風(fēng)洞概論及設(shè)計(jì)

1、流體力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)課程設(shè)計(jì)班 級(jí)：0109108 學(xué) 號(hào)：010910811姓 名：周士杰指導(dǎo)教師：史志偉南京航空航天大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)系2012年12月一、目的要求綜合運(yùn)用所學(xué)課程知識(shí)，完成簡化了的低速風(fēng)洞氣動(dòng)外型概念設(shè)計(jì)，達(dá)到培養(yǎng)和提高獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作的能力。二、完成設(shè)計(jì)任務(wù)的條件（1） 風(fēng)洞試驗(yàn)段要求：閉口（2） 實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口截面形狀：矩形（3） 實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口截面尺寸：2.5mX3.0m（4） 試驗(yàn)段進(jìn)口截面最大風(fēng)速：100m/s（5） 收縮段的收縮比：7三、完成的任務(wù)（1） 低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)圖紙繪制（2） 設(shè)計(jì)說明書（3） 風(fēng)洞設(shè)計(jì)、研制與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究方面的綜述報(bào)告四、完成時(shí)間2012年12月24日

2、2013年1月4日五、參考文獻(xiàn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理、低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)：查找風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)資料。指導(dǎo)老師：史志偉一、 實(shí)驗(yàn)段 為了使模型處于實(shí)驗(yàn)段的均勻流場(chǎng)之中，模型頭部至實(shí)驗(yàn)段入口應(yīng)保持一定的距離，以表示。的大小視實(shí)驗(yàn)段入口流場(chǎng)的均勻程度而定。如實(shí)驗(yàn)段直徑為，則大致為0.250.50。因?yàn)楹竺嫖覀儠?huì)采用較多層的紊流網(wǎng)，故此處不用取得太大，選擇。 模型的長度為表示，大約在0.751.25之間，各類飛機(jī)的模型是不相同的。為了使風(fēng)洞盡量滿足一洞多用，取足夠長選擇。 模型尾部至擴(kuò)壓段進(jìn)口也應(yīng)保持一定距離，以表示，一方面是保證模型的尾流不過多影響擴(kuò)壓段的工作效率，另一方面也不使擴(kuò)壓段的流動(dòng)影響模型尾部。這個(gè)距

3、離大約為0.751.25。選擇 所以，滿足統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，主要實(shí)驗(yàn)低速飛機(jī)的情況。其中為水力直徑。 由于本組的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面為矩形形狀，而對(duì)于矩形實(shí)驗(yàn)段，可以采用的一種解決附面層影響的方法就是沿軸線逐漸減小切面的截角。此處我們參考NH-2風(fēng)洞模型。這樣做使位流截面保持不變，可以消除縱向靜壓梯度。二、 收縮段 任務(wù)要求收縮比為7（即進(jìn)口面積與出口面積之比） 收縮段長度一般可采用進(jìn)口直徑的0.51.0倍。因?yàn)槭湛s比越大，長度與進(jìn)口直徑的比值越小。這樣能減短擴(kuò)壓段長度，減少資金耗費(fèi)。因?yàn)槭湛s比為7較大，選擇收縮段長度為0.6倍進(jìn)口直徑 收縮段的在接近出口部分曲線應(yīng)該比較平緩，以利于穩(wěn)定氣流。進(jìn)口處的曲線

4、應(yīng)與穩(wěn)定段保持連續(xù)。因?yàn)槿蝿?wù)要求為矩形，選擇在收縮段四角做成圓弧，防止氣流分離。其收縮曲線方程如下：三、 穩(wěn)定段 對(duì)于小收縮比的風(fēng)洞，如收縮比小于5，穩(wěn)定段長度為直徑的1.01.5倍；對(duì)于大收縮比風(fēng)洞，如收縮比大于5，則長度為直徑的0.51.0倍。穩(wěn)定段長度引起的損失只占風(fēng)洞總損失很小的一部分，所以經(jīng)常使穩(wěn)定段長度長一些，用以協(xié)調(diào)動(dòng)力段和回流段的長度要求。又因?yàn)槟壳笆湛s比較大的風(fēng)洞一般為710，參考大收縮比風(fēng)洞穩(wěn)定段長度，綜合選定其長度為直徑的0.8倍。 蜂窩器的選擇：兼顧經(jīng)濟(jì)性和損失系數(shù)采用方形格子，因?yàn)槠浼庸し奖?，最為常見?。、分別為蜂窩器的蜂窩長度和口徑。長度越大，整流效果越好，但損失

