实验流体力学4

1、第第4 4章章 风洞和水槽实验风洞和水槽实验4-1 4-1 低速风洞低速风洞4-2 4-2 超声速风洞超声速风洞4-3 4-3 水洞和实验水槽水洞和实验水槽实验流体力学实验流体力学4-1 4-1 低速风洞低速风洞通常把试验段风速通常把试验段风速U100m/sU100m/s的风洞称为低速风洞。的风洞称为低速风洞。 在低速风洞中，气流的密度变化很小，可当做在低速风洞中，气流的密度变化很小，可当做不可压缩流体处理。在试验中主要考虑惯性力和粘不可压缩流体处理。在试验中主要考虑惯性力和粘性力，即主要考虑雷诺数的影响。性力，即主要考虑雷诺数的影响。一一. .风洞实验的意义：风洞实验的意义：The Taco

2、ma Narrows Bridge，1940The Tacoma Narrows Bridge，1940渡桥电厂（英）渡桥电厂（英）南京大胜关大桥南京大胜关大桥 为避免悲剧重演，像大型桥梁等的兴建，必须为避免悲剧重演，像大型桥梁等的兴建，必须进行相关风洞试验。进行相关风洞试验。南京大胜关大桥的风洞试验南京大胜关大桥的风洞试验：南京大胜关大桥的风洞试验南京大胜关大桥的风洞试验：南京大胜关大桥的风洞试验南京大胜关大桥的风洞试验：风洞模型实验：风洞模型实验：模型实验：模型实验：二二.风洞的结构：风洞的结构：1.1.风洞的类型：风洞的类型：（参考（参考 ：陈克城：陈克城流体力学实验技术流体力学实验技术

3、） 从构造上看，风洞分为直流式和回流式两种。从构造上看，风洞分为直流式和回流式两种。直流式风洞直流式风洞直流式风洞：直流式风洞：闭口实验段直流式风洞：闭口实验段直流式风洞：阻尼网阻尼网收缩段收缩段实验段实验段扩散段扩散段动力段动力段闭口实验段回流式风洞：闭口实验段回流式风洞： 1. 1.蜂窝器、蜂窝器、2.2.阻尼网、阻尼网、3.3.收缩段、收缩段、4.4.实验段、实验段、5.5.扩散段、扩散段、6.6.导流片、导流片、7.7.动力段、动力段、8.8.拐角段、拐角段、9.9.圆筒段。圆筒段。2.2.风洞的主要部件功能及设计要求：风洞的主要部件功能及设计要求：(1).(1).对实验段的要求：对实

4、验段的要求： 1). 1).气流参数稳定且各参数在过流断面上尽可能均匀气流参数稳定且各参数在过流断面上尽可能均匀分布；分布；2).2).气流方向偏角应尽可能小；气流方向偏角应尽可能小； 3). 3).气流有合乎要求的湍流度，装卸模型与进行试气流有合乎要求的湍流度，装卸模型与进行试验方便；验方便； 4). 4).能对洞壁所产生干扰进行修正，以消除能对洞壁所产生干扰进行修正，以消除“水平浮水平浮力力”；5).5).能探测到能探测到并能消除产生不稳定气流的并能消除产生不稳定气流的分离源分离源。(2).(2).对扩散段的要求：对扩散段的要求： 扩散段的主要作用是使气流扩张，降低流速，以恢扩散段的主要作

5、用是使气流扩张，降低流速，以恢复静压。目的是减少能量损失，降低能耗。复静压。目的是减少能量损失，降低能耗。 1 1）. .扩散段有一定的锥角，并尽量避免边界层扩散段有一定的锥角，并尽量避免边界层分离。分离。2).2).可采用分流板、漩涡发生器、边界层控制可采用分流板、漩涡发生器、边界层控制器等方法防止边界层分离。器等方法防止边界层分离。(3).(3).蜂窝器、阻尼网和导流片的作用：蜂窝器、阻尼网和导流片的作用： 蜂窝器和阻尼网的结合使用能够有效降低气流的蜂窝器和阻尼网的结合使用能够有效降低气流的横向和轴向的湍流度，抑制来流的脉动，破碎大涡，横向和轴向的湍流度，抑制来流的脉动，破碎大涡，使轴向流

