流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)_風(fēng)洞課件

1、第六章 氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備風(fēng)洞 6.1 風(fēng)洞簡(jiǎn)介 1.風(fēng)洞:專門(mén)設(shè)計(jì)的一種特殊管道，采用適當(dāng)?shù)膭?dòng)力裝置在管道中產(chǎn)生可控的人工氣流，用來(lái)進(jìn)行各種類型的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。 2.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基本原理 流動(dòng)的相對(duì)性 流動(dòng)的相似性 幾何相似 運(yùn)動(dòng)相似 動(dòng)力相似 動(dòng)力相似準(zhǔn)則：Re數(shù)（粘性）,Fr數(shù)（重力）,馬赫數(shù)（壓縮性）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論1實(shí)用文檔 3. 風(fēng)洞的功用（1）空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)性研究 各種翼型的氣動(dòng)力特性：壓縮性和粘性附面層的影響，翼型上附面層的控制，激波與附面層的干擾和傳熱的影響，三元機(jī)翼的氣動(dòng)力特性，飛行器再入大氣的氣動(dòng)熱等空氣動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律 圓柱繞流、鈍體繞流等流動(dòng)特性和渦旋結(jié)構(gòu) 大

2、氣擴(kuò)散規(guī)律 湍流（各向同性湍流、邊界層、可壓縮湍流）流動(dòng)結(jié)構(gòu) 為理論流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)提供實(shí)驗(yàn)資料2實(shí)用文檔風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較和驗(yàn)證3實(shí)用文檔（2）工程性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 航空航天：飛行器或其他部件模型的升阻力實(shí)驗(yàn)、壓力分布實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、顫振實(shí)驗(yàn)等，確定飛行器的氣動(dòng)力特性，為氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù) 風(fēng)工程：高層建筑物、高大煙囪、電視塔、橋梁、大跨度結(jié)構(gòu)物的風(fēng)力載荷 交通：交通工具的氣動(dòng)阻力和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 能源：風(fēng)力發(fā)電、流體機(jī)械葉輪機(jī)性能 空調(diào)效率 環(huán)保工程：污染源擴(kuò)散、環(huán)境評(píng)價(jià)、合理布局 計(jì)量工程：校測(cè)各種測(cè)速儀器4實(shí)用文檔 4. 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn) 風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)條件：如空氣

3、壓力、溫度、密度、速度可以準(zhǔn)確控制，控制風(fēng)速較為方便。 利用率高。 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀^測(cè)儀器都是固定不動(dòng)的，便于流動(dòng)現(xiàn)象的觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度較高。 可將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的各部件做成不同模型單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。5實(shí)用文檔(2) 局限性 不能保證和實(shí)際流場(chǎng)完全相似。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)只能是部分相似，不能滿足所有的相似準(zhǔn)則。 Re數(shù)： 馬赫數(shù)： 低速風(fēng)洞中主要滿足Re數(shù)相等。 超音速風(fēng)洞中主要滿足馬赫數(shù)相等。 亞音速或跨音速風(fēng)洞中很難兼顧，達(dá)不到所需Re數(shù)。6實(shí)用文檔 風(fēng)洞壁的干擾（邊界干擾），模型支架的干擾，實(shí)驗(yàn)段氣流特性和實(shí)際流場(chǎng)的差異等 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修正。7實(shí)用文檔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b支架8實(shí)用文檔5. 風(fēng)洞的分類（1）按風(fēng)

4、洞實(shí)驗(yàn)段中氣流速度V的大小來(lái)分 低速風(fēng)洞：氣流速度V100m/s，馬赫數(shù)M0.3，分為回流式和直流式，不考慮壓縮性的影響，最常見(jiàn)的風(fēng)洞。 高亞音速風(fēng)洞： 馬赫數(shù)0.3M0.8，外形與低速風(fēng)動(dòng)相似，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)功率較大，一般為兩級(jí)以上的軸流式風(fēng)扇，回流管道中需裝冷卻器或換氣系統(tǒng)。 跨音速風(fēng)洞：馬赫數(shù)0.8M1.5，工作段雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層間稱為駐室（壓力可調(diào)）。內(nèi)層壁面開(kāi)有孔或槽，消除模型激波反射現(xiàn)象和低超音速時(shí)的模型壅塞。9實(shí)用文檔 超音速風(fēng)洞：馬赫數(shù)1.5M4.5，一般采取暫沖式工作方式。采用下沖或抽吸的方法達(dá)到所需的馬赫數(shù)。 高超音速風(fēng)洞：馬赫數(shù)4.5M10，又稱為激波風(fēng)洞，氣流密度極低，相當(dāng)于

