實(shí)驗(yàn)用低速直流風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與研究

遙路　李華　劉沛清

摘 要 文章介紹了一種具有推廣及借鑒價(jià)值的實(shí)用低速直流風(fēng)洞的洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及模擬實(shí)驗(yàn)中性能參數(shù)的直接測(cè)定和間接計(jì)算方法。此低速直流微型風(fēng)洞可用于完成飛行器氣動(dòng)升力和阻力的測(cè)量。采取的設(shè)計(jì)、加工與制造方法對(duì)低速風(fēng)洞及其實(shí)驗(yàn)的推廣使用，具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞 低速風(fēng)洞 空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 升力系數(shù)測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：V211.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.02.066

Design and Research of Low-speed Wind Tunnel Experiments

YAO Lu[1]， LI Hua[1]， LIU Peiqing[2]

（[1].School of Physics and Nuclear Energy Engineering，

Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191;

[2]School of Aeronautic Science and Engineering，

Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191）

Abstract The structure design of blow down wind tunnel is introduced， and the dire t and indirect methods for determining the performance parameters in simulation experiment are presented. The practical low-speed blow down wind tunnel can be used to the measurement of lift and resistance of air vehicle. The design has the practical significance to develop the usage of low speed air tunnel.

Key words low-speed wind tunnel; Aerodynamic experiment; measurement of lift coefficient

0 引言

風(fēng)洞是一種專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的產(chǎn)生可控氣流的空氣實(shí)驗(yàn)裝置。建造風(fēng)洞的目的是要在風(fēng)洞試驗(yàn)段獲得均勻的、可以控制的試驗(yàn)氣流，來(lái)滿足模型氣動(dòng)力試驗(yàn)的需求。①空氣動(dòng)力學(xué)是發(fā)展航空技術(shù)以及其他工業(yè)技術(shù)的一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)。由于氣體流動(dòng)現(xiàn)象以及物體（如飛行器）幾何外形的復(fù)雜性和無(wú)規(guī)律性，空氣動(dòng)力學(xué)研究和飛行器動(dòng)力設(shè)計(jì)中的許多問(wèn)題都不可能單純依靠理論或解析方法得到解決，而必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，找出其規(guī)律或提供數(shù)據(jù)，并同理論分析相結(jié)合，才能解決問(wèn)題。②

我國(guó)目前所使用的風(fēng)洞多數(shù)為修建費(fèi)用昂貴的較大型風(fēng)洞，難以廣泛應(yīng)用。根據(jù)高校和一般科研單位的實(shí)際情況和應(yīng)用特點(diǎn)，研制出了一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的低速小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置。③它可滿足各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)和一般科研工作的需要。此風(fēng)洞的研制對(duì)小型實(shí)用風(fēng)洞的推廣應(yīng)用具有實(shí)際意義。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

低速風(fēng)洞按其結(jié)構(gòu)劃分為直流式和回流式兩種基本形式。根據(jù)對(duì)流場(chǎng)的要求和使用條件，將風(fēng)洞設(shè)計(jì)為占地小、投資少，且適合室內(nèi)使用的直流式風(fēng)洞，風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 風(fēng)洞的斷面形狀

綜合各種因素及制造條件和技術(shù)要求，將風(fēng)洞的穩(wěn)定斷面設(shè)計(jì)為圓形，并設(shè)計(jì)成開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段，以便于實(shí)驗(yàn)器材的安裝以及實(shí)驗(yàn)工程的觀察，風(fēng)洞各段尺寸見(jiàn)圖1。

1.2 蜂窩器及阻尼網(wǎng)的設(shè)計(jì)與制造

蜂窩器對(duì)氣流起導(dǎo)向作用，減小氣流偏角，降低氣流的橫向湍流度。④阻尼網(wǎng)可降低氣流的湍流度特別是軸向湍流度。本風(fēng)洞采用小孔徑的蜂窩器，2層紗網(wǎng)，蜂窩器及其紗網(wǎng)采用不銹鋼。

