风洞概论及设计

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1、流体力学试验技术课程设计班 级： 0109108学 号：指导教师：南京航空航天大学空气动力学系2012 年 12 月目的要求综合运用所学课程知识，完成简化了的低速风洞气动外型概念设 计，达到培养和提高独立完成设计工作的能力。 二、完成设计任务的条件1)风洞试验段要求：闭口2)实验段进口截面形状：矩形3)实验段进口截面尺寸：2.5mX3.0m4)试验段进口截面最大风速： 100m/s5)收缩段的收缩比： 7完成的任务1)低速风洞设计图纸绘制2)设计说明书3)风洞设计、研制与实验技术研究方面的综述报告四、完成时间2012 年 12 月 24 日2013 年 1 月 4 日五、参考文献风洞设计原理、

2、低速风洞实验：查找风洞实验技术相关文献资 料。指导老师：史志伟一、实验段 为了使模型处于实验段的均匀流场之中，模型头部至实验段入 口应保持一定的距离，以1表示。1的大小视实验段入口流场11的均匀程度而定。如实验段直径为D，则1大致为0.250.50D。0 1 0 因为后面我们会采用较多层的紊流网，故此处不用取得太大， 选择 1 = 0.35D。10 模型的长度为12表示，大约在 0.751.25D 之间，各类飞机的20模型是不相同的。为了使风洞尽量满足一洞多用，取12足够长 选择1 = 1.25D。20 模型尾部至扩压段进口也应保持一定距离，以13表示，一方 面是保证模型的尾流不过多影响扩压段

3、的工作效率，另一方面 也不使扩压段的流动影响模型尾部。这个距离大约为 0.751.25 D。选择 1 二 0.8D030 所以L = 1 + 1 + 1 = 2.4D = 6.55m，满足统计数据中，1230主要实验低速飞机L = 2.0 2.5D的情况。其中D为水力直 00径。D = 4S0 C 由于本组的风洞实验段截面为矩形形状，而对于矩形实验段， 可以采用的一种解决附面层影响的方法就是沿轴线逐渐减小切 面的截角。此处我们参考NH-2风洞模型。这样做使位流截面保 持不变，可以消除纵向静压梯度。、收缩段 任务要求收缩比为 7（即进口面积与出口面积之比） 收缩段长度一般可采用进口直径的 0.5

4、1.0 倍。因为收缩比越 大，长度与进口直径的比值越小。这样能减短扩压段长度，减 少资金耗费。因为收缩比为7 较大，选择收缩段长度为0.6 倍 进口直径L 二 0.6 x 7 x D 沁 4.3m0 收缩段的在接近出口部分曲线应该比较平缓，以利于稳定气流 进口处的曲线应与稳定段保持连续。因为任务要求为矩形，选 择在收缩段四角做成圆弧，防止气流分离。其收缩曲线方程如下：3x2a2X2、2IR：丿a2丿稳定段 对于小收缩比的风洞，如收缩比小于 5，稳定段长度为直径的 1.01.5 倍；对于大收缩比风洞，如收缩比大于5，则长度为直 径的 0.51.0 倍。稳定段长度引起的损失只占风洞总损失很小的 一

5、部分，所以经常使稳定段长度长一些，用以协调动力段和回 流段的长度要求。又因为目前收缩比较大的风洞一般为 710， 参考大收缩比风洞稳定段长度，综合选定其长度为直径的 0.8 倍。L 二 0.8 x 7 x D 沁 5.8m 蜂窝器的选择：兼顾经济性和损失系数采用方形格子，因为其加工方便，最 为常见。L jM = 5 10; M = 5 30cm。 L、M 分别为蜂窝 器的蜂窝长度和口径。长度L越大，整流效果越好，但损失增 加。 M 值越小，蜂窝器对降低紊流度的效果越显著。这里选择 L/M = 6。因为风洞不小，所以尽量使L长一些，同时又要 兼顾不能使得M过大，所以取M = 15cm、L = 9

6、0cm。当L/M = 6时，圆形蜂窝格子的损失系数为0.30；方形 蜂窝格子的损失系数为0.22；六角形蜂窝格子的损失系数为0.20. 可见虽然六角形蜂窝格子最好，但施工较为复杂。因方形蜂窝 格子与其损失系数相近而又加工方便，选用方形格子。 紊流网的选择： 现有风洞的情况是网的层数为111层，最常见为23层； 网的粗细为1860目/英寸，最常用的是2430目/英寸。参考书低速风洞设计表 2-3，可知随着层数的增加， 脉动速度与实验段速度之比逐渐降低了。综合考虑工序和整流 效果，选择紊流网为 4 层。因为网越细，整流效果越好，选择网的粗细为30目/英寸。 考虑到安装要求及每一层网后应有一段距离衰

7、减旋窝，相 邻两层之间距离应相距25 厘米。四、其他部件设计 调压孔 / 调压缝为了使实验段的静压等于风洞外的环境压力，常在实验段 与扩压段之间开一个调压缝，或在扩压段进口处开一排调压孔。 这里我们采用调压缝，其宽度约为实验段直径的5%上下。L = 0.05 x D0140mm。并且，设计成可调节形式，风洞建成后通过实验调整再确定。 扩压段：入口面积D出口面积d2。综合考虑整个风洞的设计长JL乙度，取D/D2 = 1/15。因为设计任务为中型风洞在0.006a / X左右。在tan2 =48的情况下，其最佳扩散角为4。 5。，但从综合角度考虑，这个幅值小一些，宜采用6。左右。所以我们取a二3。

