第十讲 风洞试验技术
风洞试验原理
风洞试验原理
风洞试验是一种用于模拟大气流场对物体的影响的实验方法，它在航空航天、
汽车、建筑等领域都有着广泛的应用。通过风洞试验，可以模拟不同速度、压力、温度的气流环境，从而对物体的气动特性进行研究和分析。本文将介绍风洞试验的原理及其在工程领域的应用。
首先，风洞试验的原理是基于流体力学和空气动力学的基本理论。当物体在气
流中运动时，气流会对物体施加压力和阻力，同时也会产生升力和侧向力。风洞试验就是通过模拟不同气流环境，测量物体在气流中的受力情况，从而分析物体的气动性能。
在风洞试验中，首先需要确定试验的目的和参数。根据不同的研究对象和需求，可以确定试验的速度范围、气流密度、温度等参数。然后，通过风洞设备产生符合要求的气流环境，将待测试物体放置在气流中进行试验。在试验过程中，可以通过压力传感器、力传感器等设备实时监测物体受到的气动力，同时也可以通过流场可视化技术观察气流对物体的影响。
风洞试验在工程领域有着广泛的应用。在航空航天领域，风洞试验可以用于研
究飞机、导弹等飞行器在不同速度、高度下的气动性能，为设计和改进飞行器提供重要依据。在汽车工程领域，风洞试验可以用于研究汽车外形设计、空气动力学性能，提高汽车的燃油经济性和稳定性。在建筑领域，风洞试验可以用于研究建筑结构在大风作用下的受力情况，为建筑设计提供可靠的风荷载数据。
总之，风洞试验是一种重要的工程实验方法，它通过模拟气流环境，研究物体
在气流中的受力情况，为工程设计和研究提供重要依据。随着科学技术的不断发展，风洞试验在工程领域的应用将会更加广泛，为各行各业的发展提供有力支持。
第十讲 风洞试验技术
¾ 4. 表面测压试验
4.1 模型要求 z(1) 刚性——外型无变形 z(2) 不漏气——压力为常数 z(3) 外形相似
4.2 测压原理 z(1) 测压位置多——要求非常高的采样频率 少测点：200~400 个 中测点：400~800 个 多测点：800 个以上
4.2 测压原理(续) z(2) 模型尺寸小—缩尺比 缩尺比：1:100~1:500 测压孔：1.1mm~1.6mm
¾ 2.风环境试验
2.1 模拟范围 z(1) 上游地表粗糙类别模拟 z(2) 周边地形 500m至750m (或10 倍桥面高度) z(3) 缩尺比 1:500~1:2000 (小区)
2.2 模型要求
z(1) 刚性块体 z(2) 外形相似 z(3) 表面粗糙程度相似
2.3 试验设备
z(1)皮托管测压——平均风速
桥梁及结构风振理论及其控制
——之第十讲
风洞试验技术
葛耀君 主讲教师：
博士．教授
1、风洞试验简介 2、风环境试验 3、天平测力试验 4、表面测压试验 5、节段模型试验 6、气弹模型试验
¾ 1.风洞试验简介
1.1 基本原理 z(1) 风速和风向模拟 •良态气候模式 •飓风气候模式
z(2) 结构风效应模拟 •刚性结构——无振动响应 •半刚性结构——仅有强迫振动 •柔性结构——气流与结构相互作用
风洞试验技术的介绍和应用
浦江体育场
ZD-1风洞典型工程测压试验
青岛绿城深蓝广场
浦江体育场
ZD-1风洞典型工程测压试验
宁波中国港口博物馆
绍兴东方山水图
刚性模型测力试验
目的：获得建筑、桥梁等整体和局部风荷载和动态气动力
方法：利用测力天平测出作用在整体结构上的气动合力（系数）或者作用 在结构不同节段上的气动力（系数） 对象：刚性不变形的全模型或节段模型 测试内容：
方法：利用测振设备测试风荷载作用下气动弹性结构的振动响应
对象：气动弹性模型 测试内容：
动应变 <- 动态应变仪 动位移 <- 激光计 加速度 <- 加速度计
ZD-1风洞典型工程测振试验
同塔四回路输电铁塔
ZD-1风洞典型工程测振试验
1800t柔性腿吊机
ZD-1风洞典型工程测振试验
复合屋面板单元测振试验
2014年创新实验指南
项目一：高层建筑风荷载干扰效应的测压试验研究（工程型）
1. 背景资料：
<<建筑结构荷载规范（GB 20009-2012）>>8.3.2规定:
