差值為依據，在小范圍內進行緩動的滯后線形調解，電子秤根據要求的流量變化，參照實際檢測的流量來計算與調解合理的加料頻率變化。這種雙閉環串級調節，連續進行并最終穩定在設定濃度處。

6.3                      冰凌模擬

冰凌系統用于在風洞內實現冰晶/冰雹試驗的模擬，需要在低溫條件下進行模擬，對于本項目，采用直流風洞，因風洞與外界大氣相通，實現低溫條件所需能耗過高，不具有可行性。

考慮到試驗模擬的相似性，本項目采用不同粒徑的顆粒物來實現近似模擬，采用氣力輸送的方式進行冰凌粒子的近似模擬。

模擬冰凌粒子氣力輸送系統主要包括氣力輸送設備、加料設備和濃度控制系統等。氣力輸送設備和加料設備用于在加料段形成能夠滿足試驗要求的氣固兩相流。

濃度控制系統主要用于調節噴入循環風道中的粒子量，將粒子濃度控制在滿足試驗要求的范圍內。在試驗段進口風道處安裝粒子濃度傳感器，進行粒子濃度實時測量，依據測量數據改變粒子量，將粒子濃度控制在設定值范圍內。總體方案與噴砂系統原理一致。如下圖所示。

圖 6?4冰凌粒子噴射系統原理圖