8、2因为实验段为矩形截面，而我们设计的扩压段及后面的拐 角 1、2和回流段都为圆形的。所以这里，我们需要采用一个过 渡段，使矩形截面过渡为圆形。通过D /D = 11.5和-二3。我们可以求得扩压段的长度1 2 2L沁14m，因为采用过渡段，其长度要能使其能够加工，也不能 过长，所以选择为6米，扩压段有部分包含在过渡段中。 回流段：我们设计的在风扇系统后至第三拐角的回流段仍采用扩张管道，因而也为扩压段。采用扩压段的原因为：一是为了继续把动能转变为压力能，减小气流损失，尤其是经过拐角和整流装置的损失；二是增加管道面积，以得到比较大的收缩比。回流段的平均速度已经比较低了，因而损失不会大，为了缩短风

9、洞的总长度采用较大的扩散角，a = 8 9。与扩压段相同，回流段中还需要设置一个过渡段让圆形截 面再过渡到矩形截面，这里其长度取为8 米。 拐角及导流片：气流经过拐角时很容易发生分离，出现很多旋窝，因而使 流动不均匀或发生脉动。因而在拐角处设置拐角导流片，防止 分离和改善流动。这里，为单回流风洞，在拐角处每排导流片数量一般为 1020个，但为了使导流效果明显，选择24个导流片增强效果。 导流片的弦长为C，间距为D1。参考低速风洞设计表2-2 D1 = 0.4各种导流片的性能，采用最佳间距比，其损失系数为 0.11，并采用翼剖面型。虽然翼剖面型加工困难，但强度好。 同时这种导流片有一定厚度，内部

10、可以通过冷却液，大中型风 洞拐角处一般都采用翼剖面型。拐角处圆弧半径按D = 0.1来计算，另外导流片的弦长取D，同时由于C0.4，可以求得为 24 个导流片。因为此次设计的为低速风洞，拐角1、2和拐角3、4 的风速都比较 小，虽然损失系数随导流片增多而增加，也不会太大。所以不 需要取拐角 1、2 的导流片布置的比拐角3、4 的稀。 五、风扇设计在风洞管道中，风扇系统应位于流速比较高而且流动又比较 均匀的部位。我们设计的为回路风洞，将风扇安装在第二拐角之后。因为， 此处直径不是很大，因而流速比较高。同时，因为经过了第二个 拐角导流片，所以气流也比较均匀。还能满足有足够的长度来安 装风扇整流系统

11、。风扇管道长度因尾罩具有相当的长度而一般比较长，其长度一般为直径的2.5 倍或者更长一些。我们这里选择L = 2.5D 沁 10m六、能量比能量比定义为：实验段气流的动能流率（即单位时间通过的动能）与通过动力系统输入风洞的功率之比。一 Re = PVD = VD注明：在求雷诺数时，米用公式Re 厂丁，其中v = 1.4607 x 10-5m2 / s 实验段损失：对实验段来说，损失系数就是当量损失系数。因而有K二九D-，其中d为水力直径。0D00可以求得实验段的雷诺数Re = = 1.87 x 107此时，雷诺数比较小，因而附面层比较厚，实验段可以认为是光滑管，摩擦损失系数九仅与雷诺数有关，而

12、与粗糙度无关。通过公式求得：九二 0.0032 + 0.221 Re-0.237 = 0.00738所以，可以求得K =九 L = 0.00738 x 6.55 / 2.73 = 0.0177 0 D0 扩压段损失：气流经过扩压段的损失公式为：(九a平均 + 0.6 tan 一Q . a28 tan 一I 21-由于损失系数K的参考动压为扩压段入口的值，即为实验段动压，所以有(九a平均 + 0.6 tan 一 殳十 a28 tan I 21-(D1匚其中入平均根据扩压段中间剖面上的雷诺数求得。扩压段 中间剖面的速度为：(2 73 =100 x _J= 64m / sI 3.4 丿所以Re =p

13、vD=1.495 x 107九二 0.0032 + 0.221 Re-0.237 = 0.0076+ 0.6 tan 巴2= 0.0398进而求得平均c a8 tan 一2 回流段损失：回流段也有扩散角，实际上也是一个扩压段，所以其损失系数的计算公式为：a+ 0.6 tan - a28 tan 一2平均1-(F= 0.02346 拐角损失：因为这里设计的风洞并非大型风洞，采用经验公式近似计算，公式为：(0.10、+4.55Gg Re.58丿2，其中 F 为拐角时风洞截面积第一、二拐角速度为 v = v1(D1匚100 x(2.73 丫1 4.1 丿= 44.4m / s所以Re =pvD1.7

14、54 x 106(、z、4.55( F )2K =0.10 +t一 亠=0.027590kLg Re尢58 1F 丿丿第三、四拐角(D 速度为 v所以 ReK0二 44.4 x( 1Y17.2 丿BID = 0.100 x 106(0.10 +4.55Gg Re丄5814.4m / s=0.0035 蜂窝器损失：因为我们选用的蜂窝器长径比为L.M = 6 ,所以对应的方形蜂窝格子的损失系数k二0.22。其当量损失系数：（f K0 = K世，其中f为稳定段截面 0 I卜丿所以 K 二 0.004490 紊流网损失：我们可以求得稳定段的速度：(D 2二 44.4 x 17.2 丿14.4m / s因为其速度大于 9 米/秒，气流流经紊流网的损失可以1 _ R(d、2按K