当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应;一般可 单独建筑物的体型系数μs 乘以相互干扰系数。相互干扰系数可按下列规定确定: 1)对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺风向风荷载可 在1.00－1.10 范围内选取，对横风向风荷载可在1.00-1.20 范围内选取; 2)其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。
风洞试验技术介绍及应用课件
B
C
建筑和环境工程
风洞试验用于研究建筑物和环境空气动力学 特性，如风力发电、高层建筑抗风等。
气象和气候研究
通过风洞试验模拟大气流动，研究气象和气 候变化规律，提高气象预报准确率。
D
风洞试验技术原理
02
空气动力学基础
风洞试验技术在未来的应用前景
航空航天领域 随着航空航天技术的发展，风洞试验技术在航空航天领域 的应用将更加广泛，能够为新型飞行器的研发提供重要的 测试支持。
汽车工业领域 汽车工业对空气动力学性能的要求越来越高，风洞试验技 术在汽车工业领域的应用将更加重要，能够为新型汽车的 研发提供测试支持。
新能源领域 新能源技术的不断发展，如风能、太阳能等，需要风洞试 验技术进行相关的测试和研究，以推动新能源技术的进步。
环境监测与评估
通过风洞试验技术监测环境质量，评估环境对人类和 生态的影响。
建筑领域应用
建筑风工程
通过风洞试验技术模拟建筑在风力作用下的动态响应和稳定性， 优化建筑设计。
建筑环境模拟
模拟建筑内部的环境条件，评估建筑环境的舒适度和能效。
古建筑保护
通过风洞试验技术评估古建筑在风力作用下的安全性，为古建筑 的保护提供依据。
评估汽车的空气动力学性能、行驶稳定性等参数， 提高汽车的安全性和舒适性。
流体力学中风洞实验的基本操作教程
流体力学中风洞实验的基本操作教程一、引言
流体力学中的风洞实验是研究气体和液体流动行为的重要工具之一。通过在实验室内部模拟大气环境中的气动流动，研究者可以观察和测量不同物体在流体中的受力和运动情况。风洞实验在航空航天、汽车工程、建筑物设计等领域具有广泛的应用。本文将为您介绍流体力学中风洞实验的基本操作步骤和注意事项。
二、风洞实验设备及组成部分
1. 风洞：包括进风道、试验段和排风道。
2. 进风系统：用于提供实验所需的气流，包括获得高速气流所需的风机、引风道和加速器。
3. 试验段：用于安装和测量不同物体或模型的力学和流体力学性质。
4. 测量仪器：包括压力传感器、风速仪、雷诺数计等，用于记录和分析实验数据。
三、风洞实验的基本操作步骤
1. 确定实验目标和设计实验方案
在进行风洞实验之前，首先需要确定实验的目标和所需测试的
参数。然后，设计实验方案，包括选择适当的模型、确定实验条
件（如流速、压力等），并考虑相关数据采集和分析方法。
2. 准备试验设备和工具
检查风洞设备的状态，确保其正常运行。清洁试验段，保证工
作通道内无杂物和减小因堵塞而产生的气流扰动。
3. 安装模型并进行预实验
根据实验方案，选择并安装相应的模型。安装时要确保模型的
稳定性，并注意避免模型表面的几何非均匀性对实验结果的影响。进行预实验时，逐渐增加流速，观察模型的运动情况，并进行必
要的调整，以确保后续实验的准确性。
4. 调整实验参数
根据实验要求，调整实验参数，如流速、温度等。通过风速仪、温度计等仪器对实验段内的流速和温度进行准确测量，并进行必
风洞试验方案
风洞试验方案
一、背景介绍
风洞试验是空气动力学领域中一种重要的试验手段，可以模拟真实的空气流动环境，对飞行器、汽车、建筑等物体的气动性能进行研究。本文档将详细介绍风洞试验方案的设计和实施过程。
二、实验目的
本次试验旨在评估某型飞行器的气动性能，具体目标如下： 1. 测量飞行器在不同风速和迎风角度下的升力和阻力； 2. 研究飞行器在不同风速和迎风角度下的气动特性； 3. 分析飞行器的稳定性和操纵性。
三、实验器材和设备
1.风洞：采用自然通风式低速风洞，具备稳定的进风速度和压力控制功能。
2.测力传感器：用于测量飞行器的升力和阻力。
