小型鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行氣動(dòng)特性測(cè)試風(fēng)洞設(shè)計(jì)及流場(chǎng)校測(cè)

榮 臻， 葉 耀

（浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，杭州310027）

0 引 言

風(fēng)洞一直是鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)特性的重要測(cè)試手段和數(shù)據(jù)來(lái)源，源于風(fēng)洞人工氣流內(nèi)允許在受控環(huán)境中對(duì)相對(duì)靜止的飛行生物進(jìn)行詳細(xì)觀察，例如開(kāi)展運(yùn)動(dòng)學(xué)三維實(shí)時(shí)測(cè)試、動(dòng)態(tài)流場(chǎng)可視化測(cè)量等研究，同時(shí)還可對(duì)已有的理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；另外在風(fēng)洞人工氣流中改變各種環(huán)境條件，諸如淋雨量和照射光強(qiáng)等，開(kāi)展鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)遷徙飛行過(guò)程中新陳代謝的演化特性［1］。目前，新建的風(fēng)洞還允許人工飼養(yǎng)飛行生物來(lái)研究與遷徙飛行相關(guān)生物特性，利用基于飛行的功率—速度關(guān)系的遷移理論以及飛行距離方程［2-3］，評(píng)估風(fēng)洞中鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)的飛行特性。此外，風(fēng)洞中還可以開(kāi)展鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)滑翔和爬升飛行期間的性能，以及大氣氣壓、濕度和湍流對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行的影響，包括對(duì)持續(xù)飛行期間飛行生物的能量消耗、食物消化成分、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化、水平衡等進(jìn)行研究［4］。

在過(guò)去將近50 年內(nèi)，眾多生物學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建造了各式各樣的用于研究鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行的風(fēng)洞［5］。Pennycuick［6］報(bào)道了最早研究生物飛行的風(fēng)洞。該風(fēng)洞為下吹式直流風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)段為開(kāi)放空間，雖然飛行生物方便放置，也有利于開(kāi)展測(cè)量，但風(fēng)洞氣流品質(zhì)較差。之后，Tucker 等［7］建造了目前常見(jiàn)的吸氣式直流風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)段為負(fù)壓且要密閉，不方便放置飛行生物。1994 年，Pennycuick 等［8］建成一個(gè)用于鳥(niǎo)類(lèi)飛行實(shí)驗(yàn)的回流式風(fēng)洞。風(fēng)洞氣流流速范圍0 ～38 m／s，氣流軸線可實(shí)現(xiàn)-8° ～8°傾斜。Gerson 等［9］建成一座專門(mén)用于飛行生物飛行性能研究的回流式風(fēng)洞，但受限于收縮比較低，氣流湍流度較高。近期，Ouinn等［10］也建成一座用于鳥(niǎo)類(lèi)和微型飛行器空氣動(dòng)力學(xué)研究，其獨(dú)特的特性在于可變湍流度。另外，現(xiàn)有的先進(jìn)風(fēng)洞通常會(huì)配備多臺(tái)用于拍攝記錄撲翼運(yùn)動(dòng)軌跡的高速攝影機(jī)和用于測(cè)量撲翼繞流空間以及尾流流場(chǎng)速度分布的粒子圖像測(cè)速（PIV），同時(shí)還會(huì)采用特殊儀器和測(cè)量技術(shù)來(lái)記錄飛行動(dòng)物的生理和形態(tài)特征［11］。

目前，國(guó)內(nèi)尚未有專門(mén)開(kāi)展仿生氣動(dòng)研究的小型風(fēng)洞的報(bào)道，尤其是具有改變來(lái)流傾斜角實(shí)現(xiàn)飛行生物飛行攻角狀態(tài)、人工制造淋雨和光強(qiáng)調(diào)節(jié)等多種功能的風(fēng)洞。該類(lèi)風(fēng)洞可大量開(kāi)展小型飛行生物或者微型飛行器氣動(dòng)特性研究、繞流空間流場(chǎng)特性、飛行運(yùn)動(dòng)學(xué)特性等；飛行生物遷徙飛行高度一般在1 km 左右，該飛行高度的氣流湍流度相較近地面要低很多，因此風(fēng)洞要采用低湍流度設(shè)計(jì)。低湍流度風(fēng)洞設(shè)計(jì)不僅要達(dá)到有關(guān)規(guī)范所提出的氣流穩(wěn)定性、均勻性、方向性指標(biāo)，還必須使實(shí)驗(yàn)段湍流度低于0.05%。