2 洞體

2.1 動(dòng)力段

動(dòng)力段是安裝驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的一段洞體，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇驅(qū)使風(fēng)洞內(nèi)的氣體流動(dòng)，建立起試驗(yàn)段中穩(wěn)定的流場(chǎng)。⑤采用旋轉(zhuǎn)槳葉和反扭導(dǎo)流片系統(tǒng)，電機(jī)位于整流罩內(nèi)。動(dòng)力段設(shè)計(jì)為直徑 = 500mm，長(zhǎng)度878mm。動(dòng)槳葉12片，導(dǎo)流片7片。槳轂直徑325mm，槳轂比0.65，頭罩采用圓球形，直徑325mm，固接與槳轂上，與槳轂一起旋轉(zhuǎn)。尾罩采用錐體結(jié)構(gòu)，尾錐內(nèi)布置電機(jī)。電機(jī)為兩級(jí)交流變頻電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，額定功率2.2kW。在實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速50m/s下，風(fēng)扇設(shè)計(jì)流量1.571m3/s，設(shè)計(jì)增壓980Pa。

2.2 第一收縮段

第一收縮段位于動(dòng)力段和穩(wěn)定段之間，第一收縮段使動(dòng)力段的氣流均勻地加速后進(jìn)入穩(wěn)定段。⑥第一收縮段長(zhǎng)度為395mm，進(jìn)口直徑500mm，出口直徑400mm，收縮比 = 1.5625。收縮段采用5次曲線設(shè)計(jì)。⑦

= ?= ?= ?= 1.5625 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

以進(jìn)口端斷面中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以縱軸為軸，橫軸為軸，收縮段長(zhǎng)度為，則5次冪收縮曲線為

= ?+ ?+ ?+ ?+ ?+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

= （）（ + ?+ ） + ? ? ? （4）

2.3 穩(wěn)定段

穩(wěn)定段的作用在于使紊亂不均的氣流有足夠時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)，提高氣流的方向和速度的均勻性。穩(wěn)定段直徑400mm，長(zhǎng)度210mm，在前端布置蜂窩器和雙層阻尼網(wǎng)。

2.4 第二收縮段

第二收縮段位于穩(wěn)定段和開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段之間，第二收縮段位于穩(wěn)定段和開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段之間，使穩(wěn)定段的氣流均勻地加速后進(jìn)入開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段。⑧長(zhǎng)度260mm，進(jìn)口直徑400mm，出口直徑200mm，收縮比 = 4。收縮段采用5次曲線設(shè)計(jì)。

= ? = ?= ?= 4 ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

以進(jìn)口端斷面中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以縱軸為軸，橫軸為軸，收縮段長(zhǎng)度為，則5次冪收縮曲線為

= ?+ ?+ ?+ ?+ ?+

= （）（ + ?+ ） + ? ? ? ? ? ? ?（6）

2.5 開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段

與閉口實(shí)驗(yàn)段相比，開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段具有模型安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。⑨開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段的直徑為200mm，長(zhǎng)度300mm。其中，上游斷面直徑200mm，下游斷面直徑210mm。

2.6 集氣口段

集氣口段布置在開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段之后，集氣口唇外形采用1/4圓弧，半徑10mm，集氣口末端直徑210mm。

2.7 下游擴(kuò)散段

擴(kuò)散段的作用在于使來(lái)自實(shí)驗(yàn)段的氣流逐步減速，進(jìn)口直徑210mm，出口直徑224mm，長(zhǎng)度200mm，擴(kuò)散角2。

2.8 拐角段

為了減少噪聲和室內(nèi)氣流場(chǎng)干擾，在擴(kuò)散段末端設(shè)置拐角段，使氣流垂直向上排出，拐角半徑40mm，進(jìn)口直徑224mm，出口直徑260mm。

3 風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1 總體性能參數(shù)（表1）

表1 風(fēng)扇系統(tǒng)總體參數(shù)表

根據(jù)風(fēng)洞性能計(jì)算，設(shè)計(jì)工況?。涸囼?yàn)段風(fēng)速30m/s，風(fēng)扇設(shè)計(jì)流量為 = 50？.14159？.22/4 = 1.571m3/s，設(shè)計(jì)增壓為= 980Pa。采用槳葉加反扭導(dǎo)流片組成的低噪聲軸流風(fēng)扇系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用任意環(huán)量理論（ = 0.85），槳扇技術(shù)修正技術(shù)。槳葉翼型采用低雷諾數(shù)、高升力、失速性能良好的翼型，在葉根區(qū)選用GOE797翼型（相對(duì)厚度16%），在葉梢區(qū)選用GOE796翼型（相對(duì)厚度12%）。設(shè)計(jì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速參照下列計(jì)算結(jié)果給出。

