帐篷风载实验风洞初步方案

1                      概述

1.1                      项目信息

项目名称：帐篷风载实验风洞

建设单位：XXX公司

建设地点：国内

数量：1套

1.2                     帐篷测试风洞 建设内容

帐篷风载实验风洞包括流风道（风洞洞体）、风机及动力系统、淋雨系统、测控系统等4套子系统，上述子系统为一期建设，预留转盘、冰凌及砂尘系统位置，待二期建设，此外还将提供培训服务。由客户提供该风洞所需的配套厂房，我方提供土建工艺布局设计输入，供客户土建设计方进行详细设计，以满足厂房的约束条件。项目所需的压缩空气（如有）、仪表气（如有）、自来水、电等由客户提供，配套厂房的土建等具体建设需求在设计阶段我方根据风洞设计方案提出。

表 1?1项目主要建设内容

1.3                      帐篷测试风洞建设项目周期

本项目的建设总周期为10个月。

本项目实施过程中，对各阶段分为：合同签订、详细设计、土建图纸提交、采购加工制造、设备进场、设备安装与调试、最终验收共7个阶段。

注：风洞建设需要土建厂房及配套条件，项目周期是以土建厂房具备施工条件为前提条件。

1.4                      甲方需提供的硬件条件

1.4.1                      场地需求

客户提供场地，所需要厂房面积将在设计阶段提出。

1.4.2                      能源需求

l                      现场环境条件：

环境温度：厂房内温度0℃～30℃；

环境湿度：相对湿度：30%～95%；

l                      厂房提供供电电源：

厂房提供用电电压AC690V和AC380V两种用电，其中AC690V用电功率约为650kW，AC380V用电功率约为30kW。

l                      厂房供水：

厂房（甲方）配备自来水，初步供水能力如下：

压力： 市政用水，供水压力0.2MPa；流量：25m3/h。

注：以上为初步预估，需要以详细设计数据为准。

l                      厂房供压缩气：

6.3m3/min，出口压力：8bar。

1.5                      付款条件

我方期望的付款条件如下：

（1）                      合同生效后7个工作日内,甲方预付合同总价款的30%,乙方同时开具等额的13% 增值税专用发票。

（2）                      乙方主要设备完成工厂验收，具备发货条件，甲方7个工作日内付合同总价款的30%，乙方同时开具等额的13% 增值税专用发票，并发货到安装现场。

（3）                      完成安装调试验收合格后7个工作日内, 甲方支付合同总价款的40%,乙方同时开具合同总价款剩余额度的13%增值税专用发票。

2                      技术指标

l                      风洞形式：直流3/4开口下吹式

l                      试验段：5.0m×2.4m×12m

l                      空风洞风速范围：2-40m/s

l                      测量控制系统：包含控制、测量、软件系统。

3                      总体方案

风洞按需求设计为直流下吹式风洞，试验段为3/4开口、外包驻室的形式，试验段的气动截面为宽5.0m×高2.4m的矩形，试验段长12.0m。常温时空风洞状态下最大设计风速为40.0m/s。

总体方案如下图所示。

图 3?1 总体气动轮廓图

风洞总长约44m，宽8m，高4m，风洞洞体采用碳钢材料，洞体做防锈蚀处理，风洞流道由进口段、动力段、第一扩散段（出口具有导流格栅）、稳定段、收缩段、开口试验段、第二扩散段、出口段等组成。各部段通过支座固定在地面基础上，动力段通过减振器置于地面上方，风洞中心轴线距离地面为1.20m。

风洞试验段采用3/4开口形式，底部为实壁，顶部、两个侧面开口，试验段位于驻室内部。驻室长15m×宽9m（驻室由客户土建方提供），驻室单侧设有大门，便于帐篷等被测件的进出。

4                      子系统初步方案

4.1                      流道

风洞结构采用符合气动轮廓要求的薄壁壳体结构形式，流道呈水平卧式布置，流道各部段通过各种类型支座或直接固定在基础上，动力段设置独立隔振基础。为保证流道的密封性能，流道各部段采用法兰或焊接连接，整个流道各部段采用统一的颜色防腐漆，保证整体美观。

图 4?1流道三维结构

4.2                      风机系统

风机系统（即动力系统）为轴流风机，为风洞提供各种试验条件下风洞运行所需要的能量，是风洞的重要组成部分，风机位于试验段气流来流前方。风机位于动力段内，动力段尺寸为Ф3200mm×6000mm。

风机系统包括动力系统洞体部段（动力段）、风扇系统（包含风扇桨叶、整流罩和止旋片等），核心部件是风扇系统，风机拟使用14片叶片，内有整流装置，所需总电机功率630kW。风机系统如下图所示。

图 4?2风机系统示意图

4.3                      淋雨系统

淋雨系统组成具体包括喷嘴、喷淋架、水泵、阀门、流量计、水处理设备以及管路、控制子系统。淋雨系统工作时，基于PLC编程变频器控制水泵电机的供电频率，通过流量控制和压力控制调节雨量大小，稳定淋雨强度。采用喷嘴喷射的方式进行淋雨模拟，用水经过过滤器，去除颗粒杂质，确保淋雨喷嘴不发生堵塞。变频水泵稳压送水，采用流量调节阀调节支管路的流量，利用流量计监测主管路和支管路的流量，消除测量误差，实现系统流量的精确调节。通过电磁阀控制喷嘴端管路的打开和关闭，喷嘴端的水压和水流量不同组合形成淋雨实验所需的不同雨强。结冰系统和淋雨系统共用主水管路，并集成在同一终端上，系统原理如下图所示。