3.倾斜传感器：用于测量风洞中的迎风角度。
4.数据采集系统：用于采集和记录风洞试验数据。
四、实验方案
1.确定实验参数：
–风速范围：0~30 m/s
–迎风角度范围：-10°~30°
2.准备实验样品：
–安装测力传感器和倾斜传感器于飞行器模型上；
–保证飞行器模型的表面光滑，以减小气动阻力的影响。
3.实验准备：
–打开风洞进风通道，调整通风系统使风洞内风速达到预定值；
–使用校准装置校准测力传感器和倾斜传感器的零点。
4.进行实验：
–设置风速和迎风角度的组合，记录传感器数据；
–重复多次实验，取平均值减小误差。
5.数据分析：
–绘制升力和阻力随风速和迎风角度变化的曲线；
–分析飞行器的气动性能，研究其稳定性和操纵性。
五、安全注意事项
1.在实验过程中，严禁将手指或其他物体伸入风洞中，以免发生意外；
2.实验操作人员应佩戴防护眼镜和手套，确保人身安全；
3.实验设备应进行定期检查和维护，确保其正常运行。
风洞试验技术在飞行器设计中的应用研究
风洞试验技术在飞行器设计中的应用研究引言：
飞行器设计是一个复杂而艰巨的过程，需要综合考虑流体力学、结构力学、热力学等多个学科的知识。而风洞试验作为飞行器设计中的关键环节，通过模拟真实的飞行环境，为设计者提供必要的数据支持和验证，以保证飞行器的安全性和性能表现。本文旨在探讨风洞试验技术在飞行器设计中的应用研究，并讨论其对现代航空工程的影响。
一、风洞试验的基本原理
风洞试验是通过将实际尺寸的飞行器模型放置在风洞中，通过通过改变风洞内的气流条件，观察和记录模型在不同风速下的运动状态和气动特性，以获得与真实飞行状态相似的数据。其基本原理包括三个方面：模型比例、流体动力学相似和仪器测量。
1. 模型比例
在风洞试验中，为了保证风洞实验结果能够准确地推广到实际飞行器上，模型与真实飞行器之间的尺寸比例十分重要。通常来说，模型的线尺寸与飞行器的线尺寸之比称为线尺寸比例尺，而模型的面尺寸与飞行器的面尺寸之比称为面尺寸比例尺。通过恰当的模型比例，可以降低试验成本，加快测试速度，同时保证数据的准确性。
2. 流体动力学相似
风洞试验的成功与否，关键在于能否保证试验条件与实际飞行状态之间的流体动力学相似。流体动力学相似的要求包括流动相似（雷诺数相似）、气动力学相似（力和力矩相似）以及边界层相似等。通过在风洞中尽量模拟真实飞行状态下的气流条件，可以获得与实际飞行器相似的气动力学结果，从而提供准确的数据支持。
3. 仪器测量
风洞试验过程中，为了获取准确可靠的数据，需要选用合理的仪器进行测量和
记录。常见的风洞试验仪器包括气动力测量仪、压力测量仪、速度测量仪、温度测量仪等。这些测量仪器能够实时检测并记录模型在不同风速下的气动特性，并将结果传输至计算机进行数据处理和分析。
风洞试验
《桥梁风工程》之——风洞试验技术
主要内容简介
第一章风洞试验的理论基础——相似性
（概述、相似性基本要求、无量纲参数的来源、基本缩尺考虑）
1.1 概述
理论流体力学——物理实验——数值模拟（风工程研究的“三大手段”）；
桥梁、建筑结构在结构设计方面，只要求结构在风荷载作用下具有足够的强度、刚度和稳定性即可，即确保桥梁结构、建筑结构的安全性、舒适性和耐久性即可；（这区别于航空器的设计——力求其周围运动空气对其的阻力最小），主要关注绕尖角的流动和分离流动，因此，称为“钝体空气动力学”。个别建筑、桥梁已开展了实际结构的实测。
Fig.1 Research methods of Wind Engineering of Bluff Body
1932年，Flachsbart O.“建筑物气动特性的模拟应当在具有与自然风相似的风洞气流中进行”。
几何缩尺——经济性和方便性
由于缩尺几何引出了物理相似的一系列问题，相似性准则是风洞试验的理论基础。应该说明的是，由于模型的几何缩尺，导致部分物理现象不能准确反映，如雷诺数效应。因此，在实际设计模型试验时，需要进行一系列权衡，确保主要问题能模拟即可。（科学与艺术结合！）
1.2 模型相似性
