流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞第1頁/共48頁2第六章氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備——風(fēng)洞

§6.1

風(fēng)洞簡介

1.風(fēng)洞:專門設(shè)計(jì)的一種特殊管道，采用適當(dāng)?shù)膭?dòng)力裝置在管道中產(chǎn)生可控的人工氣流，用來進(jìn)行各種類型的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基本原理

流動(dòng)的相對(duì)性流動(dòng)的相似性幾何相似運(yùn)動(dòng)相似動(dòng)力相似動(dòng)力相似準(zhǔn)則：Re數(shù)（粘性）,Fr數(shù)（重力）,馬赫數(shù)（壓縮性）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論第2頁/共48頁33.風(fēng)洞的功用（1）空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)性研究

各種翼型的氣動(dòng)力特性：壓縮性和粘性附面層的影響，翼型上附面層的控制，激波與附面層的干擾和傳熱的影響，三元機(jī)翼的氣動(dòng)力特性，飛行器再入大氣的氣動(dòng)熱等空氣動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律

圓柱繞流、鈍體繞流等流動(dòng)特性和渦旋結(jié)構(gòu)大氣擴(kuò)散規(guī)律湍流（各向同性湍流、邊界層、可壓縮湍流）流動(dòng)結(jié)構(gòu)為理論流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)提供實(shí)驗(yàn)資料第3頁/共48頁4風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較和驗(yàn)證第4頁/共48頁5（2）工程性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

航空航天：飛行器或其他部件模型的升阻力實(shí)驗(yàn)、壓力分布實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、顫振實(shí)驗(yàn)等，確定飛行器的氣動(dòng)力特性，為氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)

風(fēng)工程：高層建筑物、高大煙囪、電視塔、橋梁、大跨度結(jié)構(gòu)物的風(fēng)力載荷

交通：交通工具的氣動(dòng)阻力和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)?zāi)茉矗猴L(fēng)力發(fā)電、流體機(jī)械葉輪機(jī)性能

空調(diào)效率

環(huán)保工程：污染源擴(kuò)散、環(huán)境評(píng)價(jià)、合理布局計(jì)量工程：校測(cè)各種測(cè)速儀器第5頁/共48頁64.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)

風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)條件：如空氣壓力、溫度、密度、速度可以準(zhǔn)確控制，控制風(fēng)速較為方便。

利用率高。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀^測(cè)儀器都是固定不動(dòng)的，便于流動(dòng)現(xiàn)象的觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度較高。

可將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的各部件做成不同模型單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第6頁/共48頁7(2)局限性

不能保證和實(shí)際流場(chǎng)完全相似。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)只能是部分相似，不能滿足所有的相似準(zhǔn)則。

Re數(shù)：

馬赫數(shù)：

低速風(fēng)洞中主要滿足Re數(shù)相等。超音速風(fēng)洞中主要滿足馬赫數(shù)相等。亞音速或跨音速風(fēng)洞中很難兼顧，達(dá)不到所需Re數(shù)。第7頁/共48頁8風(fēng)洞壁的干擾（邊界干擾），模型支架的干擾，實(shí)驗(yàn)段氣流特性和實(shí)際流場(chǎng)的差異等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修正。第8頁/共48頁9實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b支架第9頁/共48頁105.風(fēng)洞的分類（1）按風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段中氣流速度V的大小來分低速風(fēng)洞：氣流速度V<100m/s，馬赫數(shù)M<0.3，分為回流式和直流式，不考慮壓縮性的影響，最常見的風(fēng)洞。高亞音速風(fēng)洞：馬赫數(shù)0.3<M<0.8，外形與低速風(fēng)動(dòng)相似，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)功率較大，一般為兩級(jí)以上的軸流式風(fēng)扇，回流管道中需裝冷卻器或換氣系統(tǒng)?？缫羲亠L(fēng)洞：馬赫數(shù)0.8<M<1.5，工作段雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層間稱為駐室（壓力可調(diào)）。內(nèi)層壁面開有孔或槽，消除模型激波反射現(xiàn)象和低超音速時(shí)的模型壅塞。第10頁/共48頁11超音速風(fēng)洞：馬赫數(shù)1.5<M<4.5，一般采取暫沖式工作方式。采用下沖或抽吸的方法達(dá)到所需的馬赫數(shù)。高超音速風(fēng)洞：馬赫數(shù)4.5<M<10，需要有很高壓力的高壓氣源（高壓壓氣機(jī)和高壓貯氣罐）和真空罐，采用下沖和抽吸的方法造成很高的壓力比。需防止氣流加速過程中產(chǎn)生液化，在進(jìn)入收縮段前要預(yù)熱。極高速風(fēng)洞：馬赫數(shù)M>10，又稱為激波風(fēng)洞，氣流密度極低，相當(dāng)于極高速的洲際導(dǎo)彈在高空飛行的狀態(tài)。第11頁/共48頁12（2）按風(fēng)洞的特殊用途

