低速風(fēng)洞課程設(shè)計(jì)

1、2015/2016學(xué)年第一學(xué)期低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)課程名稱：工程流體力學(xué)課程設(shè)計(jì)班級(jí)：新能源1312小組成員：指導(dǎo)教師：郭群超老師目錄一課程設(shè)計(jì)目的3二.完成設(shè)計(jì)任務(wù)條件三、完成的任務(wù)3四、具體設(shè)計(jì)31.1 實(shí)驗(yàn)段41.2 收縮段51.3 穩(wěn)定段61.4 擴(kuò)壓段71.5 其他部件設(shè)計(jì)105 .能量比116 .需用功率157 .心得體會(huì)158 .參考文獻(xiàn)16一、課程設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和其它課程中所學(xué)習(xí)的知識(shí)，完成簡(jiǎn)化了的低速風(fēng)洞氣動(dòng)特性設(shè)計(jì)項(xiàng)目，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

2、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：我們組設(shè)計(jì)的是小型低速風(fēng)洞(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、具體設(shè)計(jì)4.1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ii表示。ii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D0,則li大致為0.250.50D。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110.35D0。 模型的長(zhǎng)度為表示，大約在0.751.25D0之間，各類飛機(jī)的模型是不相同的。為了使風(fēng)洞

3、盡量滿足一洞多用，取匕足夠長(zhǎng)選擇I21.25D。 模型尾部至擴(kuò)壓段進(jìn)口也應(yīng)保持一定距離，以13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)距離大約為0.751.25D0O選擇I30.8D。LI1I2I32.4D06.55m,滿足統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，主要實(shí)驗(yàn)低速飛機(jī)L2.02.5D。的情況。其中D。為水力直徑。且S為矩形的面積，C為矩形的周長(zhǎng)。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。4.2收縮段

4、收縮段長(zhǎng)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(zhǎng)度與進(jìn)口直徑的比值越小。這樣能減短擴(kuò)壓段長(zhǎng)度，減少資金耗費(fèi)。因?yàn)槭湛s比為7較大，選擇收縮段長(zhǎng)度為0.6倍進(jìn)口直徑L0.65D04.3m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1下：公式中的a=4收縮段的長(zhǎng)度L3x22a2X234.3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(zhǎng)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(zhǎng)度為直徑的0.51.0倍。穩(wěn)定段長(zhǎng)度引起的損失只占風(fēng)洞總損失很小的一

5、部分，所以經(jīng)常使穩(wěn)定段長(zhǎng)度長(zhǎng)一些，用以協(xié)調(diào)動(dòng)力段和回流段的長(zhǎng)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(zhǎng)度，綜合選定其長(zhǎng)度為直徑的0.8倍。L0.8JD05.8m蜂窩器的選擇：蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道并列組成，形狀如同蜂窩，故名蜂窩器蜂窩器的作用在于導(dǎo)直氣流，使其平行于風(fēng)洞軸線，把氣流中的大尺寸漩渦分割成小尺寸渦,因而有利于加快漩渦的衰減。方形格子加工方便，最為常見，故設(shè)計(jì)中選用方形格子。L/M51QM5-30cmoL、M分別為蜂窩器的蜂窩長(zhǎng)度和口徑。長(zhǎng)度L越大，整流效果越好，但損失增加。M值越小，蜂窩器對(duì)降低紊流度的效果越顯著。這里選擇L/M6

6、。因?yàn)轱L(fēng)洞不小，所以盡量使L長(zhǎng)一些，同時(shí)又要兼顧不能使得M過大，所以取M15cm、L90cm。當(dāng)L/M6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：紗網(wǎng)作用是降低氣流的紊流度，故又名紊流網(wǎng)，它同蜂窩器均可以將較大漩渦分割成小漩渦，以利于衰減；還可以使氣流速度分布更趨均勻紊流網(wǎng)的設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)的層數(shù)和網(wǎng)的粗細(xì)選擇。網(wǎng)越細(xì)，層數(shù)越多，整流效果越好。設(shè)計(jì)中，最常用的網(wǎng)的層數(shù)為23層；粗細(xì)最常用為2430目/英寸。我們選用4

7、網(wǎng)，30目/英寸，兩層網(wǎng)間距25cm4.4 擴(kuò)壓段入口面積D”出口面積D2。綜合考慮整個(gè)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，取B/D21/1.5。因?yàn)樵O(shè)計(jì)任務(wù)為中型風(fēng)洞，在0.006左右。在tan7”的情況下，其最佳擴(kuò)散角為45,但從綜合角度考慮，這個(gè)幅值小一些，宜采用6左右。所以我們?nèi)?2因?yàn)閷?shí)驗(yàn)段為矩形截面，而我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)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。通過耍211.5和萬3我們可以求得擴(kuò)壓段的長(zhǎng)度L14m,因?yàn)椴捎眠^渡段，其長(zhǎng)度要能使其能夠加工，也不能過長(zhǎng)，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