6、速比较均匀使轴向流速比较均匀。 蜂窝器和阻尼网的结合使用能够有效降低气流的蜂窝器和阻尼网的结合使用能够有效降低气流的横向和轴向的湍流度，抑制来流的脉动，破碎大涡，横向和轴向的湍流度，抑制来流的脉动，破碎大涡，使轴向流速比较均匀使轴向流速比较均匀。 在回流式风洞的拐角出设置导流片，能有效防止在回流式风洞的拐角出设置导流片，能有效防止边界层分离，使气流速度分布更加均匀，并能有效降边界层分离，使气流速度分布更加均匀，并能有效降低能量损失低能量损失。(4).(4).收缩段的作用及要求：收缩段的作用及要求： 收缩段将来自稳定段的气流加速，使气流进入试收缩段将来自稳定段的气流加速，使气流进入试验段时具有稳

7、定的流速、平直的流动方向和均匀的速验段时具有稳定的流速、平直的流动方向和均匀的速度分布度分布。 收缩段的长度应尽可能短，收缩段曲线设计应满收缩段的长度应尽可能短，收缩段曲线设计应满足以下方程：足以下方程：32222122)(311 )(1 )(1 1lxlxRRRR根据实验资料，收缩段各部分尺寸均有相关要求。根据实验资料，收缩段各部分尺寸均有相关要求。(5).(5).风扇段（动力段）风扇段（动力段）: :风扇的主要作用是驱动气流。风扇的主要作用是驱动气流。 为提高风扇效率并使气流平直常在风扇前设置预为提高风扇效率并使气流平直常在风扇前设置预扭叶片，以防止气流的旋转；风扇后设整流罩以防止扭叶片，

8、以防止气流的旋转；风扇后设整流罩以防止边界层分离边界层分离。三三.特殊用途风洞：特殊用途风洞：1.1.压力风洞（或称变密度风洞）：压力风洞（或称变密度风洞）： 压力风洞内的空气压强可调节到压力风洞内的空气压强可调节到20多个大气压，多个大气压，用于模拟大雷诺数流动，此种风洞一般采用环形回流用于模拟大雷诺数流动，此种风洞一般采用环形回流式风洞式风洞。2.2.冰风洞：冰风洞： 冰风洞就是附有制冷系统的常规低速风洞，气温冰风洞就是附有制冷系统的常规低速风洞，气温可达可达-40C，可模拟飞机飞行中的结冰过程。，可模拟飞机飞行中的结冰过程。3.3.激波管风洞：激波管风洞：4.4.大气边界层风洞：大气边界

9、层风洞： 大气边界层风洞在低速范围内的调速范围大，可大气边界层风洞在低速范围内的调速范围大，可模拟大气边界层的流动，主要用于建筑结构的风载荷模拟大气边界层的流动，主要用于建筑结构的风载荷、空气污染扩散等的模拟试验、空气污染扩散等的模拟试验。 激波管风洞可获得激波管风洞可获得10马赫以上的气流速度，气流马赫以上的气流速度，气流温度可达温度可达10000K。5.5.汽车风洞：汽车风洞： 汽车风洞用于获取汽车特征数据汽车风洞用于获取汽车特征数据。汽车风洞可。汽车风洞可排除汽车尾气使风洞中的空气不受污染，有为车轮排除汽车尾气使风洞中的空气不受污染，有为车轮提供旋转的转盘设备，并能模拟降雨等。提供旋转的

10、转盘设备，并能模拟降雨等。汽车风洞试验：汽车风洞试验：汽车风洞试验：测量汽车的升力、阻力和侧滑力。汽车风洞试验：测量汽车的升力、阻力和侧滑力。汽车风洞试验：测量汽车的升力、阻力和侧滑力。汽车风洞试验：测量汽车的升力、阻力和侧滑力。四四. .气动载荷的测量方法：气动载荷的测量方法： 模型载荷测量的目的：获得作用在模型上的力、模型载荷测量的目的：获得作用在模型上的力、力矩及压强分布，进而预测原型的气动力特性。力矩及压强分布，进而预测原型的气动力特性。1.用风洞天平测量作用在模型上的力和力矩；用风洞天平测量作用在模型上的力和力矩；2.通过尾流和洞壁压强测量模型对气流的影响；通过尾流和洞壁压强测量模型

