1、第第4 4章章 風洞和水槽實驗風洞和水槽實驗4-1 4-1 低速風洞低速風洞4-2 4-2 超聲速風洞超聲速風洞4-3 4-3 水洞和實驗水槽水洞和實驗水槽實驗流體力學實驗流體力學4-1 4-1 低速風洞低速風洞通常把試驗段風速通常把試驗段風速U100m/sU100m/s的風洞稱為低速風洞。的風洞稱為低速風洞。 在低速風洞中，氣流的密度變化很小，可當做在低速風洞中，氣流的密度變化很小，可當做不可壓縮流體處理。在試驗中主要考慮慣性力和粘不可壓縮流體處理。在試驗中主要考慮慣性力和粘性力，即主要考慮雷諾數(shù)的影響。性力，即主要考慮雷諾數(shù)的影響。一一. .風洞實驗的意義：風洞實驗的意義：The Taco

2、ma Narrows Bridge，1940The Tacoma Narrows Bridge，1940渡橋電廠（英）渡橋電廠（英）南京大勝關(guān)大橋南京大勝關(guān)大橋 為避免悲劇重演，像大型橋梁等的興建，必須為避免悲劇重演，像大型橋梁等的興建，必須進行相關(guān)風洞試驗。進行相關(guān)風洞試驗。南京大勝關(guān)大橋的風洞試驗南京大勝關(guān)大橋的風洞試驗：南京大勝關(guān)大橋的風洞試驗南京大勝關(guān)大橋的風洞試驗：南京大勝關(guān)大橋的風洞試驗南京大勝關(guān)大橋的風洞試驗：風洞模型實驗：風洞模型實驗：模型實驗：模型實驗：二二.風洞的結(jié)構(gòu)：風洞的結(jié)構(gòu)：1.1.風洞的類型：風洞的類型：（參考（參考 ：陳克城：陳克城流體力學實驗技術(shù)流體力學實驗技術(shù)

3、） 從構(gòu)造上看，風洞分為直流式和回流式兩種。從構(gòu)造上看，風洞分為直流式和回流式兩種。直流式風洞直流式風洞直流式風洞：直流式風洞：閉口實驗段直流式風洞：閉口實驗段直流式風洞：阻尼網(wǎng)阻尼網(wǎng)收縮段收縮段實驗段實驗段擴散段擴散段動力段動力段閉口實驗段回流式風洞：閉口實驗段回流式風洞： 1. 1.蜂窩器、蜂窩器、2.2.阻尼網(wǎng)、阻尼網(wǎng)、3.3.收縮段、收縮段、4.4.實驗段、實驗段、5.5.擴散段、擴散段、6.6.導流片、導流片、7.7.動力段、動力段、8.8.拐角段、拐角段、9.9.圓筒段。圓筒段。2.2.風洞的主要部件功能及設計要求：風洞的主要部件功能及設計要求：(1).(1).對實驗段的要求：對實

4、驗段的要求： 1). 1).氣流參數(shù)穩(wěn)定且各參數(shù)在過流斷面上盡可能均勻氣流參數(shù)穩(wěn)定且各參數(shù)在過流斷面上盡可能均勻分布；分布；2).2).氣流方向偏角應盡可能小；氣流方向偏角應盡可能小； 3). 3).氣流有合乎要求的湍流度，裝卸模型與進行試氣流有合乎要求的湍流度，裝卸模型與進行試驗方便；驗方便； 4). 4).能對洞壁所產(chǎn)生干擾進行修正，以消除能對洞壁所產(chǎn)生干擾進行修正，以消除“水平浮水平浮力力”；5).5).能探測到能探測到并能消除產(chǎn)生不穩(wěn)定氣流的并能消除產(chǎn)生不穩(wěn)定氣流的分離源分離源。(2).(2).對擴散段的要求：對擴散段的要求： 擴散段的主要作用是使氣流擴張，降低流速，以恢擴散段的主要作

5、用是使氣流擴張，降低流速，以恢復靜壓。目的是減少能量損失，降低能耗。復靜壓。目的是減少能量損失，降低能耗。 1 1）. .擴散段有一定的錐角，并盡量避免邊界層擴散段有一定的錐角，并盡量避免邊界層分離。分離。2).2).可采用分流板、漩渦發(fā)生器、邊界層控制可采用分流板、漩渦發(fā)生器、邊界層控制器等方法防止邊界層分離。器等方法防止邊界層分離。(3).(3).蜂窩器、阻尼網(wǎng)和導流片的作用：蜂窩器、阻尼網(wǎng)和導流片的作用： 蜂窩器和阻尼網(wǎng)的結(jié)合使用能夠有效降低氣流的蜂窩器和阻尼網(wǎng)的結(jié)合使用能夠有效降低氣流的橫向和軸向的湍流度，抑制來流的脈動，破碎大渦，橫向和軸向的湍流度，抑制來流的脈動，破碎大渦，使軸向流

