實驗用低速直流風洞的設計與研究

遙路　李華　劉沛清

摘 要 文章介紹了一種具有推廣及借鑒價值的實用低速直流風洞的洞體結構設計以及模擬實驗中性能參數的直接測定和間接計算方法。此低速直流微型風洞可用于完成飛行器氣動升力和阻力的測量。采取的設計、加工與制造方法對低速風洞及其實驗的推廣使用，具有實際意義。

關鍵詞 低速風洞 空氣動力學實驗 升力系數測量

中圖分類號：V211.7 文獻標識碼：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

風洞是一種專門設計的產生可控氣流的空氣實驗裝置。建造風洞的目的是要在風洞試驗段獲得均勻的、可以控制的試驗氣流，來滿足模型氣動力試驗的需求。①空氣動力學是發展航空技術以及其他工業技術的一門基礎科學。由于氣體流動現象以及物體（如飛行器）幾何外形的復雜性和無規律性，空氣動力學研究和飛行器動力設計中的許多問題都不可能單純依靠理論或解析方法得到解決，而必須通過大量的實驗，找出其規律或提供數據，并同理論分析相結合，才能解決問題。②

我國目前所使用的風洞多數為修建費用昂貴的較大型風洞，難以廣泛應用。根據高校和一般科研單位的實際情況和應用特點，研制出了一種經濟、實用的低速小型風洞實驗裝置。③它可滿足各種教學實驗和模擬實驗和一般科研工作的需要。此風洞的研制對小型實用風洞的推廣應用具有實際意義。

1 總體方案的設計

低速風洞按其結構劃分為直流式和回流式兩種基本形式。根據對流場的要求和使用條件，將風洞設計為占地小、投資少，且適合室內使用的直流式風洞，風洞整體結構如圖1所示。

1.1 風洞的斷面形狀

綜合各種因素及制造條件和技術要求，將風洞的穩定斷面設計為圓形，并設計成開口實驗段，以便于實驗器材的安裝以及實驗工程的觀察，風洞各段尺寸見圖1。

1.2 蜂窩器及阻尼網的設計與制造

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

2 洞體

2.1 動力段

動力段是安裝驅動風扇的一段洞體，驅動風扇驅使風洞內的氣體流動，建立起試驗段中穩定的流場。⑤采用旋轉槳葉和反扭導流片系統，電機位于整流罩內。動力段設計為直徑 = 500mm，長度878mm。動槳葉12片，導流片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。尾罩采用錐體結構，尾錐內布置電機。電機為兩級交流變頻電機，額定轉速3000rpm，額定功率2.2kW。在實驗段設計風速50m/s下，風扇設計流量1.571m3/s，設計增壓980Pa。

2.2 第一收縮段

第一收縮段位于動力段和穩定段之間，第一收縮段使動力段的氣流均勻地加速后進入穩定段。⑥第一收縮段長度為395mm，進口直徑500mm，出口直徑400mm，收縮比 = 1.5625。收縮段采用5次曲線設計。⑦

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

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

以進口端斷面中心作為坐標原點，以縱軸為軸，橫軸為軸，收縮段長度為，則5次冪收縮曲線為

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

= （）（ + ?+ ） + ? ? ? （4）

2.3 穩定段

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

2.4 第二收縮段

第二收縮段位于穩定段和開口實驗段之間，第二收縮段位于穩定段和開口實驗段之間，使穩定段的氣流均勻地加速后進入開口實驗段。⑧長度260mm，進口直徑400mm，出口直徑200mm，收縮比 = 4。收縮段采用5次曲線設計。

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

以進口端斷面中心作為坐標原點，以縱軸為軸，橫軸為軸，收縮段長度為，則5次冪收縮曲線為

= ?+ ?+ ?+ ?+ ?+

= （）（ + ?+ ） + ? ? ? ? ? ? ?（6）

2.5 開口實驗段

與閉口實驗段相比，開口實驗段具有模型安裝方便的優點。⑨開口實驗段的直徑為200mm，長度300mm。其中，上游斷面直徑200mm，下游斷面直徑210mm。

2.6 集氣口段

集氣口段布置在開口實驗段之后，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 下游擴散段

擴散段的作用在于使來自實驗段的氣流逐步減速，進口直徑210mm，出口直徑224mm，長度200mm，擴散角2。

2.8 拐角段

為了減少噪聲和室內氣流場干擾，在擴散段末端設置拐角段，使氣流垂直向上排出，拐角半徑40mm，進口直徑224mm，出口直徑260mm。

3 風扇氣動設計結果

3.1 總體性能參數（表1）

表1 風扇系統總體參數表

根據風洞性能計算，設計工況取：試驗段風速30m/s，風扇設計流量為 = 50？.14159？.22/4 = 1.571m3/s，設計增壓為= 980Pa。采用槳葉加反扭導流片組成的低噪聲軸流風扇系統，設計采用任意環量理論（ = 0.85），槳扇技術修正技術。槳葉翼型采用低雷諾數、高升力、失速性能良好的翼型，在葉根區選用GOE797翼型（相對厚度16%），在葉梢區選用GOE796翼型（相對厚度12%）。設計風扇轉速參照下列計算結果給出。

