第二讲流体力学实验设备-风洞

1第二章空气动力学实验设备——风洞§2.1风洞简介1.风洞:产生可控人工气流的空气动力学实验装置。2.风洞实验的基本原理流动的相似性几何相似运动相似质量相似动力相似热力学相似动力相似准则：St数（非定常性），Re数（粘性）,Fr数（重力）,马赫数（压缩性）23.风洞的功能（1）空气动力学和流体力学基础性研究各种翼型的气动力特性：压缩性和粘性附面层的影响，翼型上附面层的控制，激波与附面层的干扰和传热的影响，三元机翼的气动力特性，飞行器再入大气的气动热等空气动力学的基本规律圆柱绕流、钝体绕流等流动特性和涡旋结构大气扩散规律湍流（各向同性湍流、边界层、可压缩湍流）流动结构为理论流体力学和计算流体力学提供实验资料3（2）工程性的实验项目航空航天：飞行器或其他部件模型的升阻力实验、压力分布实验、流场测量实验、颤振实验等，确定飞行器的气动力特性，为气动设计提供科学依据风工程：高层建筑物、高大烟囱、电视塔、桥梁、大跨度结构物的风力载荷交通：交通工具的气动阻力和稳定性实验能源：风力发电、流体机械叶轮机性能空调效率环保工程：污染源扩散、环境评价、合理布局计量工程：校测各种测速仪器44.风洞实验的优缺点（1）优点风洞的实验条件：如空气压力、温度、密度、速度可以准确控制，控制风速较为方便。利用率高。实验模型和观测仪器都是固定不动的，便于流动现象的观测，实验测量精度较高。可将实验对象的各部件做成不同模型单独进行实验。5(2)局限性LVRe不能保证和实际流场完全相似。风洞实验只能是部分相似，不能满足所有的相似准则。Re数：马赫数：低速风洞中主要满足Re数相等。超音速风洞中主要满足马赫数相等。亚音速或跨音速风洞中很难兼顾，达不到所需Re数。aVM6风洞壁的干扰（边界干扰），模型支架的干扰，实验段气流特性和实际流场的差异等实验数据需要进行修正。7实验模型的安装支架85.风洞的分类（1）按风洞实验段中气流速度V的大小来分低速风洞：气流速度V100m/s，马赫数M0.3，分为回流式和直流式，不考虑压缩性的影响，最常见的风洞。高亚音速风洞：马赫数0.3M0.8，外形与低速风动相似，风扇驱动功率较大，一般为两级以上的轴流式风扇，回流管道中需装冷却器或换气系统。跨音速风洞：马赫数0.8M1.5，工作段双层结构，内外层间称为驻室（压力可调）。内层壁面开有孔或槽，消除模型激波反射现象和低超音速时的模型壅塞。9超音速风洞：马赫数1.5M4.5，一般采取暂冲式工作方式。采用下冲或抽吸的方法达到所需的马赫数。高超音速风洞：马赫数4.5M10，需要有很高压力的高压气源（高压压气机和高压贮气罐）和真空罐，采用下冲和抽吸的方法造成很高的压力比。需防止气流加速过程中产生液化，在进入收缩段前要预热。极高速风洞：马赫数M10，又称为激波风洞，气流密度极低，相当于极高速的洲际导弹在高空飞行的状态。10（2）按风洞的特殊用途低湍流度风洞变密度风洞大气边界层风洞烟风洞汽车风洞桥梁风洞计量风洞11（3）其他分类直流式和回流式（按风洞外形）连续式和暂冲式（按工作方式）开口和闭口（按实验段的构造）二元和三元（按实验段的截面）二元风洞：实验段截面是狭长的矩形截面一般风洞均为三元风洞12水平式风洞和立式风洞（按实验段气流方向）立式风洞（垂直风洞）：产生垂直向上气流，模型重力平行于实验段轴线，除可进行常规实验项目外，还可进行飞机尾旋性能测试、飞行器垂直运动特性、返回式卫星及载人飞船回收过程中空气动力稳定性测试等特殊实验项目，跳伞模拟训练尾旋：飞机在持续的失速状态下，一面旋转一面急剧下降的现象。我国已建成第一座大型立式风洞，总高55m，实验段直径5m，中心最大风速可达50m/s。13§2.2低速风洞低速风洞可分为：直流式低速风洞：构造简单，占用空间较大回流式低速风洞：气流通过实验段后再通过管道循环一周回到实验段中，构造复杂，所需空间较小单回流式：最常用的型式双回流式：比较大型的风洞环形回流式：变密度风洞，风洞强度较高1.直流式风洞14直流式风洞示意图（闭口）稳定段收缩段实验段扩散段动力段气流15风能利用（风力发电）开口实验段16天津大学流体力学实验室直流抽吸式低湍流度风洞（建于2001年）风速1-40米/秒连续可调，背景湍流度0.07%，试验段0.35*0.45*61718稳定段：改善流动特性，使气流平直、均匀蜂窝器：将气流中的大旋涡变成小旋涡并对气流进行导向（与风洞轴向一致）。阻尼网：降低气流湍流度，使气流均匀。蜂窝器19收缩段：加速气流，达到所需要的均匀气流速度和湍流度。