常規(guī)直流式低速風(fēng)洞的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

石領(lǐng)先 焦園圓 葉迎春 谷倩倩

1.濱州學(xué)院航空工程學(xué)院，山東 濱州 256603

2.山東省航空材料與器件工程技術(shù)研究中心，山東 濱州 256603

3.濱州市航空光電材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603

空氣動(dòng)力學(xué)是發(fā)展航空、航天和其他工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)。研究空氣動(dòng)力問(wèn)題，方法無(wú)非是理論分析或者試驗(yàn)[1]，單純通過(guò)理論或者解析方法是不現(xiàn)實(shí)的。目前，在飛行器氣動(dòng)分析領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外使用的是商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件包中的Fluent軟件。它是大型通用有限元分析軟件ANSYS系列產(chǎn)品中的流體模塊。在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，完全依靠理論計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，真正可信的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)常常來(lái)源于風(fēng)洞試驗(yàn)[2]。

1 風(fēng)洞的型式選擇

常規(guī)低速風(fēng)洞的型式包括直流式、回流式2種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，一般都是依據(jù)經(jīng)費(fèi)以及試驗(yàn)?zāi)康膩?lái)決定風(fēng)洞型式。和回流式風(fēng)洞相比，直流式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、體積較小、花費(fèi)較低，便于做帶內(nèi)燃機(jī)的試驗(yàn)，便于做用煙進(jìn)行流動(dòng)顯示的試驗(yàn)[2]。與開(kāi)口試驗(yàn)段相比，閉口的優(yōu)點(diǎn)是能量損失較少，運(yùn)轉(zhuǎn)功率較低。因此，如果沒(méi)有特殊的需要（如降落傘試驗(yàn)），那么國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)常規(guī)低速風(fēng)洞一般設(shè)計(jì)成閉口試驗(yàn)段[3]。因此，本風(fēng)洞型式選用直流式，試驗(yàn)段構(gòu)型選用閉口。

2 風(fēng)洞的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

常規(guī)直流式低速風(fēng)洞的氣動(dòng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 常規(guī)直流式低速風(fēng)洞的氣動(dòng)原理圖

2.1 試驗(yàn)段

在進(jìn)行風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，先確定試驗(yàn)段的截面形狀和尺寸。這與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募庸ぶ圃旒鞍惭b等密切相關(guān)[4]。

2.1.1 試驗(yàn)段的截面形狀與尺寸

扁矩形，寬比高大，常用于大展弦比模型；高矩形，高比寬大，常用于二元模型；方形，有利于模型大迎角試驗(yàn)；圓形，常用于螺旋槳和尾旋模型；八角形，常用于螺旋槳的模型。從近年來(lái)國(guó)內(nèi)外建設(shè)的先進(jìn)低速風(fēng)洞來(lái)看，一座標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)低速風(fēng)洞，其試驗(yàn)段截面形狀為扁矩形、截面的寬高比為4:3。本風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸設(shè)計(jì)為400 mm×300 mm。

2.1.2 試驗(yàn)段的長(zhǎng)度

根據(jù)試驗(yàn)要求來(lái)決定試驗(yàn)段的長(zhǎng)度L1。常規(guī)低速風(fēng)洞，合理的閉口試驗(yàn)段長(zhǎng)度L1=(2.0～4.0)Dh1。其中，如果長(zhǎng)度L1=(2.0～2.5)Dh1，則主要適用于大展弦比飛機(jī)模型試驗(yàn)；如果長(zhǎng)度L1=(3.0～4.0)Dh1，則主要適用于小展弦比飛機(jī)模型以及導(dǎo)彈模型試驗(yàn)。Dh為試驗(yàn)段入口截面的水力直徑，即：

非圓管由于沿四周的壁面剪切應(yīng)力不是均勻分布，只能計(jì)算其沿四周的平均值。計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)，對(duì)圓管，顯然特征長(zhǎng)度就是直徑；而對(duì)非圓管，特征長(zhǎng)度是水力直徑。本風(fēng)洞試驗(yàn)段的長(zhǎng)度L1取為略大于2Dh1，即L1=700 mm。

