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改革开放40年|兰州理工大学风洞实验室为知风用风御风再添核心科技

作者:每日甘肃网   来源:每日甘肃网   浏览次数: 发布时间:2018-11-19


甘肃最大的环境风洞实验室。每日甘肃网记者 韦德占/摄

  每日甘肃网记者王占东/文 韦德占/图

  10月,兰州理工大学甲子山上、宜海湖畔的树叶红了。

  在这层林尽染、喜庆丰收的季节里,甘肃最大的环境风洞实验室在兰州理工大学建成启用。

  风洞实验室是啥?

兰州理工大学甲子山上的树叶红了。

  这个让许多人感觉陌生的事物,在兰州理工大学流体机械学科带头人、兰州理工大学副校长李仁年看来,可是一个了不起、有内涵和大用处的实验平台。

  “台风面前,如何让高楼大厦、巨型桥梁保持在安全范围内的摆动?楼宇密集的大型社区,怎么设计才能让空气流动得更利于人们的健康?你开的小汽车怎么设计才能跑得既快又安全还更省油?风力发电机的三叶轮怎么设计才能转得更快更安全?成千上百乃至上万的风电机场要怎么布置风机的间距才能让风电场更安全更充沛地拦风发电……从装备制造到风能利用再到让风趋利避害等等,都是从风洞实验室得到科学数据而指导生产的。”说起风洞实验室的价值,李仁年给记者举出了一连串的案例。

  听着李仁年的话,记者想起了北宋文学家苏轼在《赤壁赋》里描述和期待:“纵一苇之所如,凌万顷之茫然。浩浩乎如冯虚御风,而不知其所止;飘飘乎如遗世独立,羽化而登仙。”

  往事近千年。

兰州理工大学副校长李仁年。

  如今,在现代化风洞实验室的支撑下,知风、用风、凭需御风已经从文学家笔下的想象变为服务经济社会发展的鲜活现实。

  兰州理工大学风洞实验室的启用,也是兰州理工大学改革开放以来,尤其是近15年来,从风电研究起步,以开放进取、不懈奋斗、与时俱进的精神,用勤劳、勇敢、智慧书写出了一件件、一桩桩问风、知风、用风、御风的科技故事。

  自此,甘肃省有了最大、西北地区有了第二大的环境风洞实验室。

  十里春风不如“你”,让风更懂人的心

学生们穿行于试验场一个个巨型设备里。

兰州理工大学能源与动力工程学院副院长李德顺向记者介绍风洞实验室设备工作原理。

  10月15日下午,记者来到位于兰州理工大学的风洞实验室。

  在宽敞明亮的试验场,兰州理工大学能源与动力工程学院副院长李德顺正和学生们穿行于一个个巨型设备里,师生们在一个个洞体、驱动系统和测量控制系统前,或观测着设备、或记录着数据、或进行着讨论,一场关于风的试验教学正在这个忙碌的城市里进行。

  风洞,漫步在这个实验室里,让第一次外来参观者不再感到陌生,这的确是一个个风洞,是人为设定的、可以自行控制的风洞。记者快速搜索“风洞”词条,得到了进一步更准确的验证:“风洞,是能人工产生和控制气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备,它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。”

  在一个绿色的由钢铁焊接的长椭圆形的风洞洞口前,李德顺告诉记者,这是一个长1.1米、直径0.7米的实验风洞,专业名词叫回流低速风洞,它是一个小型的能吹回流风的试验风洞,实验物放在风洞中接受每秒3到40米风速的风力实验,由于风速相对较低、风的湍流度小,可以做风力发电机机组设计的实验。

回流低速风洞。

  说到这里,李德顺给记者举了一个例子。

  风力发电机机组,包括三叶轮就可以在这样的环境里做设计参数的实验。具体操作就是,将一个风力发电机组按照比例尺制作一个小的缩尺模型,然后将其放在这个风洞里,连接上可测量、传输数据的终端设备上,人为设定驱动系统对其吹风,在不同风速的吹动下,控制系统可以观测、记录到其表面承受风力、压力的一系列相关数据,这些数据通过科研人员的再处理,可以得出在一定风力环境中的风力发电机组各部件设计的技术参数,成为风力发电机组设计、制造的科学数据。

戈壁风力发电。(资料图)

  在一处巨大的“U”型试验风洞前,李德顺向记者说:“这是为高楼、巨型塔、桥梁、风电场布局等大物体、大工程进行风洞试验的设备。它分为两个试验段,一个试验段长8米、高1.1米、宽1.2米、设计风速每秒3—60米,第二个试验段长12米、高2米、宽2米、设计风速每秒1—20米、风的湍流度小于1%。”

