基于Fluent的压力感受型固态测风装置的数值仿真分析

　　摘要：我国在大部分地区建立的基本气象站在风速风向采集时一般使用风杯式风向风速仪的测风装置，但是在一些高湿度、低温以及风沙较大等气候恶劣的地区气象站，由于风杯式风向风速仪存在旋转件，同时存在磨损损耗，故而易被风沙损耗，同时易受冰冻、雨雪的干扰，从而影响风相关参数的采集，需定期维护。

　　关键词：固态测风装置；CFD分析

　　引言：

　　对固态测风装置的空气动力学研究主要有三种方法，即风洞实验、理论分析和计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）分析。随着计算机技术的发展，计算流体动力学相对于实验和理论计算具有成本低、周期短等特点，因此受到越来越广泛的应用。CFD方法对于预测和改进固态测风装置的气动性能，指导固态测风装置的产品设计具有重要意义。故本文采用大型商业化CFD软件的FLUENT对固态测风装置的外流场进行数值仿真分析。

　　1固态测风装置的空气动力学特性与CFD理论基础

　　1.1固态测风装置的空气动力学特性

　　本文所要进行空气动力学研究的固态测风装置有两种结构，一种是“蘑菇状”的固态测风装置，一种是“棒状”的固态测风装置。“蘑菇状”固态测风装置的压力采集区域位于固态测风装置顶端的“铁饼状”四周，每隔45度共计8个压力采集口，压力采集口呈孔形；“棒状”的固态测风装置的压力采集区域位于“棒状”结构件的2/3处，压力采集口呈“细缝”形。

　　固态测风装置在采集风参数时，外形结构与流场相互作用后通常会产生两种流场区域，一种是风经过固态测风装置的迎风面和两侧时所产生的流场，多以层流为主，流场稳定；一种是风经过固态装置后，在其尾部产生的流场，多以湍流为主，流场较为复杂，本文将这两种区域的接触处与固态测风装置压力感受面的相交点称作分离点。分离点所在的位置受风速大小和固态测风装置外形结构的影响。

　　1.2CFD理论基础

　　计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。

　　计算流体力学在最近20年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给他提供了坚实的物质基础外，还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制，例如由于问题的复杂性，既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓展实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。

　　CFD软件分析的整体工作分析流程，可以概括为：

　　1）建立控制方程。分析研究的物理问题，概括出其数学模型；

　　2）确定其初始条件及边界条件。初始条件为所研究的对象在过程开始时刻求解变量的空间分布情况，边界条件是指在运动边界上方程组解应该满足的条件；

　　3）确定计算区域，划分计算网格，生成计算节点。将控制方程离散的空间区域（所计算的区域），网格划分过程就是将控制方程离散的过程；

　　4）建立离散方程，对初始条件和边界条件离散化。此过程也是根据不同的离散化方法建立方程组的过程，把连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值；

　　5）离散初始条件和边界条件，给定求解控制参数；

　　6）求解离散方程。给定合适的流体参数和湍流模型，通过数值方法求解方程；

　　7）判断解是否收敛。当达到指定收敛精度后才结束求解方程；

　　8）显示和输出计算结果。对所计算的结果通过压力云图、速度云图和速度轨迹图等合适的方式表达出来并显示相应结果。

　　本文进行计算流体力学研究所采用的软件是ANSYS14中的FLUENT软件，它可计算从不可压缩（低亚音速）到轻度可压缩（跨音速）直到高度可压缩（超音速）流体的复杂流动问题。FlUENT本身所带的物理模型可以准确地预测层流、过度流和湍流多种方式的传热和传质，化学反应，多相流和其他复杂现象。它可灵活地产生非结构网络，以适应复杂结构，并且能根据初步计算结果协调网格。

　　CFD在流体—压力的仿真计算领域绝大部分应用都集中于进行仿真对象外流场的数值模拟。目前，国内外基于FlUENT进行的空气动力学研究已经相当成熟，经验证，通过CFD的模拟能够准确确定局部几何形体的改变对空气动力的影响，并能够直接比较不同几何形体设计的气动性能。

　　2仿真结果和分析

　　通过CFD-POST后处理软件，可对固态测风装置流场计算的结果进行可视化处理和压力采集点设置进行压力采集。本次对固态测风装置的流体仿真研究在进行仿真结果和分析时，在可视化处理方面，将作压力和速度云图的俯视图和侧视图以及Streamline的等值体侧视图；在压力采集方面，将根据两种不同结构的固态测风装置的压力感受区域进行压力特征点设置和取值，并作数据处理和压力系数Cp的得出。

　　a）根据雷诺数计算公式Re=ρ*V*D/μ，“蘑菇状”固态测风装置压力感受区域的直径D=0.18m,可以得出Re=V*1.962*10e4，再根据圆柱扰流得研究，亚临界区间为Re=[300，300000]，可得出若想保持“蘑菇状”固态测风装置所采压力值在亚临界区间，流体速度V应在区间[0.015291，15.291]m/s。此次仿真的来流速度为5m/s，10m/s，30m/s，50m/s，60m/s，可以发现只有5m/s，10m/s两个速度处在亚临界区间内，从“蘑菇状”固态测风装置的速度云图（俯视）也可以看出，当速度在5m/s，10m/s时分离点较近，但从30m/s开始分离点逐渐向压力感受区域两侧移动，直到60m/s风速时，分离点已基本在压力感受区域两侧（扇形区域角度接近180度）；

　　b）同理，“棒状”固态测风装置压力感受区域的直径D=0.026m，Re=V*2.834*10e3，可以得出若想保持“棒状”固态测风装置所采压力值在亚临界区间，流体速度V应在区间[0.10586，105.86]，故对“棒状”固态测风装置来说，此次仿真的流体速度均在亚临界区间内，从“棒状”固态测风装置的速度云图（俯视）也可以看出，分离点基本固定（夹角约90度）

　　3结论

　　应用Solidworks、AutoCAD软件和CFD软件对固态测风装置的外流场进行建模和仿真模拟，相比于风洞实验和理论分析，可节约昂贵的费用并且缩短研究周期，同时不失理论的准确性，是一个快速而行之有效的方法。此次数值分析仿真对两种结构固态测风装置的外流场特性进行了较精确的模拟，基本可以得出以下3个结论：

　　a）对于“蘑菇状”固态测风装置，通过上文仿真可得，若在亚临界区间内，所测V=[0.015291，7.6453]m/s的范围太小，故而不建议做外部两侧差压采集的结构设计改变，建立采取内外差压的方式进行压力采集和风参数解算；

　　b)同理，对于“棒状”固态测风装置，可以做外部两侧差压采集的结构设计改变，但是在压力槽的开取上应结合圆柱扰流的理论进行设计；

　　c）本次数值仿真分析得出的压力系数Cp值可作为后续风洞实验和现场实验时软件算法解算的系数参考。

　　作者梁跃东

《基于Fluent的压力感受型固态测风装置的数值仿真分析》

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