6、速比較均勻使軸向流速比較均勻。 蜂窩器和阻尼網(wǎng)的結(jié)合使用能夠有效降低氣流的蜂窩器和阻尼網(wǎng)的結(jié)合使用能夠有效降低氣流的橫向和軸向的湍流度，抑制來流的脈動，破碎大渦，橫向和軸向的湍流度，抑制來流的脈動，破碎大渦，使軸向流速比較均勻使軸向流速比較均勻。 在回流式風洞的拐角出設置導流片，能有效防止在回流式風洞的拐角出設置導流片，能有效防止邊界層分離，使氣流速度分布更加均勻，并能有效降邊界層分離，使氣流速度分布更加均勻，并能有效降低能量損失低能量損失。(4).(4).收縮段的作用及要求：收縮段的作用及要求： 收縮段將來自穩(wěn)定段的氣流加速，使氣流進入試收縮段將來自穩(wěn)定段的氣流加速，使氣流進入試驗段時具有穩(wěn)

7、定的流速、平直的流動方向和均勻的速驗段時具有穩(wěn)定的流速、平直的流動方向和均勻的速度分布度分布。 收縮段的長度應盡可能短，收縮段曲線設計應滿收縮段的長度應盡可能短，收縮段曲線設計應滿足以下方程：足以下方程：32222122)(311 )(1 )(1 1lxlxRRRR根據(jù)實驗資料，收縮段各部分尺寸均有相關(guān)要求。根據(jù)實驗資料，收縮段各部分尺寸均有相關(guān)要求。(5).(5).風扇段（動力段）風扇段（動力段）: :風扇的主要作用是驅(qū)動氣流。風扇的主要作用是驅(qū)動氣流。 為提高風扇效率并使氣流平直常在風扇前設置預為提高風扇效率并使氣流平直常在風扇前設置預扭葉片，以防止氣流的旋轉(zhuǎn)；風扇后設整流罩以防止扭葉片，

8、以防止氣流的旋轉(zhuǎn)；風扇后設整流罩以防止邊界層分離邊界層分離。三三.特殊用途風洞：特殊用途風洞：1.1.壓力風洞（或稱變密度風洞）：壓力風洞（或稱變密度風洞）： 壓力風洞內(nèi)的空氣壓強可調(diào)節(jié)到壓力風洞內(nèi)的空氣壓強可調(diào)節(jié)到20多個大氣壓，多個大氣壓，用于模擬大雷諾數(shù)流動，此種風洞一般采用環(huán)形回流用于模擬大雷諾數(shù)流動，此種風洞一般采用環(huán)形回流式風洞式風洞。2.2.冰風洞：冰風洞： 冰風洞就是附有制冷系統(tǒng)的常規(guī)低速風洞，氣溫冰風洞就是附有制冷系統(tǒng)的常規(guī)低速風洞，氣溫可達可達-40C，可模擬飛機飛行中的結(jié)冰過程。，可模擬飛機飛行中的結(jié)冰過程。3.3.激波管風洞：激波管風洞：4.4.大氣邊界層風洞：大氣邊界

9、層風洞： 大氣邊界層風洞在低速范圍內(nèi)的調(diào)速范圍大，可大氣邊界層風洞在低速范圍內(nèi)的調(diào)速范圍大，可模擬大氣邊界層的流動，主要用于建筑結(jié)構(gòu)的風載荷模擬大氣邊界層的流動，主要用于建筑結(jié)構(gòu)的風載荷、空氣污染擴散等的模擬試驗、空氣污染擴散等的模擬試驗。 激波管風洞可獲得激波管風洞可獲得10馬赫以上的氣流速度，氣流馬赫以上的氣流速度，氣流溫度可達溫度可達10000K。5.5.汽車風洞：汽車風洞： 汽車風洞用于獲取汽車特征數(shù)據(jù)汽車風洞用于獲取汽車特征數(shù)據(jù)。汽車風洞可。汽車風洞可排除汽車尾氣使風洞中的空氣不受污染，有為車輪排除汽車尾氣使風洞中的空氣不受污染，有為車輪提供旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤設備，并能模擬降雨等。提供旋轉(zhuǎn)的

10、轉(zhuǎn)盤設備，并能模擬降雨等。汽車風洞試驗：汽車風洞試驗：汽車風洞試驗：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。汽車風洞試驗：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。汽車風洞試驗：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。汽車風洞試驗：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。四四. .氣動載荷的測量方法：氣動載荷的測量方法： 模型載荷測量的目的：獲得作用在模型上的力、模型載荷測量的目的：獲得作用在模型上的力、力矩及壓強分布，進而預測原型的氣動力特性。力矩及壓強分布，進而預測原型的氣動力特性。1.用風洞天平測量作用在模型上的力和力矩；用風洞天平測量作用在模型上的力和力矩；2.通過尾流和洞壁壓強測量模型對氣流的影響；通過尾流和洞壁壓強測量模型