U型边界层风洞。

风洞实验室内的设备。

  “它可以模拟不同的大气边界层环境,因为风从地面向高空有着不同风速和切变层,一般就是风越向上风力就越大,这样把需要实验的物体放在这样的环境下,可测到不同高度、不同大气边界层、风力切变层建筑物体各部分受到的风力,进而测出每一部分的风力荷载和振动数据,为建筑的安全设计提供科技支撑。”一边介绍,李德顺带记者来到该风洞一段透明玻璃前,他指着风洞中一个超20厘米高的巨型蒸馏塔的缩尺模型说,这就是为巨型塔体做风洞试验的环境,你看这个塔体从底部到高空,环绕塔身分布着等距均匀的孔带,全身有190多个孔,专业上叫测压孔,每个孔都连着一个引压管,引压管可将每个孔在不同风速环境下的压力参数通过与之相连的电子扫描阀传输到终端观测设备上,通过统计分析得出评估结论,提出保障安全性能的指导性设计意见和科学数据。

  记者查阅有关资料了解到,风洞的大量出现是在20世纪中叶。到目前为止,世界上已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。

  风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律,以验证和发展有关理论,并直接为各种飞行器的研制服务,通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。

  因为风洞的控制性佳,可重复性高,现今风洞广泛用于汽车空气动力学和风工程的测试。譬如结构物的风力荷载和振动、建筑物通风、空气污染、风力发电、环境风场、复杂地形中的流况、防风设施的功效等。这些问题皆可以利用几何相似的原理,将地形、地物以缩尺模型放置于风洞中,再以仪器量测模型所受之风力或风速。一些研究也指出,风洞实验的结果与现地风场的观测的结果相近,因此风洞实验是研究许多风工程问题最常用的方法。

  在这个建筑面积900平米的风洞实验室里,拥有最大风速30m/s的0.6×0.6m直流低湍流度风洞、最大风速20m/s的2×2mU型边界层风洞和最大风速40m/s的0.7m回流低速风洞各一座,是兰州理工大学集科研和教学于一体的综合实验室。

直流低湍流度风洞。

  改革开放40年,兰州理工大学向风科学前沿进发

  走出兰州理工大学风洞实验室,记者在一栋茂然林木掩映下的办公楼里见到了兰州理工大学能源与动力工程学院83岁的老教授程兆雪。

  这是一间保留着水泥地坪、手开式单层玻璃的老办公室。他正坐在一张靠着资料柜的斑驳的木桌前看书。走到程教授面前,这是一位头发花白、戴着老花镜、听力也有些不太灵敏的老人。见到记者到来,老人家笑呵呵地起身打着招呼。起身的瞬间,只见面前的这位老教授,上身一件浅蓝色的牛仔褂,脚上穿着一双普通的黑胶靴,给人一种特别朴素的景象。尤其是他坐的那把凳子,扶手上的胶套已经破损,露出了里面的海绵。

兰州理工大学能源与动力工程学院83岁的老教授程兆雪正在阅读外文文献。

  此时,一旁的工作人员要让他往靠近门口、光线更亮的一个椅子上座,程兆雪说:“我就坐我坐的这个椅子,你别看旧了,我做着舒服,学校几次要给我换新的,我不要,这个椅子适合我。”

  记者从采访中了解到,改革开放初的上世纪80年代,程兆雪作为访问学者赴国外学习交流,回国后他在学校率先搞起了风力发电的研究。截止目前,他从事流体力学研究近50年、风力机空气动力学研究30余年。兰州理工大学风能利用、风工程方向的研究工作就由他这里发轫。如今,他有着全国优秀教师、国家一级冰球运动员等称号,坚持每天阅读英文、俄文原著,为学报审阅论文,偶尔参与一些课题的相关会议。

  作为兰州理工大学流体机械学科带头人,李仁年告诉记者,兰州理工大学的风能科学研究起源于水利机械专业,而水利机械专业可以追溯到1955年在哈工大创建的我国第一个水利机械专业。

  当时,哈工大一边联合世界行业专家培养学生读研究生,一边从研究生应届毕业生中抽调力量创建水利机械专业,培养了我国第一批水利机械专业的专家。1961年,哈工大水利机械专业搬到齐齐哈尔成立东北重型机械学院。1965年为支援三线建设,东北重型机械学院水利机械、化工机械等专业全建制迁至甘肃工业大学(后更名兰州理工大学),大力研发水泵、阀门、水利发电设备等,并建立了相关专业学科。从学科历史的演变上看,水利机械专业是兰州理工大学历史最悠久、实力最强的专业之一。

