流体力学实验_风洞.ppt

第六章 气动力学实验设备——风洞 §6.1 风洞简介 1.风洞:专门设计的一种特殊管道，采用适当的动力装置在管道中产生可控的人工气流，用来进行各种类型的空气动力学实验。 2.风洞实验的基本原理 ? 流动的相对性 ? 流动的相似性 几何相似 运动相似 动力相似 动力相似准则：Re数（粘性）,Fr数（重力）,马赫数（压缩性） 4. 风洞实验的优缺点 （1）优点 ? 风洞的实验条件：如空气压力、温度、密度、速度可以准确控制，控制风速较为方便。 ? 利用率高。 ? 实验模型和观测仪器都是固定不动的，便于流动现象的观测，实验测量精度较高。 ? 可将实验对象的各部件做成不同模型单独进行实验。 (2) 局限性 ? 风洞壁的干扰（边界干扰），模型支架的干扰，实验段气流特性和实际流场的差异等 实验数据需要进行修正。 5. 风洞的分类 （1）按风洞实验段中气流速度V的大小来分 ? 低速风洞：气流速度V100m/s，马赫数M0.3，分为回流式和直流式，不考虑压缩性的影响，最常见的风洞。 ? 高亚音速风洞： 马赫数0.3M0.8，外形与低速风动相似，风扇驱动功率较大，一般为两级以上的轴流式风扇，回流管道中需装冷却器或换气系统。 ? 跨音速风洞：马赫数0.8M1.5，工作段双层结构，内外层间称为驻室（压力可调）。内层壁面开有孔或槽，消除模型激波反射现象和低超音速时的模型壅塞。 ? 超音速风洞：马赫数1.5M4.5，一般采取暂冲式工作方式。采用下冲或抽吸的方法达到所需的马赫数。 ? 高超音速风洞：马赫数4.5M10，需要有很高压力的高压气源（高压压气机和高压贮气罐）和真空罐，采用下冲和抽吸的方法造成很高的压力比。需防止气流加速过程中产生液化，在进入收缩段前要预热。 ? 极高速风洞：马赫数M10，又称为激波风洞，气流密度极低，相当于极高速的洲际导弹在高空飞行的状态。 §6.2 低速风洞 低速风洞可分为： 直流式低速风洞：构造简单，占用空间较大 回流式低速风洞：气流通过实验段后再通过管道循环一周回到实验段中，构造复杂，所需空间较小 单回流式：最常用的型式 双回流式：比较大型的风洞 环形回流式：变密度风洞，风洞强度较高 1.直流式风洞 2. 单回流式风洞 §6.3 烟风洞 烟风洞主要用于低速气流中的流动显示，一般由风洞本体、发烟器、风扇电动机和照明装置等组成。 烟风洞 §6.4 大气边界层风洞 直流式大气边界层风洞 前实验段 后实验段 大气边界层的模拟要求： ? 平均风速剖面 指数形式： zr为参考高度，Ur为zr处的平均风速，a为与地表粗糙程度有关的剖面指数。 ? 湍流度分布：大气边界层的湍流度随高度增加而逐渐减小 ? 湍流功率谱 ? 湍流积分尺度 大气边界层的风洞模拟： ? 不同地貌特征下的大气边界层 大气边界层模拟装置 尖劈、粗糙元 、格栅、挡板等 * * 流体力学实验理论 3. 风洞的功用 （1）空气动力学和流体力学基础性研究 ? 各种翼型的气动力特性：压缩性和粘性附面层的影响，翼型上附面层的控制，激波与附面层的干扰和传热的影响，三元机翼的气动力特性，飞行器再入大气的气动热等空气动力学的基本规律 ? 圆柱绕流、钝体绕流等流动特性和涡旋结构 ? 大气扩散规律 ? 湍流（各向同性湍流、边界层、可压缩湍流）流动结构 ? 为理论流体力学和计算流体力学提供实验资料 风洞实验和数值计算结果的比较和验证 （2）工程性的实验项目 ? 航空航天：飞行器或其他部件模型的升阻力实验、压力分布实验、流场测量实验、颤振实验等，确定飞行器的气动力特性，为气动设计提供科学依据 ? 风工程：高层建筑物、高大烟囱、电视塔、桥梁、大跨度结构物的风力载荷 ? 交通：交通工具的气动阻力和稳定性实验 ? 能源：风力发电、流体机械叶轮机性能 ? 空调效率 ? 环保工程：污染源扩散、环境评价、合理布局 ? 计量工程：校测各种测速仪器 ? 不能保证和实际流场完全相似。风洞实验只能是部分相似，不能满足所有的相似准则。 Re数： 马赫数： 低速风洞中主要满足Re数相等。 超音速风洞中主要满足马赫数相等。 亚音速或跨音速风洞中很难兼顾，达不到所需Re数。 实验模型的安装支架 （2）按风洞的特殊用途 ? 低湍流度风洞 ? 变密度风洞 ? 大气边界层风洞 ? 烟风洞 ? 汽车风洞 ? 桥梁风洞 ? 计量风洞 （3）其他分类 ? 直流式和回流式（按风洞外形） ?