在分析一切物理问题，特别是需要通过实验进行研究的问题时，通常需要确定一组无量纲的控制参数。该组无量纲参数通常是根据描述所研究物理系统的偏微分方程得到的，用一个具有对应量纲的参考值遍除所有关键变量，使之无量纲化，于是得到大量的无量纲组合参数，它们就是控制系统的物理特性的因子。如果这些控制参数组从一种情况（原型物）到另一种情况（模型）保持不变，则自然保证了相似性。具体风洞试验相似性无量纲参数推导见下。
《风洞测力实验》课件
趋势分析
分析了实验数据的变化趋 势，探讨了影响测力准确 性的因素。
可靠性评估
对实验结果的可靠性进行 了评估，确保实验结果真 实可靠。
结果讨论与改进建议
讨论
针对实验结果进行了深入讨论，探讨 了可能影响测力准确性的因素。
改进建议
根据实验结果和讨论，提出了改进实 验方法和提高测力准确性的建议。
REPORT
实验的改进方向与展望
拓展研究领域
将本实验的研究领域拓展至其他翼型和空气动力学相 关领域。
加强应用研究
将实验成果应用于实际的飞机设计，提高飞机性能。
推动国际合作与交流
加强与其他国家和地区的合作与交流源自文库共同推动空气 动力学研究的进步。
REPORT
THANKS
感谢观看
CATALOG
DATE
ANALYSIS
01
02
03
实验数据记录
详细记录了实验过程中各 测量点的数据，包括风速 、风向、受力大小等。
图表展示
通过图表形式直观展示了 实验数据，便于观察和分 析。
误差分析
对实验过程中可能产生的 误差进行了分析，并给出 了相应的误差范围。
结果分析
数据对比
将实验数据与理论值进行 了对比，分析了误差产生 的原因。
结果分析
根据数据处理结果，分析模型受力与风速等 参数的关系，得出结论。
风洞试验(精)PPT课件
防止重复荷载导致过大的垂直裂缝和提前出现斜裂缝。
2021
2
疲劳试验一般均在专门的疲劳试验机上 进行。
目前，国内对疲劳试验采取对构件施加 等幅匀速脉动荷载，借以模拟结构构件 在使用阶段不断反复加载和卸载的受力 状态。
接触式测振仪、差动式位移计、电阻应变式位 移传感器或百分表（停机作静载试验时）。
2021
11
六、试件安装
1．严格对中 2．保持平稳 3．安全防护
2021
12
§6-5 工程结构的风洞试验
一、风作用力对建筑物的危害 二、风荷载作用下的实测试验 三、风洞试验
2021
13
一、风作用力对建筑物的危害
2021
1
一、概述
1.疲劳的含义
结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的强度比其静力强度要 低得多的现象。
2.疲劳试验的目的
了解在重复荷载作用下结构的性能及其变化规律。
3.国内外对结构构件的疲劳性能的研究比较重视的原因
（1） 普遍采用极限强度设计和高强材料，以至于许多结构处于高应 力状态下工作。
2021
3
二、试验项目
1．对于鉴定性疲劳试验，在控制疲劳次 数内应取得下述有关数据，同时应满足 现行设计规范的要求。
大气物理学中的风洞实验
大气物理学中的风洞实验
随着科技的发展，航空、汽车、建筑等领域对空气动力学的研
究越来越深入，风洞实验就成为了大气物理学中重要的研究手段
之一。
一、风洞实验的基本原理
风洞实验是通过模拟不同风速、气象条件下的空气流动，研究
物体在空气中的运动学、动力学和热学特性。其基本原理是利用
风洞的空气流动模拟大气层中的空气流动，再通过传感器、计量
系统对不同参数进行测量，以获取空气流动的物理特性。
不同种类、不同尺寸甚至不同用途的物体都需要进行风洞实验。风洞的设计与制造需要考虑到流体力学、机械工程学、电子技术
等众多学科的知识。不同种类、尺寸、形状的试验模型在风洞内
的气动特性影响甚大，因此，选择合适的试验模型并且对模型进
行精确的测试和分析才能有效地得到数据。
二、不同种类的风洞
按照不同的气流传输模式及工作特性不同，可将风洞分为不同的类型。常见的风洞一般可分为按照气流传输模式来划分的自由式风洞和闭式风洞。
1. 自由式风洞
自由式风洞通过产生流速在试验房间内任意方向的气流，达到模拟在自然大气中的流动的目的。它适合于研究横截面较大的流体力学问题。