本文介紹浙江大學(xué)新建成的一座用于小型鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行及氣動(dòng)特性研究的小型低湍流度低速風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用了大收縮比回流式布局，穩(wěn)定段設(shè)置10 層阻尼網(wǎng)，利用激光多普勒測(cè)速儀（LDV）開(kāi)展流場(chǎng)品質(zhì)校測(cè)，來(lái)流15 m／s條件下，實(shí)驗(yàn)段中心區(qū)湍流度在開(kāi)口條件下低于0.05%；在模型區(qū)75%的橫向截面內(nèi)動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)≤0.5%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為開(kāi)展小型飛行生物遷徙過(guò)程中新陳代謝作用的規(guī)律及環(huán)境影響規(guī)律，以及小型飛行生物的高機(jī)動(dòng)高性能氣動(dòng)特性及流動(dòng)機(jī)理提供了研究基礎(chǔ)。

1 風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)及布局

1.1 總體設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求

小型鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)通常是訓(xùn)練或喂食飛行生物在沒(méi)有物理約束情況下在實(shí)驗(yàn)段飛行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相對(duì)靜止飛行也可采用懸吊或者支桿輔助支撐，不會(huì)像常見(jiàn)風(fēng)洞中將模型安裝在天平上進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還要具有：①飛行生物在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易于放置入實(shí)驗(yàn)段；②飛行生物無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或受控改變飛行攻角，要求氣流可改變傾斜角以實(shí)現(xiàn)攻角改變。常見(jiàn)的小型鳥(niǎo)類(lèi)蜂鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)蜻蜓，飛行速度一般15 m／s 左右，考慮到風(fēng)洞場(chǎng)地尺寸限制和低湍流度要求，該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)為0.27 m×0.27 m，風(fēng)速范圍0 ～20 m／s。借鑒已建成的低湍流度靜聲風(fēng)洞設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)洞選用了性能良好的蜂窩器、損失系數(shù)適當(dāng)?shù)?0 層阻尼網(wǎng)以及優(yōu)良的大收縮比（14.8）收縮段曲線等先進(jìn)的低湍流度設(shè)計(jì)［12］。

1.2 總體結(jié)構(gòu)組成

該風(fēng)洞為回流式布局，由穩(wěn)定段（含蜂窩器和10層阻尼網(wǎng)）、收縮段、試驗(yàn)段、第1 擴(kuò)散段、第1 拐角、第2 擴(kuò)散段、第2 拐角、過(guò)渡段、動(dòng)力段、第3 擴(kuò)散段、第3拐角、第4 拐角等部分組成，如圖1 所示。選用回流式開(kāi)／閉口兩用結(jié)構(gòu)形式。動(dòng)力系統(tǒng)包括變頻電動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇，測(cè)控系統(tǒng)包括測(cè)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)包括激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)和PIV 流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地大小，風(fēng)洞洞體設(shè)計(jì)總長(zhǎng)7.05 m，最大寬度1.36 m，最大高度3.07 m。實(shí)驗(yàn)段截面尺寸270 mm×270 mm，長(zhǎng)度754 mm。風(fēng)洞軸線傾斜角變化范圍在-8° ～6°。

圖1 風(fēng)洞示意圖

1.3 低湍流度設(shè)計(jì)

由于小型鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)在自然界飛行時(shí)翼翅或身體表面的邊界層都處于層流狀態(tài)，因此低湍流度設(shè)計(jì)指標(biāo)是該風(fēng)洞的一個(gè)主要特點(diǎn)。

低湍流設(shè)計(jì)很大程度取決于氣流的收縮比，即收縮段上游入口與收縮段下游出口面積；另外穩(wěn)定段入口的蜂窩器可過(guò)濾氣流中大脈動(dòng)漩渦結(jié)構(gòu)，之后氣流經(jīng)過(guò)多層阻尼網(wǎng)，還可將漩渦打散成更小的渦流。收縮比越大，穩(wěn)定段氣流速度越低，驅(qū)動(dòng)氣流經(jīng)過(guò)阻尼網(wǎng)所需功率會(huì)越小；而阻尼網(wǎng)層數(shù)布置越多氣流會(huì)越平滑。一般認(rèn)為［13］，收縮比為12 或＞12，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)段速度偏差的均方根（RMS）值低于來(lái)流的0.05%，也是湍流度低于0.05%。

2 風(fēng)洞部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力段

風(fēng)扇系統(tǒng)主要由風(fēng)扇段管道，風(fēng)扇，動(dòng)力機(jī)及其支架，預(yù)扭導(dǎo)流片及反扭導(dǎo)流片，整流罩等組成。風(fēng)扇設(shè)計(jì)的好壞對(duì)風(fēng)洞的效率和性能有決定性的影響。

為了降低噪聲并保證效率，實(shí)現(xiàn)氣流最大風(fēng)速20 m／s左右，動(dòng)力段采用大弦長(zhǎng)的風(fēng)扇槳葉，風(fēng)扇槳葉為6 片，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y100L-2，其最大轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，最大使用頻率為50 Hz，功率3 kW，風(fēng)量為10 200 m3／h，風(fēng)壓為510 Pa。

