风洞的实验标定.doc

风洞的实验标定Experimental Verification of Wind Tunnel(250002) 山 东 电 力 研 究 院吴晓武张庆国王金枝钱成伟(250021) 济南市轻工业学校蔡衍芳摘 要 标定实验的结果表明 ,除气流的稳定性 ,有效实验段上气流的紊流度 、速度均匀性等性能指标符合一般普通风洞的基本要求 。本文同时给出了测量的数值结果和相关参数的分布曲线 。最后 ,讨论了影响本实验段气流空气动力特性的因素 ,也对实验结果 的可靠性进行了分析 。关键词 风洞 气动力特性 紊流度 时均速度 影响因素Abstract According to the results of the verification experiment ,except for the stability ,the turbulence degree and uniformity of velocity of the air flow were according with the basic requirements for the general wind tunnel . The digital results of the measurement and the distribution curves of the relevant parameters were presented in this paper . Finally ,the factors which influence the aerodynamic characteristics of the air flow in the tested area were dis2 cussed and the reliability of the experimental results were also analyzed.Key words Wind tunnel中图分类号 : TK81Aerodynamic characteristics Turbulence degree Time - averaged velocity文献标识码 :A文章编号 :1007 - 9904 (2001) 01 - 0008 - 03段内的任一截面上应尽可能达到均匀分布 ,并且不随时间改变 。平均速度的均根误差通常要求小于0 . 25 % ,均匀区占气流横截面积的 90 %左右 。(2) 气流的稳定性一般要求0 . 5 % 。(3) 气流方向与风洞轴线之间偏角应尽可能 小 。俯仰方向小于 0 . 5 偏航方向小于 1(4) 具有合乎要求的紊流度 。 普通风洞小于 1 %低紊流度风洞 0 . 01 %0 . 02 % 较好的风洞小于 0 . 2 %0 . 4 % (5) 装卸模型与进行实验方便 。另外 ,对于风洞实验段静压梯度和气流温度的 变化也具有一定的要求 。1. 2标定实验的内容 本次试验我们主要做了如下几个方面的工作 : (1) 有效实验段内气流流速的均匀性和稳定性 ;(2) 实验段内气流的紊流度及分布 。0 引言风洞所产生出的稳定均匀的气流 ,对于空气动 力学试验是十分重要的 。随着工业科学技术发展 , 风洞的应用远远超出了航天航空领域 ,也越来越多 地用于解决其它工业上的空气动力学问题 , 如房 屋 、桥梁风压 ,高压线风载和汽车 、轮船 、火车的空 气动力阻力 ,大气污染问题 ,叶片的机械性能试验 以及进行诸如风力发电场等研究课题 。没有风洞 试验 ,摩天大楼 、大型体育场馆 、高速列车和火电厂 等的建设是不可想象的 。1965 年英国渡桥电厂冷 却塔的倒塔事件1 , 充分说明了风洞试验的重要 性 。本文就风洞的有效实验段空气动力特性进行 了实验分析说明 ,为风洞实验提供技术数据 。1 实验任务1 . 1 风洞的基本要求实验段是风洞安放模型进行实验的地方 ,该区 域气流空气动力特性的好坏决定了风洞设计和制 造的成败 ,直接影响到测量结果的可靠性 ,是风洞各组成部分工作的最后体现和评价一个风洞好坏 的主要指标之一 。任何风洞对实验段流场均有如 下方面的要求 :2标定实验2. 1实验用风洞简介3. 3时均速度在同一测点 ,每次测量的时间间隔基本相等 ,根据时均速度的定义 :(t i vi )=t 11t0v =v dt= vit iiN图 1 实验标定用风洞2. 