小组讲座风洞

1、1哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所1超声速风洞型线设计超声速风洞型线设计20112011年年4 4月月2626日日2哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所2一一.风洞简介风洞简介3.跨声速风洞跨声速风洞2.亚声速风洞亚声速风洞4.超声速风洞超声速风洞5.高超声速风洞高超声速风洞6.高焓高超声速风洞高焓高超声速风洞风洞的分类风洞的分类1.低声速风洞低声速风洞3哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所31.低速风洞低速风洞u马赫数马赫数Ma0.4气流可以看成不可压缩的气流可以看成不可压缩的u特点是口径大，连续运转特点

2、是口径大，连续运转为了达到必要的实验雷诺数，实验段口径较为了达到必要的实验雷诺数，实验段口径较大；速度低，所需功率小大；速度低，所需功率小4哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所4u马赫数马赫数 0.4Ma0.8从从Ma=0.4开始，需要考虑气流的压缩性；开始，需要考虑气流的压缩性；Ma=0.80.85左右，对一般尺度的实验模型左右，对一般尺度的实验模型将发生堵塞（模型表面出现局部超声速流动）。将发生堵塞（模型表面出现局部超声速流动）。u特点特点2.亚声速风洞亚声速风洞5哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所5u马赫数马赫数 0.8Ma1.2

3、（或（或1.4）Ma=1.2（或（或1.4）左右，模型周围的流场全）左右，模型周围的流场全部或接近全部成为超声速流动。部或接近全部成为超声速流动。u特点特点实验段采用通气壁（开孔或开槽），四周以实验段采用通气壁（开孔或开槽），四周以驻室包围；驻室包围；允许的模型尺寸相对实验段是比较小的；允许的模型尺寸相对实验段是比较小的；风洞需要比较大的驱动功率。风洞需要比较大的驱动功率。3.跨声速风洞跨声速风洞6哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所6u马赫数马赫数 1.4Ma1.4，流场已全部是超声速，实验段不需，流场已全部是超声速，实验段不需要采用通气壁；要采用通气壁；u特点特

4、点空气必须干燥，防止水蒸气凝结；空气必须干燥，防止水蒸气凝结；实验段较小，采用间歇式。实验段较小，采用间歇式。4.超声速风洞超声速风洞7哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所7u马赫数马赫数 5.0Ma5，空气开始液化，需要加热；，空气开始液化，需要加热；Ma10（或（或12），用常规的加热器和压缩机），用常规的加热器和压缩机很难提供气流所需要的高驻点温度和高压力比。很难提供气流所需要的高驻点温度和高压力比。u特点特点风洞气流必须加热风洞气流必须加热5.高超声速风洞高超声速风洞8哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所8u马赫数马赫数 Ma10

5、（或（或12）Ma12，气流所要求的压强比变得非常大；空气需，气流所要求的压强比变得非常大；空气需要加热程度远远高于防止液化的水平；对于再入大气层飞要加热程度远远高于防止液化的水平；对于再入大气层飞行的导弹或卫星，还必须模拟飞行时的高焓量。行的导弹或卫星，还必须模拟飞行时的高焓量。u特点特点必须解决风洞在高温下的强度问题，防止喷必须解决风洞在高温下的强度问题，防止喷管喉部融化问题；管喉部融化问题；工作时间很短，以毫秒计。工作时间很短，以毫秒计。6.高焓高超声速风洞高焓高超声速风洞9哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所91.产生不同产生不同Ma数气流的条件数气流的条件

6、二二.超声速风洞型线设计超声速风洞型线设计2.喷管设计喷管设计3.扩压段设计扩压段设计10哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所10亚声速风洞：亚声速风洞：实验段上下游存在压力差就有流动，并且增大压力实验段上下游存在压力差就有流动，并且增大压力差，气流就能加速。差，气流就能加速。1.产生超声速的条件产生超声速的条件不同不同Ma数数超声超声速流速流动的动的条件条件A.风洞上下游必须有足够的压比，并且压风洞上下游必须有足够的压比，并且压比随比随Ma数提高而增大。数提高而增大。B.实验段与喉部必须保持一定的面积比，实验段与喉部必须保持一定的面积比，并且面积比随并且面积比随M

7、a数而变化。数而变化。C.必须满足一定的流量要求。必须满足一定的流量要求。 超声速风洞的最大特点是超声速风洞的最大特点是 一定的马赫数对应一定的喷管型线一定的马赫数对应一定的喷管型线 11哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所112.喷管设计喷管设计超声速渐扩段设计超声速渐扩段设计亚声速渐缩段设计亚声速渐缩段设计喷管型线设计喷管型线设计12哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所12维托辛斯基公式维托辛斯基公式 A亚声速段的设计亚声速段的设计22222302(1)1 1 () (1)3ttRRxRLxRL收缩段出口半径，收缩段出口半径， 收缩段