11、對氣流的影響；3.利用與壓強測量裝置相連的測壓孔，測量模型利用與壓強測量裝置相連的測壓孔，測量模型上的壓強分布。上的壓強分布。風洞天平示意圖：風洞天平示意圖：升力(垂直力)阻力側(cè)力滾轉(zhuǎn)力矩偏航力矩俯仰力矩 應變天平校準示意圖應變天平校準示意圖五五. .風洞試驗數(shù)據(jù)的修正：風洞試驗數(shù)據(jù)的修正：1.1.試驗段氣流特性的影響：試驗段氣流特性的影響： 1 1）. .雷諾數(shù)與湍流度對氣動力的影響。雷諾數(shù)與湍流度對氣動力的影響。 2 2）. .試驗段流速分布不均勻的影響。試驗段流速分布不均勻的影響。 3 3）. .氣流在試驗段中的偏角的影響。氣流在試驗段中的偏角的影響。2.2.支架阻力干擾：支架阻力干擾：

12、 支架的存在會影響氣支架的存在會影響氣流的流動，支架本身也會流的流動，支架本身也會產(chǎn)生阻力。產(chǎn)生阻力。3.3.風洞壁的干擾：風洞壁的干擾：采用以下方法可有效減少風洞壁的采用以下方法可有效減少風洞壁的干擾：干擾：1 1）. .風洞壁面邊界層引起風洞壁面邊界層引起軸向靜壓梯度軸向靜壓梯度。2 2）. .風洞壁面對繞流流譜的橫向約束風洞壁面對繞流流譜的橫向約束稱稱“固固體阻塞體阻塞”。3 3）. .風洞壁面對尾流流譜的橫向約束風洞壁面對尾流流譜的橫向約束稱稱“尾尾流阻塞流阻塞”。1 1）. .采用多孔吹吸氣壁。采用多孔吹吸氣壁。 風洞壁對測量數(shù)據(jù)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個風洞壁對測量數(shù)據(jù)的影響主要表現(xiàn)

13、在以下幾個方面方面：2 2）. .采用柔性材料的自適應壁面。采用柔性材料的自適應壁面。3 3）. .采用槽壁試驗段。采用槽壁試驗段。小型直流式教學風洞小型直流式教學風洞六六.其他風洞試驗裝置：其他風洞試驗裝置：空氣動力實驗臺空氣動力實驗臺可壓縮流體流動可壓縮流體流動4-2 4-2 超聲速風洞超聲速風洞航空發(fā)動機航空發(fā)動機美國美國F22戰(zhàn)斗機的發(fā)動機戰(zhàn)斗機的發(fā)動機為了節(jié)能，一般將超音速風洞設計成間歇式為了節(jié)能，一般將超音速風洞設計成間歇式，這，這種風洞的試驗段中一般一次僅能維持幾十秒甚至十種風洞的試驗段中一般一次僅能維持幾十秒甚至十幾秒的超音速氣流，因而需要反應快的測量儀器。幾秒的超音速氣流，因

14、而需要反應快的測量儀器。間歇式風洞分為吹氣式和抽吸式兩種：間歇式風洞分為吹氣式和抽吸式兩種： 吹氣式風洞預先把高壓氣體存儲于儲氣罐內(nèi)，吹氣式風洞預先把高壓氣體存儲于儲氣罐內(nèi)，然后快速打開閥門，在試驗段內(nèi)獲得短時間的超音然后快速打開閥門，在試驗段內(nèi)獲得短時間的超音速氣流。速氣流。 抽吸式風洞則是預先把風洞下游的真空容器抽抽吸式風洞則是預先把風洞下游的真空容器抽成真空，然后快速打開閥門，在試驗段內(nèi)獲得短時成真空，然后快速打開閥門，在試驗段內(nèi)獲得短時間的超音速氣流。間的超音速氣流。uc 超聲速流超聲速流馬赫數(shù)馬赫數(shù) Ma= Ma= u u/ /c c超聲速風洞試驗超聲速風洞試驗放超聲速風洞試驗錄像：

15、放超聲速風洞試驗錄像：拉法爾噴管軸向壓強分布拉法爾噴管軸向壓強分布超聲速風洞：超聲速風洞：超音速氣流在收縮噴管出口形成的膨脹波：超音速氣流在收縮噴管出口形成的膨脹波：超音速氣流在收縮噴管出口形成的膨脹波：超音速氣流在收縮噴管出口形成的膨脹波：阻塞阻塞觸發(fā)觸發(fā)扼流扼流 通過可變喉口尺寸調(diào)節(jié)獲得管道中不同的超通過可變喉口尺寸調(diào)節(jié)獲得管道中不同的超音速氣流狀態(tài)：音速氣流狀態(tài)：水動力學實驗水動力學實驗4-3 4-3 水洞和實驗水槽水洞和實驗水槽一一. .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. .實驗水池：實驗水池：車速車速: 5m/s)船池造波機船池造波機旋臂水池旋臂水池實驗水槽實驗水槽自循環(huán)水槽自循環(huán)水槽自循環(huán)水槽：自循環(huán)水槽：自循環(huán)水槽：自循環(huán)水槽：自