實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)4

1、第第4 4章章 風(fēng)洞和水槽實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞和水槽實(shí)驗(yàn)4-1 4-1 低速風(fēng)洞低速風(fēng)洞4-2 4-2 超聲速風(fēng)洞超聲速風(fēng)洞4-3 4-3 水洞和實(shí)驗(yàn)水槽水洞和實(shí)驗(yàn)水槽實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)4-1 4-1 低速風(fēng)洞低速風(fēng)洞通常把試驗(yàn)段風(fēng)速通常把試驗(yàn)段風(fēng)速U100m/sU100m/s的風(fēng)洞稱為低速風(fēng)洞。的風(fēng)洞稱為低速風(fēng)洞。 在低速風(fēng)洞中，氣流的密度變化很小，可當(dāng)做在低速風(fēng)洞中，氣流的密度變化很小，可當(dāng)做不可壓縮流體處理。在試驗(yàn)中主要考慮慣性力和粘不可壓縮流體處理。在試驗(yàn)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的意義：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(jìn)行相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)。進(jìn)行相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)。南京大勝關(guān)大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)暇┐髣訇P(guān)大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)：南京大勝關(guān)大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)暇┐髣訇P(guān)大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)：南京大勝關(guān)大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)暇┐髣訇P(guān)大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)：風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)：風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)：模型實(shí)驗(yàn)：模型實(shí)驗(yàn)：二二.風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)：風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)：1.1.風(fēng)洞的類型：風(fēng)洞的類型：（參考（參考 ：陳克城：陳克城流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

3、） 從構(gòu)造上看，風(fēng)洞分為直流式和回流式兩種。從構(gòu)造上看，風(fēng)洞分為直流式和回流式兩種。直流式風(fēng)洞直流式風(fēng)洞直流式風(fēng)洞：直流式風(fēng)洞：閉口實(shí)驗(yàn)段直流式風(fēng)洞：閉口實(shí)驗(yàn)段直流式風(fēng)洞：阻尼網(wǎng)阻尼網(wǎng)收縮段收縮段實(shí)驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)段擴(kuò)散段擴(kuò)散段動(dòng)力段動(dòng)力段閉口實(shí)驗(yàn)段回流式風(fēng)洞：閉口實(shí)驗(yàn)段回流式風(fēng)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(shí)驗(yàn)段、實(shí)驗(yàn)段、5.5.擴(kuò)散段、擴(kuò)散段、6.6.導(dǎo)流片、導(dǎo)流片、7.7.動(dòng)力段、動(dòng)力段、8.8.拐角段、拐角段、9.9.圓筒段。圓筒段。2.2.風(fēng)洞的主要部件功能及設(shè)計(jì)要求：風(fēng)洞的主要部件功能及設(shè)計(jì)要求：(1).(1).對實(shí)驗(yàn)段的要求：對實(shí)

4、驗(yàn)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(yīng)盡可能?。粴饬鞣较蚱菓?yīng)盡可能?。?3). 3).氣流有合乎要求的湍流度，裝卸模型與進(jìn)行試氣流有合乎要求的湍流度，裝卸模型與進(jìn)行試驗(yàn)方便；驗(yàn)方便； 4). 4).能對洞壁所產(chǎn)生干擾進(jìn)行修正，以消除能對洞壁所產(chǎn)生干擾進(jìn)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(kuò)散段的要求：對擴(kuò)散段的要求： 擴(kuò)散段的主要作用是使氣流擴(kuò)張，降低流速，以恢?jǐn)U散段的主要作

5、用是使氣流擴(kuò)張，降低流速，以恢復(fù)靜壓。目的是減少能量損失，降低能耗。復(fù)靜壓。目的是減少能量損失，降低能耗。 1 1）. .擴(kuò)散段有一定的錐角，并盡量避免邊界層擴(kuò)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(dǎo)流片的作用：蜂窩器、阻尼網(wǎng)和導(dǎo)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(dòng)，破碎大渦，橫向和軸向的湍流度，抑制來流的脈動(dòng)，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(dòng)，破碎大渦，橫向和軸向的湍流度，抑制來流的脈動(dòng)，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(fēng)洞的拐角出設(shè)置導(dǎo)流片，能有效防止在回流式風(fēng)洞的拐角出設(shè)置導(dǎo)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(jìn)入試收縮段將來自穩(wěn)定段的氣流加速，使氣流進(jìn)入試驗(yàn)段時(shí)具有穩(wěn)

7、定的流速、平直的流動(dòng)方向和均勻的速驗(yàn)段時(shí)具有穩(wěn)定的流速、平直的流動(dòng)方向和均勻的速度分布度分布。 收縮段的長度應(yīng)盡可能短，收縮段曲線設(shè)計(jì)應(yīng)滿收縮段的長度應(yīng)盡可能短，收縮段曲線設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下方程：足以下方程：32222122)(311 )(1 )(1 1lxlxRRRR根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，收縮段各部分尺寸均有相關(guān)要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，收縮段各部分尺寸均有相關(guān)要求。(5).(5).風(fēng)扇段（動(dòng)力段）風(fēng)扇段（動(dòng)力段）: :風(fēng)扇的主要作用是驅(qū)動(dòng)氣流。風(fēng)扇的主要作用是驅(qū)動(dòng)氣流。 為提高風(fēng)扇效率并使氣流平直常在風(fēng)扇前設(shè)置預(yù)為提高風(fēng)扇效率并使氣流平直常在風(fēng)扇前設(shè)置預(yù)扭葉片，以防止氣流的旋轉(zhuǎn)；風(fēng)扇后設(shè)整流罩以防止扭葉片，