根据气流产生方式，自由式风洞可以分为伺服式风洞和振动板式风洞两种。伺服式风洞主要是通过一个由风扇和压力系统控制的龙门架的运动，来调整风口所受到的气流流量、压力和方向，实现气流方向、绕风和攻角的调整。振动板式风洞则是利用声振技术，模拟流体运动的变化，使试验模型能够接受各种复杂的流动条件下的作用。
2. 闭式风洞
闭式风洞是一种在旋转的容器中产生气流，通过局部进气孔产
生的压力差，推动气流进入马上运动的容器中，再沿着容器的弯
风洞实验
风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在，产生对模型流场的干扰，称为支架干扰。虽然 可以通过试验方法修正支架的影响，但很难修正干净。近来，正发展起一种称为"磁悬模型"的技术。在试验段内 产生一可控的磁场，通过磁力使模型悬浮在气流中。
风洞实验的理论基础是相似原理。相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个 流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。最常见的主要相似准则不满足是亚跨声速风洞的雷诺 数不够。以波音737飞机为例，它在巡航高度（9000m）上，以巡航速度（927km/h）飞行，雷诺数为2.4×107， 而在3米亚声速风洞中以风速100m/s试验，雷诺数仅约为1.4×106，两者相距甚远。提高风洞雷诺数的方法主要 有：
谢谢观看
根据光束在气体中的折射率随气流密度不同而改变的原理制造出来的光学仪器，如阴影仪、纹影仪、干涉仪 （见风洞测试仪器）和全息照相装置等，都可用来观察气体流动图形。这种方法不在流场中添加其他物质，不会 干扰气体流动，而且可以在短时间内采集大量的空间数据。它是一种直接显示方法，特别适合于观察可压缩流动 和非定常流动，如激波、尾流和边界层过渡等。
对风洞实验结果通常须进行处理和分析。其主要内容是：将测量值换算成所需的空气动力学特性数据；分析 综合各个实验环节可能引入的误差；对实验结果作出物理解释和数学说明；根据模型流动和实物流动的差别，修 正实验结果。模型流动和实物流动的差别主要有：由风洞和模型造成的模拟失真，如雷诺数的差别、进气和喷流 的模拟失真等；其次是风洞洞壁和模型支架的干扰影响；还有风洞流场的非均匀性、湍流度和噪声影响等。其中 有些可以通过计算或者实验进行修正，更重要的是要注意积累使用风洞实验结果的经验。
《风洞测力实验》课件
参考资料
以下是一些实验相关的资料和文献，供您进一步了解风洞测力实验。
《风洞测力实验》PPT课 件
欢迎来到本次关于风洞测力实验的PPT课件。在这个课件中，我们将介绍风洞 测力实验的目的、意义以及实验过程中需要注意的事项。
实验简介
风洞测力实验旨在通过模拟不同风速和风向，测试物体在空气中的力学特性。 我们将详细介绍此实验的物理量和测量方法。
实验装置
装置构成
风洞实验装置由风洞本体、风机、测量传感器和数 据采集系统组成。
安全第一
在实验过程中要注意安全问题，佩戴必要的防护装备。
仪器校准
在实验前确保仪器的准确性，尽量减小误差。
数据记录
准确记录实验过程中的数据，以便后续分析。
实验结果展示
数据与图表
我们将展示实验结果的数据和图表，以便更清晰地 展示实验现象。
结果分析
通过对实验结果的分析，我们可以得出一些有意义 的结论。
实验总结
装置原理
风洞通过控制风流的速度和方向来模拟真实环境中 的空气流动，以便进行力学实验。
设备展示
以下是实验装置的图片和示意图，帮助您更好地理 解。
实验步骤
1
1. 实验前准备
风洞试验技术介绍及应用课件
风洞试验是研究空气动力学的重要手段，通过改变风速、攻角等参数，可以研究飞行器在 不同飞行条件下的空气动力学特性，为飞行器优化设计提供理论支持。
飞行器气动优化
风洞试验可以帮助优化飞行器的气动设计，通过对比不同设计方案，可以选出最优方案， 提高飞行器的性能和效率。
汽车工业领域
车辆空气动力学研究
智能化发展
利用人工智能技术，实现风洞试验过程的自动化和智能化，提高试验 效率和精度，降低试验成本。