5、極高速的洲際導(dǎo)彈在高空飛行的狀態(tài)。10實(shí)用文檔（2）按風(fēng)洞的特殊用途 低湍流度風(fēng)洞 變密度風(fēng)洞 大氣邊界層風(fēng)洞 煙風(fēng)洞 汽車(chē)風(fēng)洞 橋梁風(fēng)洞 計(jì)量風(fēng)洞11實(shí)用文檔（3）其他分類 直流式和回流式（按風(fēng)洞外形） 連續(xù)式和暫沖式（按工作方式） 開(kāi)口和閉口（按實(shí)驗(yàn)段的構(gòu)造） 二元和三元（按實(shí)驗(yàn)段的截面） 二元風(fēng)洞：實(shí)驗(yàn)段截面是狹長(zhǎng)的矩形截面 一般風(fēng)洞均為三元風(fēng)洞12實(shí)用文檔 水平式風(fēng)洞和立式風(fēng)洞（按實(shí)驗(yàn)段氣流方向） 立式風(fēng)洞（垂直風(fēng)洞）：產(chǎn)生垂直向上氣流，模型重力平行于實(shí)驗(yàn)段軸線，除可進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還可進(jìn)行飛機(jī)尾旋性能測(cè)試、飛行器垂直運(yùn)動(dòng)特性、返回式衛(wèi)星及載人飛船回收過(guò)程中空氣動(dòng)力穩(wěn)定性測(cè)試等特殊

6、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，跳傘模擬訓(xùn)練 尾旋：飛機(jī)在持續(xù)的失速狀態(tài)下，一面旋轉(zhuǎn)一面急劇下降的現(xiàn)象。 我國(guó)已建成第一座大型立式風(fēng)洞，總高55m，實(shí)驗(yàn)段直徑5m，中心最大風(fēng)速可達(dá)50m/s。13實(shí)用文檔6.2 低速風(fēng)洞 低速風(fēng)洞可分為：直流式低速風(fēng)洞：構(gòu)造簡(jiǎn)單，占用空間較大回流式低速風(fēng)洞：氣流通過(guò)實(shí)驗(yàn)段后再通過(guò)管道循環(huán)一周回到實(shí)驗(yàn)段中，構(gòu)造復(fù)雜，所需空間較小 單回流式：最常用的型式 雙回流式：比較大型的風(fēng)洞 環(huán)形回流式：變密度風(fēng)洞，風(fēng)洞強(qiáng)度較高1.直流式風(fēng)洞14實(shí)用文檔直流式風(fēng)洞示意圖（閉口）靜流段 收縮段 實(shí)驗(yàn)段 擴(kuò)散段 動(dòng)力段氣流15實(shí)用文檔風(fēng)能利用（風(fēng)力發(fā)電）開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段16實(shí)用文檔 靜流段（整流段）：改善流

7、動(dòng)特性，使氣流平直、均勻 蜂窩器：將氣流中的大旋渦變成小旋渦并對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)向（與風(fēng)洞軸向一致）。 阻尼網(wǎng)：降低氣流湍流度，使氣流均勻。蜂窩器17實(shí)用文檔 收縮段：加速氣流，達(dá)到所需要的均勻氣流速度和湍流度。 收縮比n：收縮段進(jìn)口大截面與出口小截面的面積之比。 收縮比越大，收縮段出口氣流的速度分布越均勻，湍流度越低。能量損失大，造價(jià)也越高。 一般低速風(fēng)洞的收縮比為410。 低湍流度風(fēng)洞：采用大的收縮比。 光滑過(guò)渡的收縮曲線：維托辛斯曲線18實(shí)用文檔R1RR0 xx0維托辛斯曲線：19實(shí)用文檔 實(shí)驗(yàn)段：安裝模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工作段，氣流速度最大最均勻的一段（截面積最?。?，實(shí)驗(yàn)段的截面形狀有圓形、方形、

8、長(zhǎng)方形、八角形等。 開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段：模型安裝方便，觀測(cè)容易。氣流的能量損失大，氣流品質(zhì)較差。實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為11.5R0。 閉口實(shí)驗(yàn)段：裝有透明觀察窗，氣流均勻區(qū)域大，能量損失小。模型裝卸不方便。實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為22.5R0。 實(shí)驗(yàn)段的氣流特性是設(shè)計(jì)風(fēng)洞、評(píng)價(jià)風(fēng)洞性能的主要指標(biāo)之一。20實(shí)用文檔實(shí)驗(yàn)段氣流品質(zhì)的要求： 氣流穩(wěn)定性 風(fēng)速的相對(duì)變化來(lái)表示： 動(dòng)壓的相對(duì)變化來(lái)表示：21實(shí)用文檔 速度均勻性 截面上各點(diǎn)的氣流速度與該截面氣流平均速度的均方根偏差滿足： Vi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣流速度，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)， 或用動(dòng)壓的均方根偏差來(lái)表示：22實(shí)用文檔 方向均勻性 氣流的流動(dòng)方向與風(fēng)洞軸線的夾角不大于 湍流度要求 低

