风洞及风洞风机

风洞及风洞风机

摘要：本文介绍了空气动力学试验中最常用的风洞试验方法，较详细地说明了风洞的构造，风洞试验在飞行器设计和汽车设计方面的应用。对风洞风机系统作了概述，着重阐述了在风机设计中起关键性作用的叶轮和叶栅。

关键词：风洞试验；应用；风机；叶轮；叶栅

Wind Tunnel and Fan of Wind Tunnel

Abstract: In this paper, we introduced wind tunnel test method which is commonly used in air dynamics test, elaborated its structure and application of wind tunnel test in design of aircrafts and automobiles, and briefly accounted fan system of wind tunnel, then expounded impeller and cascade, which play an important part in fan design.

Key words: Wind tunnel test; Application; Fan; Impeller; Cascade

1风洞及其应用情况

风洞是进行空气动力学试验的一项基本设备。空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。进行空气动力学试验有各种方法，例如利用自然风、旋臂机、火箭车、自由飞模型、携带试验、飞行器试飞以及风洞等。每种方法都有它自己独特的优点，但其中最主要的还是风洞试验，其他方法远不如风洞试验那样被普遍使用，只能是风洞试验的一种补充。

1.1 风洞

风洞，是指在一个按一定要求设计的管道系统内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，根据运动的相对性和相似性原理对模型进行空气动力实验的一种设备。风洞设计的主要任务是在动力装置功率最小和成本最低的情况下，提供各种速度范围内模型试验所必需的气动力环境，即希望在一个简单的风洞中能够大范围地改变各种相似参数。

通常根据马赫数可将风洞分为四种基本类型：Ma≤0.4的低速风洞；Ma=0.4～1.4的跨声速风洞；Ma=1.5～4.5的超声速风洞及Ma≥5的高超声速风洞。目前世界上最大的低速风洞是美国国家航空航天局艾姆斯中心的国家全尺寸设备，实验段的尺寸为24.4×36.6平方米，足以实验一架完整的真飞机。雷诺数最高的大型跨声速风洞是美国兰利中心的国家跨音速设备，是一座实验尺寸为2.5×2.5平方米的低温风洞，采用喷注射液氮降温方法，使风洞实验的雷诺数接近或达到飞行器的实际飞行值。

风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。洞体，它有一个能对模型进行必要测量和观察的试验段。试验段上游有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管。试验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排气段或导回到风洞入口的回流段。

例如轴流风洞结构如图所示，由电机驱动轴流风机为动力，使气流进入蜂窝器、阻尼网，经过收缩段进入第一工作段，经扩压段进入第二工作段再经过扩压段的阻尼网、整流罩，流经风机排出到大气中去。

1.2 风洞在各行业中的应用

风洞在气动力研究和飞行器气动设计中一直有着非常重要的作用。空气动力学中的许多重要理论，如空气螺旋桨理论、边界层理论都是在风洞试验中经过大量观测后提出来的，并且它们的应用又得到了风洞试验的验证。在飞行器的研制和发展中，风洞的作用更为明显。从1930年世界上出现第一架飞机以来，所有飞行器的研制都离不开风洞。很多气动布局的新技术，都是在大量的风洞试验中取得的。

随着工业科学技术的发展，风洞在非航空、航天领域的应用也日趋广泛。例如，气流测试仪器的标定，普通建筑、高层建筑、电视塔、高压电缆、大型塔架及其他各种建筑物的风载性能，汽车、火车及其他交通车辆的气动性能，大气污染现象，各种风力机械、防风林和防沙林、体育器械的性能等等，都需要利用风洞实验的技术，在风洞中进行各种试验。

例如湖南大学风洞实验室是用高科技手段在室内模拟各种自然风现象的实验场所。在民用设计领域，在桥梁、高层建筑领域或工业制造领域中有着广泛的应用前景，在工业产品的设计特别是交通工具的设计中也发挥着重要作用。此风洞管道长57米，由风源、高速实验段、低速实验段和转盘等部分组成。其中，风源是从直升飞机制造厂定做的直径4米的9叶大风扇，最高转速567转／秒，模拟最大风速为60米／秒，最小为1米／秒。高速实验段和低速实验段是人造风的两个通道，低速段4.5米的高度和高速段17米的长度，创造了国内同类型风洞的新纪录。由于风洞高度越高，对高层建筑或大型桥梁模型受风情况提供的数据越精确；长度越长，越能精确地模拟风速的各种自然状态。因此，此风洞为相关研究提供了良好的实验条件。风洞的转盘在低速段和高速段各设一个，低速段转盘上可安放桥梁节段模型，高速段转盘上可安放桥梁节段模型和汽车模型。在实验过程中，风洞的大风扇将模拟出各种风力，通过蜂窝状的导流管，均匀地或者模拟自然风吹到被实验的模型上，从而为大桥、楼房、汽车的受风情况提供各种准确数据，为建筑设计提供可靠的科学依据。

根据试验的目的和任务的不同，飞行器的风洞试验各有其侧重点。例如，其一是飞行器的强度试验。它的目的是要对飞机整体或某一部件进行结构验证，以便获得飞机整体和部件结构在载荷和环境条件下的状态、耐受力等数据。这种试验又分为有具体针对性的静力试验、动力试验、热强度试验和疲劳试验。其二飞行试验的目的在于在真实飞行状态下，测试所有新飞机所使用的机上设备，进而检测这些新研制或经过技术改进的设备的性能。这种试验需要有专门的记录仪器，以及有遥测、遥控装置的模型飞机进行多次试飞。模型飞机既可以依靠自身动力从地面起飞，也可以由其他飞机投放，还可以用火箭动力发射。其三是用于测试飞机的整体和各结构部分，以及其他附属机、构件和辅助设置在各种环境条件下的性能。一般来说，这些环境条件应当包括寒冷地带，火热地带，高原地区，海洋空域等，以此来试验飞机的发动机在高温、低温、常温状态下的启动和运转，以及飞机的结冰防冰，雷击，腐蚀敏感性，电子抗干扰力和外物吞咽试验。

汽车风洞有模型风洞、实车风洞和气候风洞等，模型风洞较实车风洞小很多，其投资及使用成本也相对小些。在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行试验，其试验精度也相对低些。实车风洞则很大，建设费用及使用费用极高。目前世界上的实车风洞还不多，主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司。气候风洞主要是模拟气候环境，用来测定汽车的一般性能的风洞。国外的汽