5、增加。值越小，蜂窩器對(duì)降低紊流度的效果越顯著。這里選擇。因?yàn)轱L(fēng)洞不小，所以盡量使長一些，同時(shí)又要兼顧不能使得過大，所以取、。當(dāng)時(shí)，圓形蜂窩格子的損失系數(shù)為0.30；方形蜂窩格子的損失系數(shù)為0.22；六角形蜂窩格子的損失系數(shù)為0.20.可見雖然六角形蜂窩格子最好，但施工較為復(fù)雜。因方形蜂窩格子與其損失系數(shù)相近而又加工方便，選用方形格子。 紊流網(wǎng)的選擇： 現(xiàn)有風(fēng)洞的情況是網(wǎng)的層數(shù)為111層，最常見為23層；網(wǎng)的粗細(xì)為1860目/英寸，最常用的是2430目/英寸。 參考書低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)表2-3，可知隨著層數(shù)的增加，脈動(dòng)速度與實(shí)驗(yàn)段速度之比逐漸降低了。綜合考慮工序和整流效果，選擇紊流網(wǎng)為4層。 因?yàn)榫W(wǎng)越

6、細(xì)，整流效果越好，選擇網(wǎng)的粗細(xì)為30目/英寸。 考慮到安裝要求及每一層網(wǎng)后應(yīng)有一段距離衰減旋窩，相鄰兩層之間距離應(yīng)相距25厘米。四、 其他部件設(shè)計(jì) 調(diào)壓孔/調(diào)壓縫 為了使實(shí)驗(yàn)段的靜壓等于風(fēng)洞外的環(huán)境壓力，常在實(shí)驗(yàn)段與擴(kuò)壓段之間開一個(gè)調(diào)壓縫，或在擴(kuò)壓段進(jìn)口處開一排調(diào)壓孔。這里我們采用調(diào)壓縫，其寬度約為實(shí)驗(yàn)段直徑的5%上下。并且，設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)形式，風(fēng)洞建成后通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整再確定。 擴(kuò)壓段：入口面積，出口面積。綜合考慮整個(gè)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)長度，取。因?yàn)樵O(shè)計(jì)任務(wù)為中型風(fēng)洞，在0.006左右。在的情況下，其最佳擴(kuò)散角為，但從綜合角度考慮，這個(gè)幅值小一些，宜采用左右。所以我們?nèi)∫驗(yàn)閷?shí)驗(yàn)段為矩形截面，而我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)

7、壓段及后面的拐角1、2和回流段都為圓形的。所以這里，我們需要采用一個(gè)過渡段，使矩形截面過渡為圓形。通過和我們可以求得擴(kuò)壓段的長度，因?yàn)椴捎眠^渡段，其長度要能使其能夠加工，也不能過長，所以選擇為6米，擴(kuò)壓段有部分包含在過渡段中。 回流段：我們?cè)O(shè)計(jì)的在風(fēng)扇系統(tǒng)后至第三拐角的回流段仍采用擴(kuò)張管道，因而也為擴(kuò)壓段。采用擴(kuò)壓段的原因?yàn)椋阂皇菫榱死^續(xù)把動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，減小氣流損失，尤其是經(jīng)過拐角和整流裝置的損失；二是增加管道面積，以得到比較大的收縮比?；亓鞫蔚钠骄俣纫呀?jīng)比較低了，因而損失不會(huì)大，為了縮短風(fēng)洞的總長度采用較大的擴(kuò)散角，。與擴(kuò)壓段相同，回流段中還需要設(shè)置一個(gè)過渡段讓圓形截面再過渡到矩形截面