（7）

設(shè)計(jì)取 = 2700rpm，槳尖周向速度65m/s。

考慮到電機(jī)位于風(fēng)扇整流罩內(nèi)（電機(jī)直徑260mm，長(zhǎng)度410mm），風(fēng)扇直徑 = 500mm，槳轂比取0.65，輪轂直徑 = 325mm，槳葉展長(zhǎng)88mm，風(fēng)扇槳葉數(shù)目12（葉根區(qū)GOE797翼型，葉梢區(qū)GOE796翼型），反扭導(dǎo)流片數(shù)目7（C4翼型），風(fēng)扇頭罩與輪轂直聯(lián)，風(fēng)扇的頭罩長(zhǎng)度163mm，尾罩長(zhǎng)度860mm，尾罩當(dāng)量擴(kuò)散角80，柱身段長(zhǎng)度200mm，風(fēng)扇系統(tǒng)總長(zhǎng)度928mm，風(fēng)扇葉片弦長(zhǎng)104～149mm，反扭導(dǎo)流片弦長(zhǎng)230～256mm。風(fēng)扇設(shè)計(jì)工況，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速50m/s，流量1.571m3/s，壓力增升 = 980Pa，風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2700rpm，對(duì)應(yīng)槳尖線速度65m/s，略大于低噪聲風(fēng)扇槳尖速度60m/s的限制，實(shí)驗(yàn)段穩(wěn)定風(fēng)速2～50m/s，穩(wěn)定段最大速度12.5m/s。風(fēng)扇系統(tǒng)效率86.0%（其中，槳葉損失11.5%，反扭導(dǎo)流片損失1.1%，尾罩?jǐn)U散損失1.4%），風(fēng)扇系統(tǒng)推力96N，扭矩6.3N.m，輸出功率1.8kW。⑩

圖2 風(fēng)扇系統(tǒng)布置

3.2 風(fēng)扇槳葉氣動(dòng)數(shù)據(jù)和幾何尺寸

槳葉數(shù)目12，槳葉直徑 = 500mm。槳葉剖面采用Goe796翼型和Goe797翼型。相對(duì)厚度ct，在槳根處取16%，在槳尖處取12%，槳根和槳尖之間按直線平滑過(guò)渡。槳葉剖面的平面形狀為梯形，梯形底邊比（槳尖弦長(zhǎng)與槳根弦長(zhǎng)之）取0.7。設(shè)計(jì)時(shí)，沿徑向共取了8個(gè)斷面，半徑比從0.65～1.0，斷面間距0.05。

反應(yīng)度是風(fēng)扇重要的特性參數(shù)。按照定義，反應(yīng)度表示槳葉葉柵中增加的理論靜壓槳葉葉柵傳給氣流的理論全壓 之比，用 表示。即

= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

反應(yīng)度的大小表征了氣流在槳葉中獲得的靜壓值的大小。 越大，說(shuō)明氣流在槳葉中獲得的靜壓越大，而在槳葉出口的動(dòng)能則小，對(duì)提高效率是有利的。根據(jù)歐拉方程，可得

= ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

不同槳葉和導(dǎo)流片布置方式，反應(yīng)度是不一樣的。對(duì)于槳葉和反扭導(dǎo)流片布置系統(tǒng)，氣流從軸向進(jìn)入槳葉，由槳葉流出的氣流絕對(duì)速度尚有一定的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)反扭導(dǎo)流片擴(kuò)壓整流后，氣流沿軸向流出，其反應(yīng)度小于1，一般= 0.75～0.93左右。這種布置形式主要適用于增壓較高的風(fēng)扇系統(tǒng)，其效率可達(dá)82%～88%?，F(xiàn)由表2給出不同剖面反應(yīng)度的計(jì)算結(jié)果。圖3給出各位置翼型剖面曲線。

圖3 不同展向位置槳葉剖面

表2 風(fēng)扇槳葉不同剖面的反應(yīng)度

3.3 風(fēng)扇整流罩幾何尺寸

風(fēng)扇整流罩的頭罩和尾罩組成一流線型旋成體。旋成體最大直徑，總長(zhǎng)度為，則

= ?+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

其中，頭罩長(zhǎng)度為

= 0.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

尾罩長(zhǎng)度為

= 0.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

頭罩（0≤≤0.4）的母線方程為

+ 0.16 = 0.16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

尾罩（0.4≤≤1.0）的母線方程為

+ 0.0679 + 0.2921 = 0.36 ? ? ? ? （14）

其中， = /2 = 162.5mm， = 1023mm， = 163mm， = 860mm。頭罩為半徑16mm的半球型。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)定與計(jì)算