  改革开放以后,至20世纪80年代初,甘肃工业大学推进部分教师与国外相关高校进行交流,到国外学习,进一步提升相关专业的学术和研发实力。1983年,当时甘肃工业大学水利机械专业的老师程兆雪从国外做访问学者回来后,把风力发电作为了自己新的研究方向,兰州理工大学风力发电专业基础由此开始。

  彼时,风电不是我国电网中的主力能源,只是为了解决边缘山区村户的用电,做一些小型风力发电机,风力发电没有大的发展,没有纳入国家主力电网。一直到2004年,兰州理工大学得到了流体物理学家、中科院院士胡文瑞的支持,开始组建风力发电学科团队。胡文瑞提出,从全球能源供应形势看,大功率风力发电将迎来机遇,作为清洁能源和可再生能源风,力发电将成为电力的重要补充。

  很快,在胡文瑞的帮助下,兰州理工大学与我国空气动力学领域的研究所、实力强的高校建立联系,开展学术交流互动。2005年,全国第一届风力机空气动力学学术会议在兰州理工大学召开,集合了全国空气动力学的专家。通过那次会议后,在胡文瑞的提倡下,兰州理工大学联合其他相关科研机构和高校拿到第一个国家973计划项目,后来参与了相应的863计划,还承担、完成了国家机械工业部、国家农牧渔业部、国家自然科学基金等项目。

  2007年兰州理工大学一边培养风能利用、风工程方向的师资力量,一边创办了当时教育部高校专业目录外的专业——风能与动力工程专业。在此之前,在教育部教育体系里,没有风能专业,风能利用、风工程研究的是相关专业的人,兰州理工大学主要培养风能专业的研究生。后来教育部对专业目录进行调整,现在叫新能源科学与工程专业。

  李仁年介绍,在风能利用、风工程研究上,兰州理工大学先是科研,再创办这个专业。2007年以来,风能专业的本科生、研究生规模逐步扩大,培养了一批青年教师。当时,在胡文瑞的建议下,甘肃省批复建立了甘肃省风力机工程技术研究中心,建议甘肃要大力发展风力发电,国家第一个千万千瓦级风力发电基地在酒泉建设。

  与此同时,兰州理工大学开始研究风洞实验装备,建立计算机工作站,做一些基础实验室。在这个节点上,胡文瑞联系到北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室寻找支持。2008年北京大学工学院因一些学科设置调整,把一些小的低速风洞实验设备迁至兰州理工大学。兰州理工大学把能用的用上,不能用的重新改造使用。

  2008年,兰州理工大学在甘肃景泰县建设了国内第一个风力机外场实验基地。安装了测风塔、实验风力发电机组、尾流测风塔和一批测控仪器仪表,建成了测控室。为甘肃省和国内同行开展研究奠定了良好的基础,得到了科技部和同行好评。多年来,兰州理工大学在风力发电领域和风洞试验上一直在加强研究,做了大量基础理论工作。

  2017年,北京大学环境风洞设备也面临搬迁,在胡文瑞的积极协调和原北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室主任魏庆鼎的支持下,2018年北京大学大环境风洞设备也搬迁至兰州理工大学。与10年前搬迁至兰州理工大学的小的低速风洞实验设备的应用一样,兰州理工大学根据自身需求,对这些设备的控制、动力、监测系统进行改造,把学校原有的设备配套上来,研究领域扩大。

  10年来,在北京大学工学院分别于2008年、2018年搬迁相关设备至兰州理工大学的基础上,兰州理工大学累计投资近千万元,配备512通道压力扫描阀、热线风速仪、PIV测速系统、高速摄像机、PDA等多套现代化高科技测试设备,可开展复杂大气湍流边界层模拟、翼型气动性能实验、风力机流场特性研究、风力机气动特性研究以及风电场布局研究、大尺度建筑物载荷及流场特性研究、列车空气动力学研究等多项风能、风工程相关实验。实验室立足西北,面向全国,为开展风力机、风工程研发创造了良好的硬件条件,将为我国风能利用、风工程技术应用等提供可靠的技术支持。

  李仁年介绍,在胡文瑞院士的倾心帮助下,学校成立了甘肃省风力机工程技术研究中心,建立了风力机数值计算实验室、风洞实验室,并在甘肃省景泰县建立了国内第一个风力机外场综合实验平台。形成了以胡文瑞院士为带头人,由长江学者等科研人员组成的风能、风工程研究团队。目前团队共有40余人,主要致力于风电机组研发、风力机空气动力学、风电场、结构抗风、结构振动控制、结构健康监测、城市风场等方向的研究,先后承担国家973、863、国家自然科学基金等科研项目60余项,相关成果获得甘肃省科技进步二等奖1项。成功申报了教育部目录外本科专业——风能与动力工程(现新能源科学与工程),形成了本、硕、博一体的人才培养体系,为甘肃省乃至全国的风电行业培养和输送了大量专业人才。

