風(fēng)洞的分類

1、風(fēng)洞的組成

       風(fēng)洞主要由洞身、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。每個(gè)部件的形式因風(fēng)洞的類型而異。實(shí)驗(yàn)部分，用于測(cè)量和觀察模型；實(shí)驗(yàn)段的上游，有噴管將氣流加速到所需的速度（噴管是連續(xù)加速氣流的管道）和穩(wěn)定段（穩(wěn)定段可以提高氣流的平直度和減少湍流）；實(shí)驗(yàn)段的下游，有一個(gè)擴(kuò)散器，用于降低流速和殘余速度損失，還有一個(gè)排氣段，用于將風(fēng)洞外的氣流或回流段引導(dǎo)至風(fēng)洞入口。

       風(fēng)洞出口氣流能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求離不開噴管。亞音速風(fēng)洞與超音速風(fēng)洞所使用的噴管并不相同，根據(jù)下式不難看出：

（1）

       其中是v速度，Ma為馬赫數(shù)，為噴管截面的截面積?？梢钥闯?，對(duì)于亞音速（Ma< 1）與成反比，所以要是氣流速度增加，噴管的截面積必須減小，亞音速噴管的示意圖如下圖1所示。對(duì)于超音速噴管由于要將氣流從亞音速加速到超音速，所以超音速噴管一定是先收縮后擴(kuò)張，超音速噴管的示意圖如下圖2所示。

風(fēng)洞試驗(yàn)的種類與類型

       風(fēng)洞主要的劃分類型是根據(jù)風(fēng)洞出口速度范圍進(jìn)行分類。這是因?yàn)轱L(fēng)洞不同的速度區(qū)域決定了它們不同的工作原理、類型、結(jié)構(gòu)和尺寸；然而，飛機(jī)在不同速度下的氣動(dòng)特性是不同的，相應(yīng)的風(fēng)洞只能提供相應(yīng)速度范圍內(nèi)的氣流條件。所以風(fēng)洞分為以下幾類：按實(shí)驗(yàn)段氣流速度大小來區(qū)分，可以分為低速、高速和高超聲速風(fēng)洞。

風(fēng)洞試驗(yàn)的種類與類型

       風(fēng)洞主要用于航空航天技術(shù)。隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞在其他行業(yè)的應(yīng)用越來越多，其類型可以歸納為四種類型：

（1）空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)性研究

       風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以研究空氣動(dòng)力學(xué)的基本流動(dòng)規(guī)律。如不同形狀物體的繞流問題、物體表面邊界層的發(fā)展、湍流的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)規(guī)律、物體表面的空氣分離、尾跡、激波與邊界層的相互作用等。

（Figure 3機(jī)翼流油實(shí)驗(yàn)示意圖）

（2）為飛行器設(shè)計(jì)提供新的布局技術(shù)

       為飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了一種新的零件造型或布局技術(shù)，通常需要一系列的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。一般來說，我們需要從實(shí)驗(yàn)中獲取大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理歸納后提供給設(shè)計(jì)者。例如，各種飛機(jī)機(jī)翼的氣動(dòng)特性；機(jī)翼與機(jī)身的相互位置和干擾；螺旋槳特性；噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)布局等。除了氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)外，還需要對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理解釋。

（Figure 4新型飛行器氣流擾流示意圖）

（3）飛行器的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)

       設(shè)計(jì)一架飛機(jī)，如新型軍用飛機(jī)或者無人機(jī)，需要根據(jù)飛機(jī)的氣動(dòng)布局、飛機(jī)的技術(shù)要求以及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，制定出至少數(shù)十種可能的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案。將這些方案制作成模型并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，比較其優(yōu)缺點(diǎn)。今天，隨著計(jì)算機(jī)加入流體力學(xué)的計(jì)算，很多方案都會(huì)先選擇在計(jì)算機(jī)模擬，根據(jù)模擬結(jié)果不斷更改模型，但最終還是得通過風(fēng)洞實(shí)際實(shí)驗(yàn)，這就是選型實(shí)驗(yàn)。方案確定后，將在飛機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)中進(jìn)行更詳細(xì)的試驗(yàn)，即所謂的定型試驗(yàn)。

（Figure 5飛行器測(cè)力實(shí)驗(yàn)）

（4）非航空航天的氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)

       隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞試驗(yàn)逐漸在機(jī)械、建筑、橋梁、車輛、氣象等領(lǐng)域被應(yīng)用。例如，貨車在高速行駛時(shí)，至少有三分之二的阻力來源于前后的壓差阻力，通過對(duì)車輛加裝Airtab空氣動(dòng)力學(xué)件，可減少5%的油耗，Airtab的定型、驗(yàn)證均有在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（Figure 6 高速摩托擾流實(shí)驗(yàn)）

風(fēng)洞設(shè)計(jì)的相似性原理

相似性原理主要相似參數(shù)是馬赫數(shù)Ma、雷諾數(shù)Re和紊流度ε。這三個(gè)參數(shù)的相似原則如下：

（1）馬赫數(shù)Ma

馬赫數(shù)表示空氣的慣性力與物體的彈性力之比。它反映了氣體宏觀定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子微觀不規(guī)則運(yùn)動(dòng)動(dòng)能之間的比例關(guān)系。其表達(dá)式為：

                                                                         (2)

v表示流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，a表示流體質(zhì)點(diǎn)當(dāng)?shù)芈曀佟?/span>

流體的可壓縮性與聲速有關(guān)，空氣流速的變化也影響空氣密度和壓力的變化。對(duì)于流動(dòng)氣體，氣流的可壓縮性不僅與氣體中的聲速有關(guān)，而且與氣流的速度有關(guān)，因此馬赫數(shù)也反映了可壓縮性的影響[23]。對(duì)于可壓縮流動(dòng)，馬赫數(shù)是主要的相似準(zhǔn)則。

(2）雷諾數(shù)Re

它的物理意義是物體在靜止空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力與粘滯力的比值。模型氣動(dòng)特性中的粘性現(xiàn)象，如邊界層流型、氣動(dòng)阻力、分離流和失速特性等，明顯受Re數(shù)的影響[25]。Re數(shù)是保持與全尺寸狀態(tài)相似的主要相似準(zhǔn)則。其表達(dá)式為：

                                                    (3)

其中是氣體密度ρ，L是模型特性尺寸，v是氣流速度，μ是氣體動(dòng)力粘性系數(shù)。

如果風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)太低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的外推有時(shí)是不可靠的，所以對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)洞來說，如何以最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段盡量提高Re數(shù)是一個(gè)重要問題。根據(jù)Re數(shù)的定義可知，提高Re數(shù)的途徑有:增大模型特性尺寸L;提高氣流速度v;提高氣體密度和降低氣體動(dòng)力粘性系數(shù)。

（3）紊流度ε

在三維空間坐標(biāo)中，氣流速度沿各坐標(biāo)軸的速度分量等于該軸方向上速度的時(shí)均值與脈動(dòng)值之和，若設(shè)沿x，y，z軸方向速度的脈動(dòng)值分別為，

則紊流度ε

                                             (4)

指示氣流脈動(dòng)是否相似的標(biāo)準(zhǔn)。流體微團(tuán)簇的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)是脈動(dòng)產(chǎn)生的原因。在低速風(fēng)洞中，提高風(fēng)洞收縮率和在穩(wěn)定段安裝整流網(wǎng)是減小湍流的有效措施。