低湍流度風(fēng)洞

變密度風(fēng)洞大氣邊界層風(fēng)洞煙風(fēng)洞汽車風(fēng)洞橋梁風(fēng)洞計(jì)量風(fēng)洞第12頁/共48頁13（3）其他分類

直流式和回流式（按風(fēng)洞外形）

連續(xù)式和暫沖式（按工作方式）開口和閉口（按實(shí)驗(yàn)段的構(gòu)造）二元和三元（按實(shí)驗(yàn)段的截面）二元風(fēng)洞：實(shí)驗(yàn)段截面是狹長的矩形截面一般風(fēng)洞均為三元風(fēng)洞第13頁/共48頁14水平式風(fēng)洞和立式風(fēng)洞（按實(shí)驗(yàn)段氣流方向）立式風(fēng)洞（垂直風(fēng)洞）：產(chǎn)生垂直向上氣流，模型重力平行于實(shí)驗(yàn)段軸線，除可進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還可進(jìn)行飛機(jī)尾旋性能測(cè)試、飛行器垂直運(yùn)動(dòng)特性、返回式衛(wèi)星及載人飛船回收過程中空氣動(dòng)力穩(wěn)定性測(cè)試等特殊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，跳傘模擬訓(xùn)練尾旋：飛機(jī)在持續(xù)的失速狀態(tài)下，一面旋轉(zhuǎn)一面急劇下降的現(xiàn)象。我國已建成第一座大型立式風(fēng)洞，總高55m，實(shí)驗(yàn)段直徑5m，中心最大風(fēng)速可達(dá)50m/s。第14頁/共48頁15§6.2

低速風(fēng)洞

低速風(fēng)洞可分為：直流式低速風(fēng)洞：構(gòu)造簡單，占用空間較大回流式低速風(fēng)洞：氣流通過實(shí)驗(yàn)段后再通過管道循環(huán)一周回到實(shí)驗(yàn)段中，構(gòu)造復(fù)雜，所需空間較小

單回流式：最常用的型式雙回流式：比較大型的風(fēng)洞環(huán)形回流式：變密度風(fēng)洞，風(fēng)洞強(qiáng)度較高1.直流式風(fēng)洞第15頁/共48頁16直流式風(fēng)洞示意圖（閉口）靜流段收縮段實(shí)驗(yàn)段擴(kuò)散段動(dòng)力段氣流第16頁/共48頁17風(fēng)能利用（風(fēng)力發(fā)電）開口實(shí)驗(yàn)段第17頁/共48頁18靜流段（整流段）：改善流動(dòng)特性，使氣流平直、均勻蜂窩器：將氣流中的大旋渦變成小旋渦并對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)向（與風(fēng)洞軸向一致）。阻尼網(wǎng)：降低氣流湍流度，使氣流均勻。蜂窩器第18頁/共48頁19收縮段：加速氣流，達(dá)到所需要的均勻氣流速度和湍流度。收縮比n：收縮段進(jìn)口大截面與出口小截面的面積之比。收縮比越大，收縮段出口氣流的速度分布越均勻，湍流度越低。能量損失大，造價(jià)也越高。一般低速風(fēng)洞的收縮比為4~10。

低湍流度風(fēng)洞：采用大的收縮比。光滑過渡的收縮曲線：維托辛斯曲線第19頁/共48頁20R1RR0xx0維托辛斯曲線：第20頁/共48頁21實(shí)驗(yàn)段：安裝模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工作段，氣流速度最大最均勻的一段（截面積最?。?，實(shí)驗(yàn)段的截面形狀有圓形、方形、長方形、八角形等。開口實(shí)驗(yàn)段：模型安裝方便，觀測(cè)容易。氣流的能量損失大，氣流品質(zhì)較差。實(shí)驗(yàn)段長度為1~1.5R0。閉口實(shí)驗(yàn)段：裝有透明觀察窗，氣流均勻區(qū)域大，能量損失小。模型裝卸不方便。實(shí)驗(yàn)段長度為2~2.5R0。實(shí)驗(yàn)段的氣流特性是設(shè)計(jì)風(fēng)洞、評(píng)價(jià)風(fēng)洞性能的主要指標(biāo)之一。第21頁/共48頁22實(shí)驗(yàn)段氣流品質(zhì)的要求：氣流穩(wěn)定性風(fēng)速的相對(duì)變化來表示：動(dòng)壓的相對(duì)變化來表示：第22頁/共48頁23速度均勻性截面上各點(diǎn)的氣流速度與該截面氣流平均速度的均方根偏差滿足：