  2018年10月12日上午,兰州理工大学风洞实验室建成启用。

  李仁年介绍,兰州理工大学举行这一仪式,一方面要感谢胡文瑞院士、北京大学工学院、原北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室主任魏庆鼎等专家和各方面的大力支持,另一方面也让社会进一步了解兰州理工大学在这一方面的科研力量,更好地服务社会。

  风洞实验室离我们的生产生活很近

学生们在驱动系统和测量控制系统前,记录着数据、进行着讨论。

风洞实验室里,一名学生正在做试验。

  李仁年介绍,截至目前,风洞研究的民用发展在甘肃还比较少,在此之前只有兰州大学有一个研究风沙的风洞实验室。目前在工程环境方面,风洞试验的发展,在西北地区,除西安外,兰州理工大学的风洞试验室就是最大的了。  

  风洞实验室的应用领域非常广泛,大到风能、风工程的建设,小到我们开的小汽车和居住的小区楼房建设,无不凝聚着风洞实验的科技保障。

  比如,现在的楼房越建越高,受风载荷的影响很大,在大风、台风面前,楼房安全的抵御能力和摆动幅度如何控制?该如何设计、建设?这些都是设计的重要内容,而这些技术设计的参考数据从哪里来?从高楼风洞实验里来。

  不仅是高层楼房,各类高的塔、烟囱、大尺度的桥梁、工业上的换热器、飞机上的两个翅膀、汽车的流线、高铁的防风降噪、沙尘暴缓冲设施的建设等等,风的载荷力都很大,设计不好,就容易造成安全隐患,都需要进行风洞实验,以得出设计依据。

  在大西北,强沙尘暴可以逼停或掀翻行驶中的火车,那么,在沙尘暴的发生区域如何建设缓冲设施来降低对交通和环境的影响?也可以对相应设施的建设进行风洞实验,以得出相应建设的数据支撑。

  随着风洞实验技术的积累,不仅可以为一个风电机组和风机设备制造提供技术支撑,还可以为上百、上千台风电机组成的大的风电场的布局提供科学合理的技术支撑。当一台风机的性能知道之后,这个发电机怎么分布?行与列怎么分布?前后左右如何分布?如何让风电机合理的布局空间,既保障安全又使得发电机最大效率的拦风发电?可以通过风洞实验得出布局的科学参数。

  李仁年介绍,目前,在东南沿海,一些高校的风洞实验室设备、技术和市场应用程度都取得了骄人成绩,有些高校的风洞实验服务经济社会发展的项目、企业达到了排队等候的情况。

  为风能利用、风工程建设提供来自甘肃的专业化定制化服务

兰州理工大学风洞实验室建成启用仪式现场。

  10月12日,在兰州理工大学风洞实验室建成启用仪式后的风工程发展座谈会上,与会专家就兰州理工大学风洞实验室利用、甘肃风工程发展提出了真知灼见。

  胡文瑞院士指出,15年来,兰州理工大学开始致力于风力发电的相关研究,得到了甘肃省各级领导和部门的高度重视。第一个千万千瓦级风力发电基地落户酒泉,甘肃省风力资源开发和风能利用加快推进,相关领域的研究取得了很大进展。此次建成的兰州理工大学风洞实验室是全省最大的、应用于风工程研究的环境风洞,希望学校立足西部,找准特色,多方联合,在风工程领域做出更深层次、更高水平的研究成果,为风能利用创造更为有力的条件。

  北京大学教授、原北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室主任魏庆鼎在介绍了兰州理工大学风洞实验室由北京迁建而来的过程后表示,建成的兰州理工大学风洞实验室可以充分满足风工程研究领域内绝大多数的实验要求,希望兰州理工大学抢抓机遇,在科研人员培养、实验室利用、科学研究等方面,多做工作,多出成果。

  兰州理工大学校长芮执元表示,兰州理工大学要尽快启动相关研究人员培养、实验室利用等方面的工作,联合省内相关高校、科研院所,在风工程研究领域内做出西部的特色和亮点,为西部、甘肃的风能事业发展做出更大贡献。

  李仁年在接受记者采访时介绍,兰州理工大学风洞实验室将逐步拓宽产学研领域,包括人才培养、条件创造、设施配备、风洞科普及市场认知提升等方面,在原有风力发电基础,将在风工程上拓展,为社会提供宽领域、专业化、定制化的科技服务。


编辑:赵博民
责任编辑:徐诚诚
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