8、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。回流段的平均速度已經(jīng)比較低了，因而損失不會(huì)大，為了縮短風(fēng)洞的總長(zhǎng)度采用較大的擴(kuò)散角，89。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，這里其長(zhǎng)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)

9、流片的弦長(zhǎng)為C，間距為D1。參考低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)表2-2旦0.4各種導(dǎo)流片的性能，采用最佳間距比C,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。0.1,拐角處圓弧半徑按D來計(jì)算，另外導(dǎo)流片的弦長(zhǎng)取L220.4D,同時(shí)由于C,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)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。4.5 其他部件設(shè)計(jì)a）調(diào)壓孔/調(diào)壓縫a）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

10、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。b）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。b）風(fēng)扇設(shè)計(jì)1 .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。2 .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(zhǎng)度來安裝風(fēng)扇整流系統(tǒng)。3 .風(fēng)扇管道長(zhǎng)度因尾罩具有相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度而一般比較長(zhǎng)，其長(zhǎng)度一般為直徑的2.5倍或者更長(zhǎng)一些。我們這里選擇4 .L2.5D10m五.能量比能量比定義為：實(shí)驗(yàn)段氣

11、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)洞的功率之比。DvDvD注明：在求雷諾數(shù)時(shí)，采用公式Re一,其中1.4607105m2/s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“L，一K。D,其中D0為水力直徑。D0vD”7可以求得實(shí)驗(yàn)段的雷諾數(shù)Re1.8710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：0.00320.221Re0.2370.00738所以，可以求得K0.007386.55/2.730.0177D。擴(kuò)壓段損失：4DD2氣流經(jīng)過擴(kuò)壓段的損失公式為：K0.6tan128tan-

12、2即為實(shí)由于損失系數(shù)K的參考動(dòng)壓為擴(kuò)壓段入口的值,驗(yàn)段動(dòng)壓，所以有K0K平均8tan一20.6tan124D17其中平均根據(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:2Dvv11001D22.733.464m/s所以RevD1.4951070.00320.221Re0.2370.0076進(jìn)而求得K0K平均8tan-20.6tan124DD20.0398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：K02KF0Fi平均8tan一20.6tan12422無D2Fi0.02346拐角損失: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:Ko

13、24.55Fo0.10雷三，其中F為拐角時(shí)風(fēng)洞lgReF截面積第一、二拐角2D1速度為vVid1100D222.734.144.4m/s所以Re-vD1.7541062K。0.104.55258F00.0275902.58lgReF第三、四拐角2一Di速度為vviD-44.4D224.17.214.4m/svD6所以Re0.100106K。0.104.552.58lgRe0.0035蜂窩器損失:因?yàn)槲覀冞x用的蜂窩器長(zhǎng)徑比為L(zhǎng)M6,所以對(duì)應(yīng)的方形蜂窩格子的損失系數(shù)K0.22。其當(dāng)量損失系數(shù):2K0K,其中F為穩(wěn)定段截面所以K°0.00449紊流網(wǎng)損失:我們可以求得穩(wěn)定段的速度:24.1

14、7214.4m/s2Divv-44.41D2因?yàn)槠渌俣却笥?米/秒，氣流流經(jīng)紊流網(wǎng)的損失可以2按K計(jì)算，其中1d這里為了讓整流效果較好，采用了4層紊流網(wǎng)，所以其損失系數(shù)較大Ko0.0614收縮段損失：由于任務(wù)中只給出收縮段的收縮比為7,并沒有給定其他數(shù)據(jù)。參考低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)表2-4典型風(fēng)洞各部件損失及能量比。我們預(yù)估其收縮段的損失系數(shù)K00.007總損失：Ko0.2160所以風(fēng)洞能量比風(fēng)洞4.63六.需用功率風(fēng)洞所需功率：1111»«電機(jī)風(fēng)扇風(fēng)扇2v；F.根據(jù)設(shè)計(jì)書要求：電機(jī)效率d=9。、機(jī)械效率j=85%風(fēng)扇效率產(chǎn)80%,所以1111»一2電機(jī)風(fēng)扇風(fēng)扇心_11190%80%4.63=1.38106W131.225100327.5七.心得體會(huì)低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)充滿了挑戰(zhàn)與學(xué)習(xí)，小組通過最初的討論及確定方向一起努力合作，克服每一個(gè)困難，分配相