THANKS
感谢观看
高速风洞
用于模拟高超声速飞行器的流动特性 。
高速风洞主要用于模拟高超声速飞行 器的流动特性，如导弹、航天器等高 速飞行器的气动性能测试。高速风洞 的试验速度较高，通常在超声速甚至 高超声速范围内。
跨音速风洞
用于模拟跨音速飞行器的流动特性。
跨音速风洞主要用于模拟跨音速飞行器的流动特性，如战斗机、民航客机等跨音速飞行器的气动性能测试。跨音速风洞的试 验速度在亚音速和超声速之间，需要解决跨音速流动中的复杂问题。
大型化和超高速化
随着航空航天、高速列车等领域的快速发展，风洞试验技术将向 更大规模和更高速度方向发展，以满足更大尺寸模型和更高速度
的测试需求。
多场耦合模拟
实现风场、热场、声场等多物理场耦合模拟，更真实地模 拟实际飞行环境，为飞行器设计提供更准确的数据支持。
风洞试验技术介绍及应用
一、风洞简介
什么是风洞 风洞是指一个按一定要求设计的、具有动力装置的、用于
各种气动力试验的可控气流管道系统。 风洞的分类
1. 按流动方式分：闭口回流式风洞和开口直流式风洞 2. 按风速大小分：低速风洞，高速风洞和高超声速风洞 3. 按风洞试验段的构造分：封闭式风洞和敞开式风洞 4. 按风洞的功能分： 航空风洞，建筑风洞，
度，顺风向功率谱常采用Karman谱
nSu (n)
2 u
4n* 1 70.8n*2
5/6
➢湍流积分尺度：描述气流中各种旋涡沿某一方向的平均尺度，顺风向湍流积分尺度介于
100～300m，随高度增大而增大
Lx
100
Z 30
0.5
大气边界层流场模拟
大气边界层流场的被动模拟技术
➢利用格栅、尖劈和粗糙元等被动紊流发生装置形成所需模拟紊流
国内近年兴建的边界层建筑风洞： 湖南大学(2004), 长安大学(2004), 大连理工大学(2006), 中国建科院 (2007), 西南交通大学(2007), 哈尔滨工业大学(2008), 石家庄铁道大学 (2009)，浙江大学(2010)
中国建科院直流式边界层风洞
长安大学回流式边界层风洞
ZD-1边界层风洞－简介
天平测力技术
ZD-1风洞精密仪器介绍
热线风速仪
品牌：DANTEC 出产地：丹麦 量程：0.5～60m/s 精度：±1.5%或±0.02m/s 采样频率：10kHz 通道数：4通道 购置时间：2010.9
风洞试验及其在气象科学中的应用
风洞试验及其在气象科学中的应用随着科学技术的不断进步，人们对于自然界的认知也在不断提升。特别是气象科学领域，人们的研究和探索更是从未停歇。而在这个领域中，风洞试验是一个不可或缺的工具，它的应用可以帮助我们更好地研究气象现象，并寻找更加有效的应对措施。
什么是风洞试验
风洞试验是一种利用模型物体在空气中受到的力来研究空气流动规律的实验。它通常是把被试物体放在一个密闭的空间中，并通过机械装置来产生气流，模拟一定范围内的气象条件。
简单来说，风洞试验就是通过制作一个可以产生气流的模型装置来进行研究。该模型装置可以基于特定的物理实体或者数值计算结果进行设计，通过对于模型在气流环境下的运动规律进行分析，得出关于气流流动特性的实验性结果。
风洞试验的原理是利用比例尺的概念，将实际生活中的空气流动问题缩小比例，转化为实验室范围内的试验设计，使其更加符合实验数据的科学性。
风洞试验的分类
风洞试验可分为两类：静态风洞试验和动态风洞试验。
静态风洞试验是指模拟静态风场条件下的流动，一般适用于车型、飞行器等的空气动力学分析。
动态风洞试验是指模拟动态风场条件下的流动，包括室内空气质量控制、天气模拟、排气口设计、近地层大气颗粒物、烟气污染等多种领域。
风洞试验具有的优点
风洞试验具有如下优点：
1.可预测性：
风洞试验能够预测模型物体在风场中的运动轨迹，使气象学科的研究结果更加准确。
2.对参数的掌控：
风洞试验能够控制模型物体的尺寸、速度、方向和环境参数等，对研究过程进行有限控制，以保证实验数据的准确性和可重现性。
3.方便快捷：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
下周同一时间再见!