2.2 實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段有開(kāi)、閉口兩種測(cè)試方式，兩者的區(qū)別為開(kāi)口式在實(shí)驗(yàn)段出口要安裝收集器，而閉口式實(shí)驗(yàn)段由透明密閉玻璃組成，實(shí)驗(yàn)段出口處開(kāi)有調(diào)壓縫。開(kāi)口式實(shí)驗(yàn)段方便實(shí)驗(yàn)人員對(duì)在氣流中進(jìn)行訓(xùn)練的飛行生物進(jìn)行接觸和操作；閉口式實(shí)驗(yàn)段兩側(cè)開(kāi)設(shè)合葉門(mén)，最大氣流速度更大，湍流度較?。粸楸苊膺吔鐚映浞职l(fā)展而不發(fā)生分離，壁面擴(kuò)散角為0.5°。閉口實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，要求閉口段激光入射和相機(jī)拍攝的兩個(gè)面選用光學(xué)玻璃，而背景面需選用啞光黑色板面。

2.3 收縮段

收縮段的作用是加速氣流，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)段所需的速度。然而一座風(fēng)洞要真正達(dá)到好的流場(chǎng)品質(zhì)，收縮段應(yīng)滿足：①氣流沿收縮段流動(dòng)時(shí)，洞壁上不出現(xiàn)分離；②收縮段出口的氣流要求均勻、平直且穩(wěn)定；③收縮段不宜過(guò)長(zhǎng)。

在進(jìn)口和出口部分的壁型應(yīng)該變化緩慢，具有盡可能小的曲率。收縮曲線初步選取近年常用的雙三次方收縮曲線，公式為：

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，該風(fēng)洞收縮比選擇14.8，滿足低湍流度設(shè)計(jì)要求。

2.4 擴(kuò)壓段及拐角

該風(fēng)洞洞體有3 個(gè)擴(kuò)散段，將實(shí)驗(yàn)段氣流的動(dòng)能變成壓力能。由于風(fēng)洞損失與流速的三次方成比例，所以經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)段的氣流應(yīng)盡量降低速度，把動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能。但減速必然伴隨損失，即動(dòng)能不能全部轉(zhuǎn)化成壓力能。在沒(méi)有分離的情況下，氣流在擴(kuò)散段的損失主要是摩擦損失。氣流在經(jīng)過(guò)風(fēng)洞4 個(gè)拐角時(shí)其能量損失占風(fēng)洞總能量損失的40% ～60%。氣流經(jīng)過(guò)拐角時(shí)很容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多漩渦，因而使流動(dòng)不均勻或發(fā)生脈動(dòng)。因此在拐角處必須設(shè)置拐角導(dǎo)流片，目的是防止分離和改善流動(dòng)。

2.5 飛行生物保護(hù)裝置

為防止飛行生物在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中飛入穩(wěn)定段或擴(kuò)壓段，分別在實(shí)驗(yàn)段入口處縱向加裝多根高碳鋼琴絲和實(shí)驗(yàn)段出口處加裝安全網(wǎng)，保證實(shí)驗(yàn)測(cè)量可以順利開(kāi)展。

2.6 PIV示蹤粒子注入裝置

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）是風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中常用的空間流速定量測(cè)量技術(shù)，具備較高的空間流速測(cè)量精度和分辨率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)非接觸式流動(dòng)測(cè)量，對(duì)飛行生物飛行狀態(tài)不產(chǎn)生干擾。PIV測(cè)量需要在待測(cè)流場(chǎng)中布撒示蹤粒子，布撒濃度適中且均勻，PIV示蹤粒子注入方式非常重要。實(shí)驗(yàn)中在實(shí)驗(yàn)段出口中心位置處搭設(shè)一根粒子布撒管路［14］，管路徑向開(kāi)設(shè)噴煙口，粒子氣流在外部高壓氣流推注下與風(fēng)洞主氣流混合后在回流式風(fēng)洞管路中循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)PIV 示蹤粒子布撒。

3 流場(chǎng)校測(cè)

流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)風(fēng)洞性能和測(cè)試設(shè)備性能。每座風(fēng)洞建成后，必須進(jìn)行流場(chǎng)校測(cè)，實(shí)測(cè)出新風(fēng)洞的性能、流場(chǎng)品質(zhì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，檢驗(yàn)是否達(dá)到風(fēng)洞設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求，流速標(biāo)定、湍流度以及流場(chǎng)均勻性測(cè)量是流場(chǎng)校測(cè)重要內(nèi)容。