Vi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣流速度，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)，或用動(dòng)壓的均方根偏差來表示：第23頁/共48頁24方向均勻性氣流的流動(dòng)方向與風(fēng)洞軸線的夾角不大于湍流度要求低湍流度風(fēng)洞：一般低速風(fēng)洞：軸向靜壓梯度由風(fēng)洞壁附面層沿氣流流動(dòng)方向發(fā)展，其厚度逐漸增加。開口風(fēng)洞可不考慮。閉口風(fēng)洞可適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)段的截面積使其有一定的擴(kuò)散角（約為0.5），消除軸向靜壓梯度的影響。第24頁/共48頁25擴(kuò)散段：將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，截面積逐漸擴(kuò)大，擴(kuò)散角一般<7，擴(kuò)散角過大容易產(chǎn)生流動(dòng)分離，造成能量損失和氣流脈動(dòng)增大。收縮段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段第25頁/共48頁26動(dòng)力段：通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的氣流速度，可用可控硅整流器提供直流電，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。風(fēng)扇第26頁/共48頁27坐標(biāo)架：風(fēng)洞的配套設(shè)備，固定模型、測(cè)量探頭和模型支架等，采用高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二維或三維移動(dòng)。測(cè)量設(shè)備測(cè)力：氣動(dòng)力天平，測(cè)量模型上所承受的力和力矩。測(cè)力實(shí)驗(yàn)得到的是流場(chǎng)的綜合結(jié)果，不能分析產(chǎn)生氣動(dòng)力的原因。測(cè)壓：模型表面的壓力分布。測(cè)速：二維或三維速度分布，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。第27頁/共48頁282.單回流式風(fēng)洞回流式風(fēng)洞示意圖（開口）第28頁/共48頁29回流式風(fēng)洞（閉口）安定段收縮段實(shí)驗(yàn)段擴(kuò)散段拐角回流段拐角拐角拐角風(fēng)扇段第29頁/共48頁30低湍流度風(fēng)洞試驗(yàn)段長1.7m，寬0.4m，高0.4m，最大風(fēng)速25m/s

第30頁/共48頁31拐角：一般風(fēng)洞設(shè)計(jì)中氣流要通過四個(gè)90的拐角。氣流經(jīng)過拐角時(shí)容易發(fā)生流動(dòng)分離，產(chǎn)生旋渦，造成流動(dòng)不均勻和脈動(dòng)。能量損失大。在拐角處需布置導(dǎo)流片，采用大彎度的翼型?；亓鞫危鹤鳛闅饬鞯幕芈罚瑫r(shí)起擴(kuò)壓的作用，面積逐漸擴(kuò)大。風(fēng)扇段：使通過風(fēng)扇的氣流恢復(fù)平直，風(fēng)扇后需裝置反扭導(dǎo)流片和整流罩等。第31頁/共48頁32§6.3

煙風(fēng)洞

煙風(fēng)洞主要用于低速氣流中的流動(dòng)顯示，一般由風(fēng)洞本體、發(fā)煙器、風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)和照明裝置等組成。煙風(fēng)洞第32頁/共48頁33§6.4

大氣邊界層風(fēng)洞直流式大氣邊界層風(fēng)洞前實(shí)驗(yàn)段后實(shí)驗(yàn)段第33頁/共48頁34大氣邊界層的模擬要求：平均風(fēng)速剖面指數(shù)形式：zr為參考高度，Ur為zr處的平均風(fēng)速，a為與地表粗糙程度有關(guān)的剖面指數(shù)。湍流度分布：大氣邊界層的湍流度隨高度增加而逐漸減小湍流功率譜湍流積分尺度第34頁/共48頁35大氣邊界層的風(fēng)洞模擬：不同地貌特征下的大氣邊界層大氣邊界層模擬裝置尖劈、粗糙元、格柵、擋板等第35頁/共48頁36大氣邊界層的模擬裝置布置圖尖劈示意圖第36頁/共48頁37大氣邊界層平均風(fēng)速和湍流度分布剖面的模擬第37頁/共48頁38風(fēng)環(huán)境和污染擴(kuò)散第38頁/共48頁39高層建筑體育場(chǎng)會(huì)展中心各種建筑物的風(fēng)壓分布第39頁/共48頁40電視塔的氣動(dòng)特性第40頁/共48頁41同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸是寬15m、高2m、長14m，其風(fēng)速范圍0.2-17.6m/s連續(xù)可調(diào)，是國內(nèi)最大的邊界層風(fēng)洞，居世界同類風(fēng)洞第二位，可以進(jìn)行跨度超過2000m的超大跨橋梁的全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載試驗(yàn)及環(huán)境、擴(kuò)散等試驗(yàn)第41頁/共48頁42§6.5

汽車風(fēng)洞

汽車風(fēng)洞的主要作用：

優(yōu)化造型，降低風(fēng)阻，降低油耗

提高汽車行駛安全性和操縱穩(wěn)定性

控制汽車內(nèi)外空氣動(dòng)力噪聲