8、进口半径收缩段进口半径 tRtR0R13哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所13维托辛斯基公式适用收缩比小于维托辛斯基公式适用收缩比小于15情况情况若收缩比太大，收缩段若收缩比太大，收缩段在前部骤然收缩而后段在前部骤然收缩而后段却几乎不再收缩，气流却几乎不再收缩，气流的骤然收缩容易引起分的骤然收缩容易引起分离而破坏气流的均匀性离而破坏气流的均匀性Ma=4，喉部，喉部14，稳定，稳定段高段高250，收缩比，收缩比19.2大收缩比的解决方法大收缩比的解决方法14哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所1400ttRRCRRCRRC22222302

9、(1)1 1 () (1)3ttRRCxRLxRLtR将 、 代替 、 计算 ，再取 RRCR0RtR0RtR收缩比大型线设计解决的方法：取收缩比大型线设计解决的方法：取即即大收缩比的解决方法大收缩比的解决方法15哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所15tRC=60常数常数C值的确定值的确定05 6tRRMa2345喉部半高 88.888935.422713.99426收缩比2.817.0617.8641C06060602.812.083.25 4.190/tRR大收缩比的解决方法大收缩比的解决方法16哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所

10、16喷管设计的主要依据是特征线理论，有图解法及解喷管设计的主要依据是特征线理论，有图解法及解析法之分析法之分 B超声速段的设计超声速段的设计tR17哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所17喷管设计的主要依据是特征线理论，有图解法及解喷管设计的主要依据是特征线理论，有图解法及解析法之分析法之分 B超声速段的设计超声速段的设计tR18哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所18解析法思想：假定在喷管转折点解析法思想：假定在喷管转折点B处，流动已成为一超声速处，流动已成为一超声速泉流，利用解析方法，求出泉流，利用解析方法，求出B点以后的曲线点以后的

11、曲线解析法解析法圆弧加直线法圆弧加直线法tR19哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所19喷管长度取决于喷管长度取决于设计中注意的问题设计中注意的问题tR所要达到的所要达到的Ma数数设计方法设计方法最大膨胀角最大膨胀角 角越小（直线段越长），更有利于气流变成角越小（直线段越长），更有利于气流变成泉流，但将导致喷管长度增加，从而导致附面层厚泉流，但将导致喷管长度增加，从而导致附面层厚度增加，这是应该避免的。度增加，这是应该避免的。 BBMa数2345长高比56780.2510.2610.2450.2271/Bv20哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技

12、术研究所20设计中注意的问题设计中注意的问题tR1/0.3Bv1/0.245Bv21哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所21喷管设计结果喷管设计结果tR22哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所223.扩压段设计扩压段设计起动过程起动过程首先在超声速喷管喉道处形成声速首先在超声速喷管喉道处形成声速并在超声速段形成超声速流，并逐并在超声速段形成超声速流，并逐步向下游移动，但因压力比不够，步向下游移动，但因压力比不够，在过喉道后的某处形成一道正激波在过喉道后的某处形成一道正激波而变为亚声速流。这道正激波通常而变为亚声速流。这道正激波通常称为起动

13、正激波。称为起动正激波。随着压力比的增加，起动正激波逐随着压力比的增加，起动正激波逐步向下游推进，波前数也越来越大步向下游推进，波前数也越来越大，因而通过正激波的损失也越来越，因而通过正激波的损失也越来越大。当起动正激波到达喷管出口处大。当起动正激波到达喷管出口处时，时，Ma数达到最大，此时的激波损数达到最大，此时的激波损失也增大到最大值。失也增大到最大值。上游压力再增加一些，起动激波会上游压力再增加一些，起动激波会突然推进到溢流扩压器第二喉道下突然推进到溢流扩压器第二喉道下游某处稳定下来，其位置取决于上游某处稳定下来，其位置取决于上游压力的情况。至此，超声速喷管游压力的情况。至此，超声速喷管起动完成，进入正常运转。起动完成，进入正常运转。 23哈尔滨工业大学先进动力技术研究所哈尔滨工业大学先进动力技术研究所233.扩压段设计扩压段设计第二喉道起动面积第二喉道起动面积tR由理论计算可得出实验段由理论计算可得出实验段与允许的最小第二喉道的与允许的最小第二喉道的面积比面积比F/F2与与Ma数的关系数的关系第二喉道面积如果小于最第二喉道面积如果小于最小允许值，则风洞起动时小允许值，则风洞起动时会发生堵塞。会发生堵塞。当风洞起动后，第二喉部面积可以逐渐减小，当风洞起动后，第二喉部面积可以逐渐减小，使当地使当地Ma数逐渐接近数