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第六章 流体力学实验设备 §6.2 水动力学实验设备 水动力学实验设备是以水为工作介质的一类设备。在水利学、船舶学、海洋学、气象学等方面都有应用。常用的水动力学设备有以下几种： 自由降落式水洞、回流式水洞 拖曳式水槽 旋臂水池 波浪水池 风水槽 …… §6.3 低速风洞（Low Speed Wind Tunnel） 1. 分类 2. 低速风洞的结构和各部件的功能 3. 风洞能量比 4. 其它型式的低速风洞 低速风洞分类 低速风洞分类 低速风洞分类 （1）稳定段、蜂窝器和阻尼网 （2）收缩段及壁面型线 （3）试验段 （4）扩散段 （5）动力系统 （6）其他部件 (1) 稳定段、蜂窝器和阻尼网 蜂窝器 (Heneycombs) 通常用方形、六角形、八角形及圆形管组成。管子长度为高度的5-10倍。由于其形状类似蜂窝，故名蜂窝器。 它的作用是使进入实验段的气流方向平直，气流紊流度得以减少。但是安装蜂窝器会增加摩擦阻力，损失一部分能量。 阻尼网 (Screen) 阻尼网是多层细密的金属网。一般风洞安装一至二层，对于低紊流风洞可能安装六层或更多。安装的阻尼网层数越多，能量损失也越大。 阻尼网对降低气流脉动比蜂窝器有用得多。 常用的网是1-11层，最常用2-3层；网的粗细为18-60目/英寸，最常用的是24-30目/英寸。 如果采用多层网以及大收缩比收缩段，低紊流度风洞的紊流度可达0.02-0.05%；普通风洞也可达0.1-0.5%。 相邻两层网之间距离应为20-30厘米。 （2）收缩段及壁面型线 (Entrance Cone) 收缩段一个重要的指标是收缩比 n ，（n = A1 / A2）。其中A1为收缩段进口面积，A2为出口面积。 增大收缩比有助于减小实验气流的紊流度，提高流场品质。但收缩比也由风洞总体尺寸决定，因而直接由造价决定。 早期的风洞收缩比大致在4～5之间，新建的风洞收缩比可以大到7～10以上，低紊流度风洞收缩比可达到20以上。必须细心设计和加工。否则型线设计不合理，会引起收缩段壁面气流分离。 对于轴对称收缩段的收缩曲线设计通常有  钱学森方法、 Szczeniowski方法 Thwaites方法等  其基本思想是给定一个轴向流速分布，沿流向x方向单调增加。在理想不可压缩流体假设下求出外围流场，选取一条单调变化的流线为型线。比较简单有效的方法有Вимощинский公式。 收缩段及壁面型线 对于二维收缩段的设计方法有 林同骥方法、 Hughes方法 Libby方法等。 它们的基本思想是采用保角变换将壁面型线变为简单的几何图形（如单位圆等），由流函数和进出口速度确定流线速度，使其满足一定的单调增长规律，然后再变换确定壁面型线。 收缩段及壁面型线 实验段是安装实验模型，进行实验的地方。也是整个风洞气流速度最高、最均匀的地方。实验段可分为开口和闭口两种形式（直流式风洞开口实验段一般应有气密室）。 二元风洞实验段截面应为矩形，高宽比在 2.5 – 4 之间。 三元风洞实验段截面形状有圆形、方形、八角形、椭圆形、矩形等。 实验段的长度一般应保持在1.75 - 3.0 D1的范围，D1是实验段直径，若实验段不是圆形，应取截面的水力直径（水力直径 = 4×面积 / 周长）。 模型应安装在实验段的均匀流场中，模型头部离实验段入口保持一定距离，大致在0.25-0.50 D1范围。模型长度一般应为0.75-1.25 D1之间，模型尾部至扩散段入口也应保持一定距离，大约为0.75-1.25 D1之间。 开口实验段损失要比闭口情况严重得多，开口实验段长度一般取1.0-1.5 D1范围。 在风洞实验段设计时应考虑边界层修正。 边界层修正有两种方法：一种方法是实验段侧壁加工成稍带锥度，沿气流方向实验段截面不断增加。由于边界层位移厚度的增加率随风速的不同而变化，一般以常用的风速为准，定出实验段表面的扩张角，一般小于0.5?。 Re = 107 - 108 全锥角: 0.1 ? - 0.25 ? Re = 105 - 106 全锥角: 0.25 ? - 0.5 ? 另一种方法是对于方形和矩形截面实验段采用切角的方法，沿气流方向逐渐减小切角，保持位流截面不变。用这种方法壁面仍然是平的，便于安装模型和观察。 （4）扩散段 (Diffuser) 扩