11、对气流的影响；3.利用与压强测量装置相连的测压孔，测量模型利用与压强测量装置相连的测压孔，测量模型上的压强分布。上的压强分布。风洞天平示意图：风洞天平示意图：升力(垂直力)阻力侧力滚转力矩偏航力矩俯仰力矩 应变天平校准示意图应变天平校准示意图五五. .风洞试验数据的修正：风洞试验数据的修正：1.1.试验段气流特性的影响：试验段气流特性的影响： 1 1）. .雷诺数与湍流度对气动力的影响。雷诺数与湍流度对气动力的影响。 2 2）. .试验段流速分布不均匀的影响。试验段流速分布不均匀的影响。 3 3）. .气流在试验段中的偏角的影响。气流在试验段中的偏角的影响。2.2.支架阻力干扰：支架阻力干扰：

12、 支架的存在会影响气支架的存在会影响气流的流动，支架本身也会流的流动，支架本身也会产生阻力。产生阻力。3.3.风洞壁的干扰：风洞壁的干扰：采用以下方法可有效减少风洞壁的采用以下方法可有效减少风洞壁的干扰：干扰：1 1）. .风洞壁面边界层引起风洞壁面边界层引起轴向静压梯度轴向静压梯度。2 2）. .风洞壁面对绕流流谱的横向约束风洞壁面对绕流流谱的横向约束称称“固固体阻塞体阻塞”。3 3）. .风洞壁面对尾流流谱的横向约束风洞壁面对尾流流谱的横向约束称称“尾尾流阻塞流阻塞”。1 1）. .采用多孔吹吸气壁。采用多孔吹吸气壁。 风洞壁对测量数据的影响主要表现在以下几个风洞壁对测量数据的影响主要表现

13、在以下几个方面方面：2 2）. .采用柔性材料的自适应壁面。采用柔性材料的自适应壁面。3 3）. .采用槽壁试验段。采用槽壁试验段。小型直流式教学风洞小型直流式教学风洞六六.其他风洞试验装置：其他风洞试验装置：空气动力实验台空气动力实验台可压缩流体流动可压缩流体流动4-2 4-2 超声速风洞超声速风洞航空发动机航空发动机美国美国F22战斗机的发动机战斗机的发动机为了节能，一般将超音速风洞设计成间歇式为了节能，一般将超音速风洞设计成间歇式，这，这种风洞的试验段中一般一次仅能维持几十秒甚至十种风洞的试验段中一般一次仅能维持几十秒甚至十几秒的超音速气流，因而需要反应快的测量仪器。几秒的超音速气流，因

14、而需要反应快的测量仪器。间歇式风洞分为吹气式和抽吸式两种：间歇式风洞分为吹气式和抽吸式两种： 吹气式风洞预先把高压气体存储于储气罐内，吹气式风洞预先把高压气体存储于储气罐内，然后快速打开阀门，在试验段内获得短时间的超音然后快速打开阀门，在试验段内获得短时间的超音速气流。速气流。 抽吸式风洞则是预先把风洞下游的真空容器抽抽吸式风洞则是预先把风洞下游的真空容器抽成真空，然后快速打开阀门，在试验段内获得短时成真空，然后快速打开阀门，在试验段内获得短时间的超音速气流。间的超音速气流。uc 超声速流超声速流马赫数马赫数 Ma= Ma= u u/ /c c超声速风洞试验超声速风洞试验放超声速风洞试验录像：

15、放超声速风洞试验录像：拉法尔喷管轴向压强分布拉法尔喷管轴向压强分布超声速风洞：超声速风洞：超音速气流在收缩喷管出口形成的膨胀波：超音速气流在收缩喷管出口形成的膨胀波：超音速气流在收缩喷管出口形成的膨胀波：超音速气流在收缩喷管出口形成的膨胀波：阻塞阻塞触发触发扼流扼流 通过可变喉口尺寸调节获得管道中不同的超通过可变喉口尺寸调节获得管道中不同的超音速气流状态：音速气流状态：水动力学实验水动力学实验4-3 4-3 水洞和实验水槽水洞和实验水槽一一. .水洞：水洞：水洞水洞拖曳水池（船模水池）拖曳水池（船模水池）二二. .实验水池：实验水池：车速车速: 5m/s)船池造波机船池造波机旋臂水池旋臂水池实验水槽实验水槽自循环水槽自循环水槽自循环水槽：自循环水槽：自循环水槽：自循环水槽：自