9、湍流度風(fēng)洞： 一般低速風(fēng)洞： 軸向靜壓梯度 由風(fēng)洞壁附面層沿氣流流動(dòng)方向發(fā)展，其厚度逐漸增加。開(kāi)口風(fēng)洞可不考慮。閉口風(fēng)洞可適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)段的截面積使其有一定的擴(kuò)散角（約為0.5），消除軸向靜壓梯度的影響。23實(shí)用文檔 擴(kuò)散段：將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽孛娣e逐漸擴(kuò)大，擴(kuò)散角一般7，擴(kuò)散角過(guò)大容易產(chǎn)生流動(dòng)分離，造成能量損失和氣流脈動(dòng)增大。收縮段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段24實(shí)用文檔 動(dòng)力段：通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的氣流速度，可用可控硅整流器提供直流電，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。風(fēng)扇25實(shí)用文檔 坐標(biāo)架：風(fēng)洞的配套設(shè)備，固定模型、測(cè)量探頭和模型支架等，采用高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二維或

10、三維移動(dòng)。 測(cè)量設(shè)備 測(cè)力：氣動(dòng)力天平，測(cè)量模型上所承受的力和力矩。測(cè)力實(shí)驗(yàn)得到的是流場(chǎng)的綜合結(jié)果，不能分析產(chǎn)生氣動(dòng)力的原因。 測(cè)壓：模型表面的壓力分布。 測(cè)速：二維或三維速度分布，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。26實(shí)用文檔2. 單回流式風(fēng)洞回流式風(fēng)洞示意圖（開(kāi)口）27實(shí)用文檔回流式風(fēng)洞（閉口）安定段收縮段實(shí)驗(yàn)段擴(kuò)散段拐角回流段拐角拐角拐角風(fēng)扇段28實(shí)用文檔低湍流度風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)1.7m，寬0.4m，高0.4m，最大風(fēng)速25m/s 29實(shí)用文檔 拐角：一般風(fēng)洞設(shè)計(jì)中氣流要通過(guò)四個(gè)90的拐角。氣流經(jīng)過(guò)拐角時(shí)容易發(fā)生流動(dòng)分離，產(chǎn)生旋渦，造成流動(dòng)不均勻和脈動(dòng)。能量損失大。 在拐角處需布置導(dǎo)流片，采用大彎度的翼型。 回流段

11、：作為氣流的回路，同時(shí)起擴(kuò)壓的作用，面積逐漸擴(kuò)大。 風(fēng)扇段：使通過(guò)風(fēng)扇的氣流恢復(fù)平直，風(fēng)扇后需裝置反扭導(dǎo)流片和整流罩等。30實(shí)用文檔6.3 煙風(fēng)洞 煙風(fēng)洞主要用于低速氣流中的流動(dòng)顯示，一般由風(fēng)洞本體、發(fā)煙器、風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)和照明裝置等組成。煙風(fēng)洞31實(shí)用文檔6.4 大氣邊界層風(fēng)洞直流式大氣邊界層風(fēng)洞前實(shí)驗(yàn)段后實(shí)驗(yàn)段32實(shí)用文檔大氣邊界層的模擬要求： 平均風(fēng)速剖面 指數(shù)形式：zr為參考高度，Ur為zr處的平均風(fēng)速，a為與地表粗糙程度有關(guān)的剖面指數(shù)。 湍流度分布：大氣邊界層的湍流度隨高度增加而逐漸減小 湍流功率譜 湍流積分尺度33實(shí)用文檔大氣邊界層的風(fēng)洞模擬： 不同地貌特征下的大氣邊界層 大氣邊界層模擬裝置 尖劈、粗糙元 、格柵、擋板等34實(shí)用文檔大氣邊界層的模擬裝置布置圖尖劈示意圖35實(shí)用文檔大氣邊界層平均風(fēng)速和湍流度分布剖面的模擬36實(shí)用文檔風(fēng)環(huán)境和污染擴(kuò)散37實(shí)用文檔高層建筑體育場(chǎng)會(huì)展中心各種建筑物的風(fēng)壓分布38實(shí)用文檔電視塔的氣動(dòng)特性39實(shí)用文檔同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸是寬15m、高2m、長(zhǎng)14m，其風(fēng)速范圍0.2-17.6m/s連續(xù)可調(diào)，是國(guó)內(nèi)最大的邊界層風(fēng)洞，居世界同類風(fēng)洞第二位，可以進(jìn)行跨度超過(guò)2000m的超大跨橋梁的全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)、大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載試驗(yàn)及環(huán)境、擴(kuò)散等試驗(yàn)40實(shí)用文檔6.5 汽車(chē)風(fēng)洞 汽車(chē)風(fēng)洞的主要作用： 優(yōu)化造