2.1.3 試驗(yàn)段需用功率

設(shè)計(jì)試驗(yàn)段最大穩(wěn)定風(fēng)速為34 m/s。試驗(yàn)段消耗功率：

2.2 收縮段

2.2.1 收縮比收縮段入口水力直徑直接關(guān)系到常規(guī)直流式低速風(fēng)洞的收縮比C[5]。常規(guī)直流式低速風(fēng)洞的收縮比，是指該風(fēng)洞收縮段入口（穩(wěn)定段）的截面面積與收縮段出口（試驗(yàn)段）的截面面積之比。若7C10，且在穩(wěn)定段內(nèi)有整流裝置，那么試驗(yàn)段氣流品質(zhì)能夠達(dá)到國(guó)軍標(biāo)的要求。本風(fēng)洞收縮段入口截面尺寸為1120 mm×840 mm。計(jì)算可得，收縮比C=7.84。

2.2.2 收縮段長(zhǎng)度

從風(fēng)洞建造價(jià)格的角度考慮，收縮段的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)不好。從避免氣流出現(xiàn)不均勻甚至發(fā)生分離的角度考慮，收縮段的長(zhǎng)度太短也不好。收縮段長(zhǎng)度L2=(0.5～1.0)Dh2，Dh2為收縮段入口直徑。設(shè)計(jì)L2=0.75Dh2，則收縮段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=720 mm。

2.2.3 收縮曲線

研究表明，使用雙三次曲線，出口氣流具有邊界層厚度薄、湍流度低、流場(chǎng)均勻的特點(diǎn)，綜合效果較好[1]。雙三次曲線可以由下式表示：

2.3 穩(wěn)定段

穩(wěn)定段截面尺寸也就是收縮段入口截面尺寸，即1120 mm×840 mm。收縮段要求來(lái)流均勻。在氣流流過(guò)直流式風(fēng)洞的進(jìn)氣口裝置后，首先速度、方向都不是均勻的，而且氣流的湍流度也是比較高的，甚至氣流中可能還有大尺度的旋渦。穩(wěn)定段的功能是使氣流變得均勻。

2.3.1 蜂窩器

在以前的風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，蜂窩器長(zhǎng)細(xì)比為6 ～ 8。不過(guò)對(duì)蜂窩格子的尺寸并無(wú)確切的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。圓形，內(nèi)部流動(dòng)條件好，但是管與管之間的空隙會(huì)影響流動(dòng)的均勻性，并且使壓力損失增大。方形，邊界層可能有旋渦。因此，采用六角形截面的蜂窩器。隨著對(duì)常規(guī)低速風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流的均勻度和湍流度（尤其是湍流度的橫向分量）指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求，發(fā)展設(shè)計(jì)了一種新型的蜂窩器，這種蜂窩格子截面為六角形、小孔、薄壁、大長(zhǎng)細(xì)比。這種蜂窩器的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）由于小孔長(zhǎng)細(xì)比大，可以更有效地起到導(dǎo)向和分割氣流中旋渦的作用；改善氣流的速度分布。因此達(dá)到更有效地加快衰減旋渦和改善氣流均勻度的作用。

（2）由于小孔長(zhǎng)細(xì)比大，可以同時(shí)顯著地降低氣流的橫、縱向分量的湍流度，尤其是降低橫向分量的湍流度。

（3）由于壁薄，堵塞度小，可以使得其壓力損失也相對(duì)較少。

所以，優(yōu)良的蜂窩器應(yīng)設(shè)計(jì)成六角形、小孔、薄壁，且其長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)設(shè)計(jì)成15左右。本風(fēng)洞采用5.2 mm當(dāng)量直徑的六角形蜂窩器。為了追求較好的氣流品質(zhì)，降低湍流度，取長(zhǎng)細(xì)比為15，所以設(shè)計(jì)蜂窩器的長(zhǎng)度為78 mm。

2.3.2 阻尼網(wǎng)

阻尼網(wǎng)在蜂窩器的后面。氣流在流過(guò)阻尼網(wǎng)后明顯地改善其軸向速度分布的均勻性。阻尼網(wǎng)的開(kāi)孔率的要求是：＞0.57。否則將引起氣流的不穩(wěn)定。

本風(fēng)洞所使用的阻尼網(wǎng)為18目，網(wǎng)絲直徑d=0.23 mm。由泰勒制標(biāo)準(zhǔn)篩目數(shù)可知篩孔寬度B=1 mm[1]。開(kāi)孔率是指阻尼網(wǎng)開(kāi)孔面積與阻尼網(wǎng)總面積之比，可以由下式表示：

