全机测力风洞试验指导书

1一、试验名称：低速风洞全机模型气动力和力矩测量试验二、试验目的及要求通过试验，深化对空气动力学理论的理解，初步掌握空气动力低速风洞试验技术：常规测力试验设备的使用，了解使用工业控制机对风洞风速和模型姿态角控制和信号采集及处理的基本方法。了解风洞试验数据的修正和处理方法，初步掌握低速风洞测力的空气动力特性的规律和分析方法，试验数据曲线的绘制软件的应用。三、试验设备本次试验采用沈阳航空工业学院SHDF低速闭口回流风洞（见图1）：1、风洞主要几何参数风洞试验段：闭口宽×高×长=1.2m×1.0m×3m，四角切角。风洞收缩段：收缩比n=8，长1m。风洞稳定段：圆形，截面尺寸直径4m，总长2m。蜂窝器为正六角形孔，对边距20mm，深300mm。阻尼网共6层，20目。2、风洞动力系统变频器驱动三项异步交流电机带动螺旋桨工作。变频器功率75kW；电机为四极，功率75kW。桨叶翼型为RAF-D,-E，共6叶。图1SHDF低速风洞平面图23、控制和数据采集系统风洞的控制系统是由计工业控制计算机（研华610H）、风速传感器（DCXL-10D）和变频器（SPF-75）组成，用VB语言开发的控制程序，对风速进行闭环控制，风速的控制精度为±0.2m/s。模型姿态控制由计算机、步进电机驱动器（BQH-300Y）和步进电机（110BF003）分别带动模型支撑系统（尾撑和腹撑）做垂直面内转动（称为迎角α）。迎角α转动范围为-15°~+25°，侧滑角由转盘涡轮蜗杆手动控制，β转动范围为-180°~+180°。由旋转编码器实施测量转动角度。数据采集系统是通过数据采集处理程序驱动，将杆式应变天平受力（或力矩）变形感应到的电压变化信号和压力传感器输出的电压信号，通过信号调理器（XL2102E）及高精度稳压电源（XL2101）对信号进行滤波、放大后，送入12位数据采集卡（PCL－818L）变为数字量，进入计算机中央处理器处理。4、DFD风洞流场的主要技术指标流场技术参数指标备注最大速度Vmax（m/s）50试验中单位全部采用ISO国际标准单位制最小稳定速度Vmin（m/s）5轴向静压梯度|dCp/dx|（1/m）≤0.005场系数μi0.0045平均气流偏角|α|≤0.5°平均气流偏角|β|≤0.5°时间稳定性η0.005湍流度≤0.14％5、DBM-4041标准模型试验采用的模型为4041标准模型，为全钢制模型，模型比例1:3。该模型是国际、国内通用的低速风洞标准模型，具有气动力在较大雷偌数范围内变化不敏感的优良特性，而且有国内外多个风洞的试验数据可作比较参考。主要参数如下：机翼机身展弦比3.0长0.6096m梢跟比0最大直径0.0508m翼型NACA0003.5-63长细比12面积0.0413m2平尾平均气动力弦0.1565m面积0.0090m2展长0.3519m翼型NACA0004-64全机力矩参考中心0.375bA平尾尾臂（平尾Ab41到力矩参考中心距离）0.2347m3四、风洞试验原理1、相对性原理和相似准则用模型在风洞中进行试验来模拟飞行器在空中的真实飞行应满足相对性原理和相似准则。相对性原理即：在初始条件、物性条件和边界条件相同的情况下，物体在流体中运动所受的力与物体不动而流体以相同速度（大小和方向）相对物体运动时物体所受的力相同。相似性准则即：对于流体动力学试验来说，只要满足模型与真实飞机是几何相似、运动相似、动力相似和热相似的，则两个流场相似。对于低速流动来说，主要相似参数有：代表粘性影响的雷诺数：VlRe；代表压缩性影响的马赫数:Ma=V/a；表示流体压力与惯性力之比欧拉数;2EuVp;物体上的力与惯性力之比牛顿数22NelVF如果绕模型流动与绕实物流动的相似参数相等，那么两者压力系数相同，力系数相同。试验时，让风洞的流场满足主要影响的相似准则，对不满足的相似参数可以经过修正来保证实现模拟，这样就可以把风洞中模型的力和压力用系数的形式用到真实的物体上。2、主要测量过程通过调节可控制转速的电机带动螺旋桨产生所需的风速流过支撑在风洞中与真实物体几何相似的模型，用应变天平测量模型所受的6个力分量，再经过数据处理得到空气动力系数。过程如下：（1）在无风速V=0时，采集模型在各个姿态下的各单元的初始记录。如：阻力、升力和俯仰力矩单元的零读数x0，y0和Mz0（mV）。（2）风洞开车，改变模型姿态，在试验风速下V=VI时，采集记录阻力、升力和俯仰力矩单元的读数xi，yi和Mzi（mV）。（3）用对应的试验值减去初始值:0xxKxix0yyKyiy0zizMzMMKMz………其中，Kx，Kxy，KMz为天平校准系数，单位为N/mV和N·m/mV，由天平4校准时给出。（4）对采集的数据进行风洞流场的各种修正，得到各分量的气动力系数：纵向的升力系数Cy，阻力系数Cx和俯仰力矩系数mz，横向的侧力系数Cz，滚转力矩系数mx和偏航力矩系数my。以及各分量的气动导数和气动力特征参数。qsyCyqsxCxAzzqsbMmqszCzqslMmyyqslMmxx其中：q为试验速压，222121VRTpVqa；pa为当天当地的大气压（Pa），T为风洞内空气温度（K），R为空气气体常数，取287.05J/(kg·K)；s为机翼面积（m2）；l为机翼翼展（m）；bA为机翼平均气动弦为计算的参考长度。