uU vU wU
z(2)
阵风因子：Gu
=U
+ umax U
,
Gv
=
vmax U
,
Gw
=
wmax U
z(3) 功率谱密度： S ( f ), S ( f ), S ( f )
u
v
w
z(4) 相关函数： R (x , x ,t), R (x , x ,t), R (x , x ,t)
uu 1 2
vv 1 2
z(3) 相似变量
V — 特征风速
ρa —空气质量密度 υ — 粘性系数 ρs —结构质量密度
g —重力加速度 L — 特征长度
ξ —结构阻尼比
E —结构弹性模量
6.2 边界层模拟 z(1) 风速相似比 z(2) 平均风剖面 z(3) 紊流强度比 z(4) 功率谱密度
z(5) 紊流度剖面 z(6) 空间相关性 z(7) 积分尺度比 z(8) 来流风攻角
BF — Buoyancy Force(流体浮力)
z(2) 基本变量(续)
c) 边界条件
压力梯度： p(x, y, z)
来流特性：平均风速：U (y, z ≤ zg )
脉动风谱：S jj ( f , y, z) ( j = u, v, w) 相关函数：Rjj ( f , Δx, Δy, Δz) (i, j = u, v, w) 流体/固体几何形状
1.2 试验模型
z(1) 精确的结构物模型 z(2) 简化的周边环境模型 z(3) 概略的上游地表模型
1.3 风洞试验分类
风环境风洞试验 风洞试验 建筑结构风洞试验
桥梁结构风洞试验
1.3 风洞试验分类(续)
风环境
地面或行人风环境(Pedestrian level) 建筑物周边风环境 (Topography model) 环境空气动力学试验(Environmental aerodynamics)
u
* j
=
uj
/v
,
t* = t ⋅v / L
p* = p /(ρv2 ), δT * = δt / T
b) 五种作用力
IF — Initial Force(惯性力)
CF — Coriolis Force(地球旋转力)
PF — Preasure Force(流体压力)
VF — Viscosity Force(粘性力)
¾ 2.风环境试验
2.1 模拟范围 z(1) 上游地表粗糙类别模拟 z(2) 周边地形 500m至750m (或10 倍桥面高度) z(3) 缩尺比 1:500~1:2000 (小区)
2.2 模型要求
z(1) 刚性块体 z(2) 外形相似 z(3) 表面粗糙程度相似
2.3 试验设备
z(1)皮托管测压——平均风速
建筑结构
天平测力试验(Force balance test) 表面测压试验(Cladding load test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
桥梁结构
节段模型试验(Sectional model test) 拉条模型试验(Taut strip model test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
ww 1 2
z(5) 积分尺度： x Lu , yLu , zLw
¾ 3. 天平测力试验
3.1 模型要求 z(1) 轻质—惯性力小，频率高
z(2) 刚性—无变形，频率高 FS
z(3) 外型相似
3.2 测力原理 z(1) 六分量天平
FL M
P
M Y MR
UL
图3. 天平
FL: Lift FD: Drag FS: Vertical
∫1 T [p(t) − p]2 dt
T0 q
z(3) 最大压力系数：C = pmax
pˆ
q
z(4) 最小压力系数：C = pmin
pˆ
q
z(5)
压力峰值因子：g p
=
( pmax
− pmin ) / 2
p
z(6) 两种不同方法
风洞试验直接测得的最大、最小值 按保证率推算的峰值因子换算到最大、最小值
z(1) 基本方程(续) c) 六个基本假定 z流场是由理想气体组成的、是各向同性的 z流场中p 、ρ和T的均值保持不变 z空气不可压缩、ρ不随p变化
z动态粘性系数ν和热扩散系数κ为常数 z由粘性引起的温度变化忽略不计 z无源流动