8、，這里其長度取為8米。 拐角及導(dǎo)流片：氣流經(jīng)過拐角時(shí)很容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多旋窩，因而使流動(dòng)不均勻或發(fā)生脈動(dòng)。因而在拐角處設(shè)置拐角導(dǎo)流片，防止分離和改善流動(dòng)。這里，為單回流風(fēng)洞，在拐角處每排導(dǎo)流片數(shù)量一般為1020個(gè)，但為了使導(dǎo)流效果明顯，選擇24個(gè)導(dǎo)流片增強(qiáng)效果。導(dǎo)流片的弦長為，間距為。參考低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)表2-2各種導(dǎo)流片的性能，采用最佳間距比，其損失系數(shù)為0.11，并采用翼剖面型。雖然翼剖面型加工困難，但強(qiáng)度好。同時(shí)這種導(dǎo)流片有一定厚度，內(nèi)部可以通過冷卻液，大中型風(fēng)洞拐角處一般都采用翼剖面型。拐角處圓弧半徑按來計(jì)算，另外導(dǎo)流片的弦長取，同時(shí)由于，可以求得為24個(gè)導(dǎo)流片。因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)的為低速風(fēng)

9、洞，拐角1、2和拐角3、4的風(fēng)速都比較小，雖然損失系數(shù)隨導(dǎo)流片增多而增加，也不會(huì)太大。所以不需要取拐角1、2的導(dǎo)流片布置的比拐角3、4的稀。五、 風(fēng)扇設(shè)計(jì)在風(fēng)洞管道中，風(fēng)扇系統(tǒng)應(yīng)位于流速比較高而且流動(dòng)又比較均勻的部位。我們?cè)O(shè)計(jì)的為回路風(fēng)洞，將風(fēng)扇安裝在第二拐角之后。因?yàn)?，此處直徑不是很大，因而流速比較高。同時(shí)，因?yàn)榻?jīng)過了第二個(gè)拐角導(dǎo)流片，所以氣流也比較均勻。還能滿足有足夠的長度來安裝風(fēng)扇整流系統(tǒng)。風(fēng)扇管道長度因尾罩具有相當(dāng)?shù)拈L度而一般比較長，其長度一般為直徑的2.5倍或者更長一些。我們這里選擇 六、 能量比能量比定義為：實(shí)驗(yàn)段氣流的動(dòng)能流率（即單位時(shí)間通過的動(dòng)能）與通過動(dòng)力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的功率之

10、比。注明：在求雷諾數(shù)時(shí)，采用公式，其中 實(shí)驗(yàn)段損失：對(duì)實(shí)驗(yàn)段來說，損失系數(shù)就是當(dāng)量損失系數(shù)。因而有，其中為水力直徑?？梢郧蟮脤?shí)驗(yàn)段的雷諾數(shù)此時(shí)，雷諾數(shù)比較小，因而附面層比較厚，實(shí)驗(yàn)段可以認(rèn)為是光滑管，摩擦損失系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而與粗糙度無關(guān)。通過公式求得：所以，可以求得 擴(kuò)壓段損失：氣流經(jīng)過擴(kuò)壓段的損失公式為：由于損失系數(shù)K的參考動(dòng)壓為擴(kuò)壓段入口的值，即為實(shí)驗(yàn)段動(dòng)壓，所以有其中根據(jù)擴(kuò)壓段中間剖面上的雷諾數(shù)求得。擴(kuò)壓段中間剖面的速度為：所以進(jìn)而求得 回流段損失：回流段也有擴(kuò)散角，實(shí)際上也是一個(gè)擴(kuò)壓段，所以其損失系數(shù)的計(jì)算公式為： 拐角損失：因?yàn)檫@里設(shè)計(jì)的風(fēng)洞并非大型風(fēng)洞，采用經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算，公式為：，其中為拐角時(shí)風(fēng)洞截面積第一、 二拐角速度為 所以 第三、 四拐角速度為 所以 蜂窩器損失：因?yàn)槲覀冞x用的蜂窩器長徑比為，所以對(duì)應(yīng)的方形蜂窩格子的損失系數(shù)。其當(dāng)量損失系數(shù)：，其中為穩(wěn)定段截面所以 紊流網(wǎng)損失：我們可以求得穩(wěn)定段的速度： 因?yàn)槠渌俣却笥?米/秒，氣流流經(jīng)紊流網(wǎng)的損