（5）存储和输出：按使用需要进行试验数据的显示、输出。一般纵向数据按风轴输出，横向数据按体轴系输出。五、全机模型测力试验步骤及方法1、了解风洞组成及开车程序①了解风洞各部分构造及主要功能。②风洞控制主电源开关的使用。③变频器开启和停车步骤；变频器的远程控制开关位置；变频器工作时的安全注意事项。④使用控制台（或计算机）开车的程序，改变模型角度的控制方法和调速方法。⑤应急停车按钮的正确使用方法。2、制订试验计划、进行数据准备和分配任务纵向试验：侧滑角β=0°，改变模型迎角α，测量模型的升力、阻力和俯仰力矩，取模型迎角α变化范围为-4°~24°，变化间隔Δα=2°；横向试验：在迎角α=4°、8°时，改变侧滑角β测量模型的侧力、偏航力矩和滚转力矩，取侧滑角β变化范围为-16°~16°，变化间隔Δβ=4°。重复性试验：选取一种状态连续试验7-10次，以求得均方根偏差。5选取试验风速（从V=2445m/s范围中），每组一个风速。计算风洞流场干扰修正因子、测量实验室的静压和温度，计算速压和雷诺数。编写试验运转计划，进行小组人员的分工，并报指导教师批准。3、模型及天平准备①将试验段内中心转盘上后部的小盖板拆下，将α角调到-5°（用计算机或控制台），安装弯刀支架和支杆。②将Φ24六分力杆式天平从天平盒中取出，将天平信号线导引穿过支杆孔，用双向锁紧螺母将天平紧固在支杆上（天平后键槽向下）。将天平信号线露出的部分用铝箔或细铜网包裹屏蔽，然后将其沿着支撑弯刀后部的槽导出到风洞外的接线板上（用胶带辅助定位），按各元标号正确焊接。连接信号调理器和稳压电源，并通电预热30分钟以上。③用手对天平加以适当的载荷，从信号调理器读数检查天平各元输出信号符号是否正确，判断连线是否正确。在天平前端螺纹孔拧入一螺栓，并在螺栓上以柔软细索悬吊不大于10kg砝码或重物（注意：应轻轻加载，避免对天平的冲击力），从信号调理器读数检查天平Z方向力元输出信号是否为零。否则，松开双向锁紧螺母，微量旋转天平调整并重新锁紧后再次检查。检查完毕后拆去螺栓。④将模型拆下头锥。把模型安装在天平上（面向天平看时，天平前键槽在右侧），用螺栓紧固（注意，拧紧力矩不应太大，并用手扶住模型两翼，不使天平受到过大力矩），然后装上头锥。模型安装示意图见图2。α、β机构模型支杆1.5mV图2.测力模型安装示意图4、试验步骤①输入试验迎角α变化范围和变化间隔角度值和试验风速，输入模型参数6和洞壁干扰修正因子值和大气参数。②启动风洞控制和数据采集计算机程序。③测零读数和静矩Δmz0值。④检查数据是否正常，并准备开车⑤点击程序开车和测量指令，启动风洞并进入程序控制和测量，直到吹风试验完成，程序自动停车。⑥检查试验数据并显示曲线，进行初步分析。如正确，将模型迎角α调至下一个试验的初始角度继续试验。如进行横向试验，则固定迎角α，以手动方式改变侧滑角β，重复②~⑤试验。⑦全部试验完成后，退出计算机程序。⑧检查风洞设备和模型及天平和测试系统。六、完成试验报告整理试验结果数据，绘制试验曲线，撰写试验报告。试验报告中应包括：1、对试验任务的描述；2、对试验设备、试验模型、试验条件和状态的描述（文字和简图）；3、试验原理及试验修正的描述：本次试验相似准则满足情况；洞壁干扰修正公式及参数计算过程，给出计算结果表。4、给出原始测量记录值、主要中间计算结果、最终计算结果（一般以表格的形式），以及计算方法和公式；对于每组给定的试验风速V计算雷诺数Re=vL/(其中：参考长度L测力时取模型机翼的平均气动弦长；测压时取旋成体机身的最大直径)根据试验当天测量的温度T和大气压P，计算出密度和速压ｑ。5、用计算机绘图软件(tecplot)进行数据处理和绘制纵向和横向的力和力矩系数曲线，包括：Cy~α，Cy~Cx，mz~Cy和mx~β，my~β，Cz~β曲线；曲线画法应符合专业习惯，表示出完整的图说，并给出导数表格(见气动力特征参数表)。6、对试验结果进行分析：（1）气动力和力矩随α或β的变化规律，分析其原因；（2）气动力和力矩随速度（雷诺数）的变化规律，分析其原因；7（3）误差大小量级、产生原因及减小误差的改进措施。气动力特征参数表:参数状态纵向(v=m/sRe=)=0000yCyCmaxyCstall0xCAmaxKyCzm0zm试验数据国内标准数据值误差%参数状态横向(v=m/sRe=)0xmxm0ymym0zCzC试验数据国内标准数据值误差%注：表中A为诱导阻力因子取自升力曲线的线性段，Kmax为最大升阻比，各导数取自试验曲线（或计算）的零度附近线性段（如α=-20~40之间）。国内标准值查风洞手册或有关资料。7、参考文献七、分析与讨论题1、试验结果与国内标准比较有何差异？原因是什么？如何提高试验的精准度？2、风洞气流偏角对试验结果有什么影响？3、闭口风洞洞壁边界层增长会对阻力测量产生什么影响？想个较好的解决办法。4、考虑一下，模型比例大可以提高Re数，但是否越大越好。如何修正？5、本次实验结果的不对称性是什么原因造成的？