淋雨系统利用空压机系统提供的压缩空气实现吹扫功能，待试验结束后，开启压缩空气吹尽管路中的残留水迹，避免管路生锈。

图 4?3 淋雨系统原理图

4.4                      测控系统

测控系统通过设置的现场仪和各子系统控制器，对设备各系统进行实时监测，不仅可以对风洞参数进行实时测量，还可以将监测的数据通过控制器和上位计算机的综合处理与逻辑判断，发给各执行设备对现场设备进行控制，包含风速控制系统和必要的实验数据采集和处理系统等。

图 4?4测控系统架构示意图

转盘通过PLC系统及软件自动控制，如下图所示。

图 4?5风速转盘控制系统图

风速变量通过PLC系统及软件自动控制，如下图所示。

图 4?6风速系统控制原理

5                      项目服务

5.1                      人员培训

我方拥有专业化的设备研发团队、设备运营维护团队，在培训方面，我方将根据客户的实际情况和对风洞试验技术的了解与掌握，组织具有丰富试验经验和具有较高理论水平的专家对现场的应用管理人员进行培训。保证接受培训人员培训结束后能够独立进行试验操作，能够进行日常维护与保养。

5.2                      售后服务

由专业团队负责风洞及相关设备售后服务，12个月质保期，对于使用过程中出现的问题在24小时内给予解答；对后续风洞试验技术发展提供必要的合作咨询、指导。

6                      系统预留扩展

转盘系统、喷砂系统及冰凌系统仅预留位置，后期考虑建设。

6.1                      转盘系统

试验段设有转盘，转盘主要用于实现试验件的迎风面角度变化，试验时试验件置于转盘上，保证试验件迎风面距离砂尘喷射出口在3m左右。

转盘系统由回转轴承、回转轴承盖板以及驱动系统组成?；刈岢懈前逯?/span>径为5m，可承重1000kg，转盘系统的控制速度为2°/s，角度范围-180°～180°，控制精度3′。

图 6?1转盘系统

6.2                      喷砂模拟

系统采用主动加砂加尘方案，利用高压空气驱动储罐内的砂尘以一定的速度从布置在风场喷口附近的数个喷嘴中喷出，并通过风场气流的裹携作用和砂尘颗粒的布朗运动扩散到气流空间中形成稳定均匀的砂尘场。

砂尘模拟系统的工作原理是喷嘴把砂以一定的速度喷射到气流场中，通过固体颗粒在气流场中布朗运动作用完成扩散，并通过气流携裹作用运送到试验区域，形成较为均匀的气固两相流流场。

砂尘场的浓度是通过控制单位时间内喷射到气流场中的砂尘的质量完成的。均匀性保证主要由砂尘的布朗扩散作用原理来实现，由于扩散需要一定的距离，因此喷嘴与试验件的距离比较重要，另外由于砂的颗粒度较大，重力作用较为明显，喷嘴的喷射方向和角度需考虑重力影响作用。

图 6?2 砂尘模拟系统工作原理图

向风场中加砂和调节喷射速度是通过喷射器实现的，喷射器由压缩空气产生的正压空气流经喷射器时产生吸力，抽吸走位于喷射器上方的物料，并使之在正压气动输送系统中喷射砂尘。

砂尘模拟系统主要包括砂尘气力输送喷射系统与浓度控制系统两部分。砂尘喷射系统主要包含喷射器、喷射管路、喷嘴等；浓度控制系统包含粉尘浓度仪、电子流量秤、螺旋喂料器以及PLC控制系统。

砂尘模拟系统工作时，加料设备将砂尘加注到秤斗内，流量秤开始按照设定流速开始排料，排料机用变频器控制调解。为了适应不同浓度要求的控制，流量秤排料采用螺旋输送喂料。

图 6?3 喷射器结构图

喷射系统启动后，浓度仪在线检测实际浓度值，我们获得实测浓度与设定值的差值，以此实测差值为依据，在小范围内进行缓动的滞后线形调解，电子秤根据要求的流量变化，参照实际检测的流量来计算与调解合理的加料频率变化。这种双闭环串级调节，连续进行并最终稳定在设定浓度处。

6.3                      冰凌模拟

冰凌系统用于在风洞内实现冰晶/冰雹试验的模拟，需要在低温条件下进行模拟，对于本项目，采用直流风洞，因风洞与外界大气相通，实现低温条件所需能耗过高，不具有可行性。

考虑到试验模拟的相似性，本项目采用不同粒径的颗粒物来实现近似模拟，采用气力输送的方式进行冰凌粒子的近似模拟。

模拟冰凌粒子气力输送系统主要包括气力输送设备、加料设备和浓度控制系统等。气力输送设备和加料设备用于在加料段形成能够满足试验要求的气固两相流。

浓度控制系统主要用于调节喷入循环风道中的粒子量，将粒子浓度控制在满足试验要求的范围内。在试验段进口风道处安装粒子浓度传感器，进行粒子浓度实时测量，依据测量数据改变粒子量，将粒子浓度控制在设定值范围内。总体方案与喷砂系统原理一致。如下图所示。

图 6?4冰凌粒子喷射系统原理图