式中：d為網(wǎng)絲直徑，單位為mm；B為網(wǎng)孔寬度，單位為mm。計(jì)算可得，本風(fēng)洞阻尼網(wǎng)開(kāi)孔率=0.59。

2層阻尼網(wǎng)的距離應(yīng)不小于500倍網(wǎng)絲直徑d。把由前面1層網(wǎng)產(chǎn)生的湍流度衰減充分后再進(jìn)入后面的1層網(wǎng)。根據(jù)所使用的蜂窩器以及阻尼網(wǎng)孔徑尺寸，本風(fēng)洞將第一層阻尼網(wǎng)放置在蜂窩器下游的117 mm處，第2層阻尼網(wǎng)與氣流上游第1層阻尼網(wǎng)的距離為115 mm。

2.3.3 靜流段

阻尼網(wǎng)之后，設(shè)計(jì)靜流段。目的是使氣流充分均勻及穩(wěn)定，進(jìn)一步充分衰減湍流度。靜流段的長(zhǎng)度，一般為穩(wěn)定段當(dāng)量直徑的一半。故設(shè)計(jì)本風(fēng)洞靜流段的長(zhǎng)度為480 mm。

常規(guī)低速風(fēng)洞即設(shè)計(jì)收縮比又設(shè)計(jì)穩(wěn)定段內(nèi)整流裝置，主要目的是：確保風(fēng)洞試驗(yàn)段的氣流品質(zhì)；降低風(fēng)洞的運(yùn)行功率；減少風(fēng)洞的容積；降低風(fēng)洞的造價(jià)。

雖然影響常規(guī)低速風(fēng)洞氣流品質(zhì)的因素較多，但就收縮比以及穩(wěn)定段的組合設(shè)計(jì)而言，當(dāng)代先進(jìn)的常規(guī)低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)表明：風(fēng)洞的收縮比約為8，通過(guò)長(zhǎng)細(xì)比約為15的小孔、薄壁蜂窩器，以及在蜂窩器后設(shè)計(jì)有2層阻尼網(wǎng)，是能夠獲得優(yōu)良的氣流品質(zhì)的。

因此，蜂窩器、阻尼網(wǎng)和靜流段共同組成的穩(wěn)定段長(zhǎng)度為L(zhǎng)3=790 mm。

2.4 擴(kuò)散段

2.4.1 擴(kuò)散角

2.4.2 面積比

2.5 風(fēng)扇段

風(fēng)扇段截面積一般是試驗(yàn)段截面積的2～3倍。設(shè)計(jì)風(fēng)扇段截面形狀為圓形，尺寸為直徑660 mm，則風(fēng)扇段截面積與試驗(yàn)段截面積之比為2.85:1。

2.5.1 風(fēng)洞能量損失

低速風(fēng)洞的能量損失，常用能量比ER來(lái)表示。能量比是風(fēng)洞試驗(yàn)段消耗功率與此風(fēng)洞損失的功率之比。因此，能量比越低，能量損失越高，也就越不經(jīng)濟(jì)。常規(guī)直流式低速風(fēng)洞能量比ER的范圍通常是：2～5。風(fēng)洞的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，由于多種因素的影響，把風(fēng)洞能量比降低10%～15%左右來(lái)計(jì)算風(fēng)扇的壓升和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率是必要的。從最大冗余度考慮，取能量比的最小值2基礎(chǔ)上再降低15%，即ER=1.7。

2.5.2 風(fēng)洞需用功率

依據(jù)試驗(yàn)段最大消耗功率P=3049.2 W以及能量比ER=1.7，可得風(fēng)洞最大需用功率P總=4843 W。風(fēng)扇段可選用功率為5 kW工業(yè)級(jí)電機(jī)，無(wú)須定制，無(wú)須改電，節(jié)約成本。

3 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)洞不僅在航空、航天工程領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用，并且在工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，如交通運(yùn)輸、風(fēng)能利用、房屋建筑等方面更是必不可少的。本文所設(shè)計(jì)的常規(guī)直流式低速風(fēng)洞，尺寸較小，占地面積較小，造價(jià)較低，無(wú)須新建專用實(shí)驗(yàn)室，無(wú)須單獨(dú)配電，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。高校中一間通用實(shí)驗(yàn)室即可建設(shè)，可以直觀展示空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)等課程實(shí)驗(yàn)。