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的取得方法應(yīng)在現(xiàn)有條件和使用要求下設(shè)計(jì)和使用，一方面應(yīng)考慮使用儀器盡量簡(jiǎn)單，測(cè)量容易;另一方面要使測(cè)量精度滿足要求，且重復(fù)性好，穩(wěn)定可靠。

4.1 風(fēng)速的測(cè)定

此風(fēng)洞的風(fēng)速測(cè)定是利用畢托管動(dòng)能與壓能轉(zhuǎn)換測(cè)流速原理設(shè)計(jì)而成，如圖4所示。這種方法制作簡(jiǎn)單，安裝方便，測(cè)量容易，且可得到較大的測(cè)量精度。 風(fēng)速可用下式計(jì)算：

= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

式中：為流速系數(shù)（ = 0.97～0.99）;為空氣重度;為管中液體重度; 為液面高度差。

圖4 風(fēng)速的測(cè)量原理

4.2 升力的測(cè)量

根據(jù)使用條件及現(xiàn)有設(shè)備情況，采用壓力差法測(cè)量實(shí)驗(yàn)段飛機(jī)模型的升力曲線。測(cè)力實(shí)驗(yàn)采用腹部支架，模型通過(guò)腹部支架連接到底座上。為了在實(shí)驗(yàn)中能夠改變模型的仰角，采用串列式雙支桿支撐在模型下方。主支桿處在試驗(yàn)段中心，模型與主支桿通過(guò)主接頭相連，尾支桿通過(guò)尾接頭與模型相連。模型的仰角通過(guò)底座上的齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)尾支桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。底座上的齒輪同時(shí)帶動(dòng)底座一側(cè)的指針來(lái)顯示模型仰角（如圖5）。

圖5 實(shí)驗(yàn)段模型底座及其仰角機(jī)構(gòu)示意圖

將飛機(jī)模型及其底座整體置于應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器上，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)在豎直方向上只受到傳感器的支撐力、重力和升力的作用，通過(guò)傳感器輸出示數(shù)的變化便可以測(cè)量出模型所受到了升力大小。這樣便可以得到升力在不同仰角和不同風(fēng)速下的變化曲線（如圖6）。

圖6 在不同仰角下升力隨風(fēng)速變化曲線

圖7 在25m/s風(fēng)速下的升力系數(shù)曲線

利用風(fēng)速、升力、空氣密度等參數(shù)，便可以繪出升力系數(shù)曲線（如圖7）。

5 結(jié)論

在航空航天、橋梁建筑、汽車(chē)等工業(yè)中，空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究有著不可替代的重要作用，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是其中的重要手段。此低速直流微型風(fēng)洞可用于完成飛行器氣動(dòng)升力和阻力的測(cè)量。對(duì)科研院所和高校的教學(xué)應(yīng)用和科學(xué)研究有著現(xiàn)實(shí)意義。

通訊作者： 李華

注釋

① 伍榮林，王振羽.風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理[M].北京航空學(xué)院出版社，1985.

② 惲起麟.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2000：22-27.

③ 惲起麟.實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1991：21-25.

④ 劉政崇.風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].中國(guó)宇航出版社，2005：44-47.

⑤ 高低速風(fēng)洞氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2003：35-38.

⑥ 王文奎，石柏軍.低速風(fēng)洞洞體設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2008.36（5）：93-95.

⑦ 艾倫，波普，約翰，等.低速風(fēng)洞試驗(yàn)[J].國(guó)防工業(yè)出版社，1977.1（977.5）：37-45.

⑧ 彭錫銘，嚴(yán)俊仁.低速風(fēng)洞試驗(yàn)[J].1978：22-25.

⑨ 戰(zhàn)培國(guó)，趙昕.風(fēng)洞發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2010.4：003.

⑩ 范潔川.低速增壓風(fēng)洞可行性研究報(bào)告[R].力研究院，1998.

王麗瑛，王琪.實(shí)用直流式低速風(fēng)洞的研究[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007.24（2）：55-57.