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

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

10、轉(zhuǎn)盤設(shè)備，并能模擬降雨等。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)：汽車風(fēng)洞試驗(yàn)：汽車風(fēng)洞試驗(yàn)：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)：測量汽車的升力、阻力和側(cè)滑力。四四. .氣動(dòng)載荷的測量方法：氣動(dòng)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(qiáng)分布，進(jìn)而預(yù)測原型的氣動(dòng)力特性。力矩及壓強(qiáng)分布，進(jìn)而預(yù)測原型的氣動(dòng)力特性。1.用風(fēng)洞天平測量作用在模型上的力和力矩；用風(fēng)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(qiáng)測量模型對氣流的影響；通過尾流和洞壁壓強(qiáng)測量模型

11、對氣流的影響；3.利用與壓強(qiáng)測量裝置相連的測壓孔，測量模型利用與壓強(qiáng)測量裝置相連的測壓孔，測量模型上的壓強(qiáng)分布。上的壓強(qiáng)分布。風(fēng)洞天平示意圖：風(fēng)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(yīng)變天平校準(zhǔn)示意圖應(yīng)變天平校準(zhǔn)示意圖五五. .風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正：風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正：1.1.試驗(yàn)段氣流特性的影響：試驗(yàn)段氣流特性的影響： 1 1）. .雷諾數(shù)與湍流度對氣動(dòng)力的影響。雷諾數(shù)與湍流度對氣動(dòng)力的影響。 2 2）. .試驗(yàn)段流速分布不均勻的影響。試驗(yàn)段流速分布不均勻的影響。 3 3）. .氣流在試驗(yàn)段中的偏角的影響。氣流在試驗(yàn)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(huì)影響氣支架的存在會(huì)影響氣流的流動(dòng)，支架本身也會(huì)流的流動(dòng)，支架本身也會(huì)產(chǎn)生阻力。產(chǎn)生阻力。3.3.風(fēng)洞壁的干擾：風(fēng)洞壁的干擾：采用以下方法可有效減少風(fēng)洞壁的采用以下方法可有效減少風(fēng)洞壁的干擾：干擾：1 1）. .風(fēng)洞壁面邊界層引起風(fēng)洞壁面邊界層引起軸向靜壓梯度軸向靜壓梯度。2 2）. .風(fēng)洞壁面對繞流流譜的橫向約束風(fēng)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(fēng)洞壁面對尾流流譜的橫向約束風(fēng)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(fēng)洞壁對測量數(shù)據(jù)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)風(fēng)洞壁對測量數(shù)據(jù)的影響主要表現(xiàn)

13、在以下幾個(gè)方面方面：2 2）. .采用柔性材料的自適應(yīng)壁面。采用柔性材料的自適應(yīng)壁面。3 3）. .采用槽壁試驗(yàn)段。采用槽壁試驗(yàn)段。小型直流式教學(xué)風(fēng)洞小型直流式教學(xué)風(fēng)洞六六.其他風(fēng)洞試驗(yàn)裝置：其他風(fēng)洞試驗(yàn)裝置：空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)可壓縮流體流動(dòng)可壓縮流體流動(dòng)4-2 4-2 超聲速風(fēng)洞超聲速風(fēng)洞航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)美國美國F22戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為了節(jié)能，一般將超音速風(fēng)洞設(shè)計(jì)成間歇式為了節(jié)能，一般將超音速風(fēng)洞設(shè)計(jì)成間歇式，這，這種風(fēng)洞的試驗(yàn)段中一般一次僅能維持幾十秒甚至十種風(fēng)洞的試驗(yàn)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(yīng)快的測量儀器。幾秒的超音速氣流，因

14、而需要反應(yīng)快的測量儀器。間歇式風(fēng)洞分為吹氣式和抽吸式兩種：間歇式風(fēng)洞分為吹氣式和抽吸式兩種： 吹氣式風(fēng)洞預(yù)先把高壓氣體存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐內(nèi)，吹氣式風(fēng)洞預(yù)先把高壓氣體存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐內(nèi)，然后快速打開閥門，在試驗(yàn)段內(nèi)獲得短時(shí)間的超音然后快速打開閥門，在試驗(yàn)段內(nèi)獲得短時(shí)間的超音速氣流。速氣流。 抽吸式風(fēng)洞則是預(yù)先把風(fēng)洞下游的真空容器抽抽吸式風(fēng)洞則是預(yù)先把風(fēng)洞下游的真空容器抽成真空，然后快速打開閥門，在試驗(yàn)段內(nèi)獲得短時(shí)成真空，然后快速打開閥門，在試驗(yàn)段內(nèi)獲得短時(shí)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(fēng)洞試驗(yàn)超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)放超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)錄像：

15、放超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)錄像：拉法爾噴管軸向壓強(qiáng)分布拉法爾噴管軸向壓強(qiáng)分布超聲速風(fēng)洞：超聲速風(fēng)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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)4-3 4-3 水洞和實(shí)驗(yàn)水槽水洞和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)水池：實(shí)驗(yàn)水池：車速車速: 5m/s)船池造波機(jī)船池造波機(jī)旋臂水池旋臂水池實(shí)驗(yàn)水槽實(shí)驗(yàn)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