（7）

設計取 = 2700rpm，槳尖周向速度65m/s。

考慮到電機位于風扇整流罩內（電機直徑260mm，長度410mm），風扇直徑 = 500mm，槳轂比取0.65，輪轂直徑 = 325mm，槳葉展長88mm，風扇槳葉數目12（葉根區GOE797翼型，葉梢區GOE796翼型），反扭導流片數目7（C4翼型），風扇頭罩與輪轂直聯，風扇的頭罩長度163mm，尾罩長度860mm，尾罩當量擴散角80，柱身段長度200mm，風扇系統總長度928mm，風扇葉片弦長104～149mm，反扭導流片弦長230～256mm。風扇設計工況，實驗段風速50m/s，流量1.571m3/s，壓力增升 = 980Pa，風扇設計轉速2700rpm，對應槳尖線速度65m/s，略大于低噪聲風扇槳尖速度60m/s的限制，實驗段穩定風速2～50m/s，穩定段最大速度12.5m/s。風扇系統效率86.0%（其中，槳葉損失11.5%，反扭導流片損失1.1%，尾罩擴散損失1.4%），風扇系統推力96N，扭矩6.3N.m，輸出功率1.8kW。⑩

圖2 風扇系統布置

3.2 風扇槳葉氣動數據和幾何尺寸

槳葉數目12，槳葉直徑 = 500mm。槳葉剖面采用Goe796翼型和Goe797翼型。相對厚度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渡。槳葉剖面的平面形狀為梯形，梯形底邊比（槳尖弦長與槳根弦長之）取0.7。設計時，沿徑向共取了8個斷面，半徑比從0.65～1.0，斷面間距0.05。

反應度是風扇重要的特性參數。按照定義，反應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，說明氣流在槳葉中獲得的靜壓越大，而在槳葉出口的動能則小，對提高效率是有利的。根據歐拉方程，可得

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

不同槳葉和導流片布置方式，反應度是不一樣的。對于槳葉和反扭導流片布置系統，氣流從軸向進入槳葉，由槳葉流出的氣流絕對速度尚有一定的旋轉，經過反扭導流片擴壓整流后，氣流沿軸向流出，其反應度小于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扇系統，其效率可達82%～88%。現由表2給出不同剖面反應度的計算結果。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 風扇槳葉不同剖面的反應度

3.3 風扇整流罩幾何尺寸

風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，總長度為，則

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

其中，頭罩長度為

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

尾罩長度為

= 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 實驗參數的測定與計算

實驗參數的取得方法應在現有條件和使用要求下設計和使用，一方面應考慮使用儀器盡量簡單，測量容易;另一方面要使測量精度滿足要求，且重復性好，穩定可靠。

4.1 風速的測定

此風洞的風速測定是利用畢托管動能與壓能轉換測流速原理設計而成，如圖4所示。這種方法制作簡單，安裝方便，測量容易，且可得到較大的測量精度。 風速可用下式計算：

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

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

圖4 風速的測量原理

4.2 升力的測量

根據使用條件及現有設備情況，采用壓力差法測量實驗段飛機模型的升力曲線。測力實驗采用腹部支架，模型通過腹部支架連接到底座上。為了在實驗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。主支桿處在試驗段中心，模型與主支桿通過主接頭相連，尾支桿通過尾接頭與模型相連。模型的仰角通過底座上的齒輪機構帶動尾支桿來實現。底座上的齒輪同時帶動底座一側的指針來顯示模型仰角（如圖5）。

圖5 實驗段模型底座及其仰角機構示意圖

將飛機模型及其底座整體置于應變式稱重傳感器上，在實驗過程中，整個系統在豎直方向上只受到傳感器的支撐力、重力和升力的作用，通過傳感器輸出示數的變化便可以測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速下的變化曲線（如圖6）。

圖6 在不同仰角下升力隨風速變化曲線

圖7 在25m/s風速下的升力系數曲線

利用風速、升力、空氣密度等參數，便可以繪出升力系數曲線（如圖7）。

5 結論

在航空航天、橋梁建筑、汽車等工業中，空氣動力學問題的實驗研究有著不可替代的重要作用，風洞實驗是其中的重要手段。此低速直流微型風洞可用于完成飛行器氣動升力和阻力的測量。對科研院所和高校的教學應用和科學研究有著現實意義。

通訊作者： 李華

注釋

① 伍榮林，王振羽.風洞設計原理[M].北京航空學院出版社，1985.

② 惲起麟.風洞實驗[M].國防工業出版社，2000：22-27.

③ 惲起麟.實驗空氣動力學[M].國防工業出版社，1991：21-25.

④ 劉政崇.風洞結構設計[M].中國宇航出版社，2005：44-47.

⑤ 高低速風洞氣動與結構設計[M].國防工業出版社，2003：35-38.

⑥ 王文奎，石柏軍.低速風洞洞體設計[J].機床與液壓，2008.36（5）：93-95.

⑦ 艾倫，波普，約翰，等.低速風洞試驗[J].國防工業出版社，1977.1（977.5）：37-45.

⑧ 彭錫銘，嚴俊仁.低速風洞試驗[J].1978：22-25.

⑨ 戰培國，趙昕.風洞發展現狀及趨勢研究[J].航空科學技術，2010.4：003.

⑩ 范潔川.低速增壓風洞可行性研究報告[R].力研究院，1998.

王麗瑛，王琪.實用直流式低速風洞的研究[J].吉林化工學院學報，2007.24（2）：55-57.