2测点布置方式根据风洞实验的一般约定来确定有效实验段 的长度2 ,考虑到气流受环境的影响 ,没有按均匀分 布来布置各测量面和测点 ,在靠近气流边界处测点 布置较密 ,中心区域较疏 ; 顺着气流方向测量面渐密 ,如图 2 所示 。即可用多次测量的算术平均值作为该测量点的时均流速 。3. 4时均速度的均匀性用同一测量面上时均速度的均方根误差表示 ,即 :1N2v紊流度1 (vi / v)=N -i = 13. 5x 方向上脉动速度平方的平均值为 :t1-t 0v 2 =v2 dtxx因为每次测量时间间隔大致相等 ,所以 ,v 2 = 1 v2-Nxix图 2 测点分布N i = 1假定流动为一元流动 ,根据紊流度的定义 ,各测点上的紊流度由下式确定 :2. 3 实验方法首先将探针固定在坐标支架上 ,找准风洞轴线 方向 ,使之与探针中心轴线一致 ;依次移动坐标架 ,测量完同一测量面上所有测点后 ,再转到下一测量 面 。在稳定工况下 ,对于每一测点等时间间隔多次 读取数据 。试验用探针为复合式毕托管 ,二次仪表 采用倾斜式微压计 。1 ( v2 + v2 + v2)1 ( v - v) 2Nxyzi3N i = 1 =vv4结论(1) 流动处于明显的紊流状态 。图 3 示出了其 中一测点上的瞬时速度分布情况 。3 实验数据处理3 . 1气流的稳定性各测点上的每次测量动压按下式计算 :pd = L K式中 : L 测量读数 ;K 仪表读数 。 气流的稳定性或脉动用规定时间 (完成一个测点上的测量所用时间) 瞬时动压和平均动压之差绝 对值的最大值与平均动压之比表示 ,即 :-图 3 瞬时速度变化(2) 气流在中心区域表现出较好的稳定性 在 1 %左右 ,但在边界区域稳定性较差 。气流稳定 性指标超出一般要求 。如图 4 示 。 = |3. 2瞬时速度pd -p d | max 100 %-p每次测量的瞬时速度 :洞壁干扰和模型支持系统 ,根据实践经验 ,这两项都不会影响风洞实验的可靠性2 。在本次实验中 ,所标定风洞的周围环境也影响着实验段的气流品 质 ,实验段的左右空间不对称 ,且气流从出口至后方屏蔽物的距离也不够长 ,产生的回流气流也直接影响到实验段 。( 2) 气 流 的 稳 定 性 或 脉 动 ,指动压或速度随时间面脉动的情况 。这种脉动是低频 的脉动 , 可用机械传感器 ( 如 普通液体压力计 , 毕托管等) 感 受2 , 周 期 大 约 为 秒 的 量 级 。这说明我们确定气流不稳定性的实验手段和方法是 可行的 ,结果也是可靠的 。造 成稳定性差的原因 (1) 中已作图 4 不稳定度分布(3) 各测量点紊流度及顺气流方向上紊流度的 变化如图 5 示 。在整个实验段上 ,射流边 界区域的紊流度较大 ,且左右 两侧并不对称 , 顺气流方向 , 紊度较大的区域所占气流截面积的比例越来越大 。中心 区域 在 1 %范围内 ,边界区 域较大 。(4) 各测量点上时均速度 分布及顺气流方向的变化如了讨论 , 另外 , 风洞稳流和整流段设计不好 ,风机电源不稳 等也会促使气流失稳 。(3) 在测量过程中 ,由于探针的移动 ,其轴线可能出现与气流轴线的偏离 ,但最大偏角不会超出肉 眼可以分辨的 10角范围 。在这一偏角范围内 ,对图 6 时均速度分布3探针的测量结果几乎没有影响 ,用毕托管测速是可靠的 。(4) 速度的确定是基于测量动压后得到的 。由 于测量系统的惯性 ,利用这一方法不稳定气流的测 量就有很大限制3 ,测量介质与被测介质要达到平 衡需要一定时间 ,这与气流的脉动变化要产生一定的时间迟滞 ,在高频脉动气流中 ,造成测量结果小 于实际值 。在我们的实验中 ,观察到 ,探针在实验 段中受气流脉动影响面产生的高频振动 ,但振幅并 不大 。实验测出的气流紊流度要小于实际上值 ,准 确的测量还需要其它时间响应更小的测量元件和设备 。但作为定性的分析 ,紊流度的测量结果也还 是说明了气流脉动的分布规律 。参考文献1 颜大椿 ,大型冷却塔群风载问题的风洞模拟 , 中国力学学会第三届全国流体力学学术会议论文集 ,科学出版社 ,1988 。2 伍荣林 ,王振羽 ,风洞设计原理 ,北京航空学院出版社 ,19853 陈克城 ,流体力学实验技术 ,机械工业出版社 ,1983 。( 收稿日期 :2000 - 07 - 05)图 6 所示 。中心区域气流速度较为均匀 , 边界速度降低 , 且顺气流方向速度逐渐衰减 。中心区域各测量面 上速度均匀性指标 v 分布如表 1 示 ,在 90 %左右 的气流截面上基本满足该项指标的需要 ,且沿气流 方向均匀性逐渐变差 。表 1 速度均