3.1 校測(cè)設(shè)備

流場(chǎng)校測(cè)選用美國(guó)MSE 公司的miniLDV 對(duì)瞬時(shí)流場(chǎng)單點(diǎn)流速進(jìn)行測(cè)量采集，如圖2 所示。激光多普勒測(cè)速儀中兩個(gè)相干激光束交叉（形成探針體積）以產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)粒子或微觀紋理表面穿過(guò)該區(qū)域時(shí)，它反射的光線對(duì)應(yīng)于其通過(guò)相長(zhǎng)干涉區(qū)域的光線。由于條紋之間的間隔是恒定的，因此粒子或表面的速度與反射的突發(fā)的頻率成比例。miniLDV傳感器的測(cè)量范圍為1 mm／s ～300 m／s，重復(fù)性不確定度為0.1%，精度為99.7%［15］。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中將LDV放置在三維移動(dòng)架上，在x、y、z 方向上位移調(diào)節(jié)范圍覆蓋實(shí)驗(yàn)段空間，移動(dòng)間距為0.1 mm；激光多普勒測(cè)速時(shí)需要流場(chǎng)有一定濃度的示蹤粒子，因此示蹤粒子布撒裝置發(fā)煙機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)段出口上端，如圖3 所示。

圖2 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)圖

圖3 流場(chǎng)校測(cè)系統(tǒng)布置圖

3.2 風(fēng)速標(biāo)定

新建風(fēng)洞風(fēng)速需要標(biāo)定，也就是獲得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與氣流速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。流場(chǎng)校測(cè)首先利用激光多普勒測(cè)速儀對(duì)實(shí)驗(yàn)段軸線中心位置處氣流流速進(jìn)行采集，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速獲得實(shí)驗(yàn)段氣流流速并做記錄。如圖4 所示。風(fēng)速與電動(dòng)機(jī)頻率線性關(guān)系良好，電機(jī)最大頻率是最大風(fēng)速可達(dá)22.5 m／s。

圖4 風(fēng)速v與電動(dòng)機(jī)頻率f對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 湍流度測(cè)試

湍流度是度量風(fēng)洞氣流速度脈動(dòng)程度的參數(shù)，通常用脈動(dòng)速度均方和與時(shí)均速度之比來(lái)表示，湍流度的表達(dá)式為

式中：n為測(cè)量點(diǎn)數(shù)；vi為第i點(diǎn)的速度，m／s；ˉv為氣流平均速度，m／s。

利用激光多普勒測(cè)速儀開(kāi)展來(lái)流風(fēng)速為v ＝5，10，15，20 m／s下距離實(shí)驗(yàn)段入口x ＝377 mm處，也就是實(shí)驗(yàn)段軸線中點(diǎn)處湍流度測(cè)量，結(jié)果如圖5 所示，v＝15 m／s湍流度為0.05%，達(dá)到風(fēng)洞設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.4 流場(chǎng)均勻性

流場(chǎng)均勻性是風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，任何一座風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流速度的大小和方向一般都不是完全均勻的，均勻性越好的試驗(yàn)段流場(chǎng)，越能更好地模擬飛行生物飛行時(shí)的真實(shí)流場(chǎng)。測(cè)試中用μi表示來(lái)流均勻性：

式中：i為測(cè)量點(diǎn)數(shù)；μi為動(dòng)壓穩(wěn)定系數(shù)；q為動(dòng)壓。

將激光多普勒探頭放置在三維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)架上，如圖3 所示。測(cè)量試驗(yàn)段3 個(gè)截面，第1 個(gè)截面距實(shí)驗(yàn)段入口188.5 mm，第2 截面距實(shí)驗(yàn)段入口377 mm，第3 個(gè)截面距實(shí)驗(yàn)段入口565.5 mm。y向位置測(cè)量9 個(gè)點(diǎn)，z向設(shè)置9 個(gè)點(diǎn)。來(lái)流風(fēng)速15 m／s 狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)段x ＝377 mm截面動(dòng)壓場(chǎng)分布，如圖6 所示，可以看到在該截面75%的區(qū)域內(nèi)，動(dòng)壓穩(wěn)定系數(shù)均小于0.005。

圖5 湍流度測(cè)量結(jié)果

圖6 測(cè)量點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

小型鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行氣動(dòng)特性測(cè)試風(fēng)洞建成后可開(kāi)展小型鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)起飛、降落、爬升及俯沖等狀態(tài)下氣動(dòng)及運(yùn)動(dòng)特性以及流場(chǎng)可視化測(cè)量。①經(jīng)過(guò)流場(chǎng)校測(cè)，風(fēng)洞氣流流速范圍為0 ～20 m／s；②在風(fēng)速15 m／s下，湍流度在0.05%左右，達(dá)到低湍流度設(shè)計(jì)；x ＝377 mm截面75%的流場(chǎng)均勻性低于0.5%。