收缩比n：收缩段进口大截面与出口小截面的面积之比。收缩比越大，收缩段出口气流的速度分布越均匀，湍流度越低。能量损失大，造价也越高。一般低速风洞的收缩比为4~10。低湍流度风洞：采用大的收缩比。光滑过渡的收缩曲线：维托辛斯曲线20R1RR0xx0维托辛斯曲线：3202202100])(311[])(1[])(1[1xxxxRRRR21实验段：安装模型进行实验的工作段，气流速度最大最均匀的一段（截面积最小），实验段的截面形状有圆形、方形、长方形、八角形等。开口实验段：模型安装方便，观测容易。气流的能量损失大，气流品质较差。实验段长度为1~1.5R0。闭口实验段：装有透明观察窗，气流均匀区域大，能量损失小。模型装卸不方便。实验段长度为2~2.5R0。实验段的气流特性是设计风洞、评价风洞性能的主要指标之一。22实验段气流品质的要求：气流稳定性风速的相对变化来表示：动压的相对变化来表示：%5.0qqq%25.0VVVVV23断面速度分布均匀性截面上各点的气流速度与该截面气流平均速度的均方根偏差满足：Vi为第i个测点的气流速度，n为测点数，或用动压的均方根偏差来表示：%25.0)(1112niiVVVVnniiVnV11%5.0)(1112niiqqqqn24方向性气流的流动方向与风洞轴线的夹角不大于湍流度低湍流度风洞：一般低速风洞：轴向静压梯度由风洞壁附面层沿气流流动方向发展，其厚度逐渐增加。开口风洞可不考虑。闭口风洞可适当调整实验段的截面积使其有一定的扩散角（约为0.5），消除轴向静压梯度的影响。5.0%08.0%16.025扩散段：将气流的动能转变为压力能，截面积逐渐扩大，扩散角一般7，扩散角过大容易产生流动分离，造成能量损失和气流脉动增大。收缩段、实验段和扩散段26动力段：通过调节风扇的转速来调节实验段内的气流速度，可用可控硅整流器提供直流电，直流电动机带动风扇，实现无级调速，转速稳定。也可用变频器调速。风扇27坐标架：风洞的配套设备，固定模型、测量探头和模型支架等，采用高精度步进电机驱动，二维或三维移动。测量设备测力：气动力天平，测量模型上所承受的力和力矩。测力实验得到的是流场的综合结果，不能分析产生气动力的原因。测压：模型表面的压力分布。测速：二维或三维速度分布，流场结构。282.单回流式风洞回流式风洞示意图（开口）29回流式风洞（闭口）稳定段收缩段实验段扩散段拐角扩散段拐角拐角拐角动力段回流段30低湍流度风洞试验段长1.7m，宽0.4m，高0.4m，最大风速25m/s31拐角：一般风洞设计中气流要通过四个90的拐角。气流经过拐角时容易发生流动分离，产生旋涡，造成流动不均匀和脉动。能量损失大。在拐角处需布置导流片，采用大弯度的翼型。回流段：作为气流的回路，同时起扩压的作用，面积逐渐扩大。动力段：使通过风扇的气流恢复平直，风扇后需装置反扭导流片和整流罩等。32天津大学流体力学实验室低速回流式风洞（建成于1964年）速度1-40米/秒，来流背景湍流度0.2%，试验段0.6*0.8*1.53334§2.3烟风洞烟风洞主要用于低速气流中的流动显示，一般由风洞本体、发烟器、风扇电动机和照明装置等组成。烟风洞35§2.4大气边界层风洞（环境风洞）直流式大气边界层风洞前实验段后实验段36大气边界层的模拟要求：平均风速剖面指数形式：zr为参考高度，Ur为zr处的平均风速，为与地表粗糙程度有关的剖面指数。湍流度分布：大气边界层的湍流度随高度增加而逐渐减小湍流功率谱湍流积分尺度)()(rrzzUzU37大气边界层的风洞模拟：不同地貌特征下的大气边界层大气边界层模拟装置尖劈、粗糙元、格栅、挡板等38大气边界层的模拟装置布置图尖劈示意图39大气边界层平均风速和湍流度分布剖面的模拟40风环境和污染扩散41高层建筑体育场会展中心各种建筑物的风压分布42电视塔的气动特性43同济大学TJ-3风洞试验段尺寸是宽15m、高2m、长14m，其风速范围0.2-17.6m/s连续可调，是国内最大的边界层风洞，居世界同类风洞第二位，可以进行跨度超过2000m的超大跨桥梁的全桥气弹模型风洞试验、大跨屋盖结构风荷载试验及环境、扩散等试验44§2.5汽车风洞汽车风洞的主要作用：优化造型，降低风阻，降低油耗提高汽车行驶安全性和操纵稳定性控制汽车内外空气动力噪声汽车发动机冷却系统、空调试验、车窗去雾防霜等环境试验风洞实验是汽车设计制作过程中的重要环节。汽车风洞一般分为：模型风洞全尺寸风洞气候风洞同济大学已建设国内第一座全尺寸（整车）汽车风洞。45汽车全尺寸风洞4647484950