z(1) 基本变量
a) 五个无量纲变量
x*j = x j / L ,
5.4 气动导数试验方法 z(1) 自由振动测振法 z(2) 强迫振动测振法 z(3) 自由振动测压法 z(4) 强迫振动测压法
¾ 6. 气弹模型试验
6.1 相似要求 z(1) 基本方程 a) 6 个基本未知量 3 个速度分量 (u,v,w) 流体密度ρ、压力 p 和温度 T
b) 6 个基本方程 Navier — Stokes 公式三个分量 质量守恒方程 能量守恒方程 流体状态方程
桥梁及结构风振理论及其控制
——之第十讲
风洞试验技术
葛耀君 主讲教师：
博士．教授
1、风洞试验简介 2、风环境试验 3、天平测力试验 4、表面测压试验 5、节段模型试验 6、气弹模型试验
¾ 1.风洞试验简介
1.1 基本原理 z(1) 风速和风向模拟 •良态气候模式 •飓风气候模式
z(2) 结构风效应模拟 •刚性结构——无振动响应 •半刚性结构——仅有强迫振动 •柔性结构——气流与结构相互作用
6.3 模型基本组成 z(1) 模型结构刚度—模型骨架 z(2) 模型结构外型—模型外衣 z(3) 模型结构质量—模型配重
6.4 模型测量
z(1) 风速和风压测量 z(2) 结构振动测量
加速度传感器—接触式 速度传感器—接触式 位移传感器—接触和非接触式 z(3) 结构内力测量 动态应变计
H
¾ 4. 表面测压试验
4.1 模型要求 z(1) 刚性——外型无变形 z(2) 不漏气——压力为常数 z(3) 外形相似
4.2 测压原理 z(1) 测压位置多——要求非常高的采样频率 少测点：200~400 个 中测点：400~800 个 多测点：800 个以上
4.2 测压原理(续) z(2) 模型尺寸小—缩尺比 缩尺比：1:100~1:500 测压孔：1.1mm~1.6mm
F MP: Pitching moment
D MR: Rolling MY: Yawing
B
3.2 测力原理(续)
z(2) 竖向分量不要求 z(3) 要求: 高灵敏度、大刚度、稳定性、非耦合
3.3 测力过程
z(1) 平均值和 rms 值测量(一阶广义模态力) z(2) 力功率谱密度(紊流引起的非定常力) z(3) 模态修正: μ(z) = ( z )β (1 ≤ β ≤ 1.5)
U
动力：CW (dTw / dt ) = W − H
τ = CW /[(∂H / ∂Tw ) − (∂W / ∂Tw )]
图2. 热线风速仪
2.4 平均风速指标
z(1) 不同高度平均风速 z(2) 风剖面指数α z(3) 梯度风高度
2.5 脉动风速指标
z(1) 紊流强度： I = σ u , I = σ v , I = σ w
P static
Pt
=
Ps
+ Pd
=
P0
+
1 2
ρaU 2
P total
Pd
=
Pt
− Ps
=
1 2
ρaU 2
=
ρ w gΔh
U=
P dyn
2g
ρw ρa
Δh
ρ w
图1. 皮托管测压
2.3 试验设备
z(2) 热线风速仪——脉动风速
静力：W = H
( ) W = I 2Rw, H = A1 + B1 U (Tw − Te )
z(3) Scanvalve 扫描阀 最新型号：16 通道×64 测点=1024 点 采样频率：1000 Hz×1024 =1,012,000 个/秒 现有设备：4 通道×64 测点=256 点(4 个模块)
4.2
z(1)
测压过程
平均压力系数：Cp
=
1 T
T
∫ p(t)dt 0 q
z(2) rms压力系数：C~p =
Biblioteka Baidu
C pˆ
=
C p
+
gC ~p
¾ 5. 节段模型试验
5.1 模型要求 z(1) 刚性——无挠曲变形 z(2) 振动相似——测振试验: 质量、刚度、频率 z(3) 外形相似
5.2 测力试验 z(1) 原理方法同天平测力 z(2) 不同风攻角下的三分力系数
5.3 测振试验 z(1) 涡激共振—风速与振幅 z(2) 颤振风速—直接法确定颤振临界风速 z(3) 气动导数—不同风攻角下的气动导数值 z(4) 实时响应—抖振试验结果