实验流体力学-第三章流体力学实验设备简介

9 0.2094
44
NASA风洞群
动力段
低速风洞发展史
• 1871年 （英）温罕姆
0.46X0.46
18 m/s
• 1901年 （美）莱特兄弟 0.56X0.56
12.2 m/s
• 1902年 （俄）儒科夫斯基 0.76X0.76
9 m/s
• 1907年 （德）普朗特
1.83
9 m/s
• 1914年 （法）艾菲尔 39.5 m/s
702所
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适航性水池
• 主要测试设备： 6自由度非接触运动测量系统 浪高仪、陀螺仪、加速度传感器、压力传感器等
• 大桥：水池南北向架有一座长78米钢质大桥，可绕水 池中心旋转45° 造波机：规则波最大波高可达0.5米，周期0.5～5秒； 不规则波有义波高0.5米，最大波高可达1.0米；波向 角0°～180°
p0i
ห้องสมุดไป่ตู้AiVi
K0i
1 2
VT2
AiVi
K0i
1 2
VT2 ATVT
K0i
1 2
VT3 AT
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风洞能量比
•整个风洞功率损失：
E
Ei
K0i
1 2
VT3 AT
K0i ---------各段压力损失系数之和
1 2
VT3
AT
--------单位时间通过实验段气流动能
40
风洞能量比
• 气流在风洞管道内流动时必然有能量损失。这种损失来 自几个方面： 一是气流与固壁、拐角导流片、蜂窝器以及实验模 型之间摩擦引起的； 二是气流在壁面分离，引起旋涡、紊流等引起的； 三是在直流式风洞中，气流从扩散段排入大气，其 动能损失引起的； 在开口实验段中，射流也会引起能量损失。
现为总压下降。
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风洞能量比
（1）能量损失
• 单位体积流体的总机械能 ＝ 压力能 + 动能
• 能量损失 P0 = P01 - P02
压力损失系数，水力学定义： Pi=Ki 0.5V2i (等截 面)
风洞定义： P0i=K0i • 0单.5位V时2间T (内变第截面i 段) 能量损失（功率损失）：
Ei
• 主要应用方向： 主要从事舰船、船用推进器、水 中兵器等水中运动体水动力特性 研究与试验。同时广泛开展各类 船桨设计及性能优化工作。
702所
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空泡水洞
Cavitating propeller in a water tunnel experiment at the David
Taylor Model Basin
第一部分 实验方法概论
内容
第一章 绪论 第二章 基本理论和方法 第三章 实验设备
第三章 实验 装置
水动力学设备 空气动力学设备
低速风洞 跨声速风洞
实
多相流体力学设备
超声速风洞
验
设
地球流体力学设备
备 环境流体力学设备
生物力学设备
2
第三章 实验 装置
一、低速风洞、水洞
原理：定常、不可压、伯努利方程，连续性方程。
3
自由降落式水洞
稳定段 收缩段 实验段
4
回流式水洞
5
柏林-米特尔区水洞
6
拖曳式水槽
拖曳水池常规实验类型
• 船模阻力试验 • 螺旋桨敞水试验 • 船模自航试验 • 流速仪检定试验 • 沉管拖曳沉放
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配备了造波机的拖曳水池
• 船舶耐波性实验 • 波浪发电 • 海洋平台设计 • 防波堤消波消浪
• 常规试验项目： 结构件强度静拉伸试验 结构件疲劳试验 结构件刚度试验 结构件极限载荷测试
• 主要应用方向： 船舶结构实验室主要从事建/构
造物结构强度、刚度、稳定性、疲 劳等方面的理论研究、结构模型和 实体试验测试及优化工作。
702所
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空泡水筒实验室
• 常规试验项目： 推进器空泡试验; 船体诱导脉动压力测量; 调距桨的叶片转叶力矩测量; 对转桨、导管桨及节能推进器的 性能和空泡试验; 螺旋桨、轴支架与舵组合体的空 泡试验; 用LDV测量螺旋桨周围的速度场; 用LDV测量叶剖面的环量; 轴流泵试验; 水翼试验; 噪声测量 ;
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低速风洞
常规试验项目: 单行器模型测压、测力试验； 操纵舵铰链力矩试验； 飞行器动态与大攻角试验； 飞行员弹座舱试验； 外挂物投放与多体分离试验； 折叠翼展开过程试验； 喷流干扰与直接力模拟试验； 颤振试验； 旋转模型试验； 飞行器、建筑物等地面风载和地效试验； 降落伞等阻力器性能试验； 高速车船模拟试验； 体育运动器械和径赛运动员气动特性研究； 流动显示试验。
• 气流速度可从10-100m/s进行 无极调节，流场品质极佳。
701所
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其它型式的低速风洞
汽车风洞
• 汽车风洞式专门为了研究汽车 的稳定性、升力、阻力、噪声、 污染、散热和风档刮水器等而 建造的。
• 汽车风洞能模拟雨、雪、雹和 太阳辐射，并安装有天平测量 升力、阻力等。
• 风洞底板是可运动的，能模拟 汽车和地面之间的相对运动。
• 主要应用方向： • 适航性水池实验室主要从事舰船、海洋工程装备等波
浪中运动性能理论研究、实验测试及优化。
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深水拖曳水池
• 主要性能指标： 水池主尺度：474(L) ,14(W)，7m(H) 拖车车速范围：0.01～20m/s 造波机：频率0.3～1.2Hz，
• 波高250mm • 主要应用方向： • 深水拖曳水池实验室主要从事舰
702所
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蛟龙号
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深水水下机器人
第三章 实验 装置
一、低速风洞、水洞
原理：定常、不可压、伯努利方程，连续性方程
p0
p
1 2
V
2
AV 常数
注意问题：风扇作用，扩散段作用，能量比。
单回流式低速风洞
扩压段
风扇
调压孔
蜂窝器、阻尼网
实验段
导流片
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直流式低速风洞
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风洞能量比
扩压段
风扇
调压孔
• 主要应用方向： 主要从事各型潜艇、潜器、水中
兵器、水面舰船、水上飞行器等的 水动力/气动力特性研究与试验， 同时广泛开展海洋工程、建筑、桥 梁及其它大型结构物的风/流载荷、 风/流致振动等研究与试验。
702所
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低速风洞
• 主要性能指标： 单回路闭口低速风洞,
• 试验段横截面为3m×3m的 四角圆化正方形，长12m。
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低速风洞
• 主要性能指标： 试验段：截面为3.0m×3.0m去八角 形，长8.5 m 风速范围：3~93m/s连续可调
• 常规试验项目： 水动力/气动力测力试验 舵铰链力矩试验 三维流场特性测试 表面流态显示试验 表面压力/动态压力试验 风/流载荷测试试验 风/流致振动测试
702所
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低速风洞
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潮汐流宽水槽
主要性能指标： 升潮能力：（水深16cm时）最大 水位升速为0.22mm/s。 造流能力：（在16cm水深时）最 大流速为45cm/s。
主要应用方向： 模拟不同的地形与潮汐流流动,如
河道、港口和近岸工程中潮流 的作用与冲刷效应的研究
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船舶结构实验室
• 设施主要性能指标： 最大试验静负荷 ±15000kN 最大试验动负荷 ±2500kN（1套）
• 精密测速仪及测压传感器的标 定.
702所
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循环水槽实验室
• 主要性能指标： 试验段 尺度：10.50 (L)×2.20(W)×2.00m (H)
压力：10～400kpa 水速：0.80～15m/s 速度不均匀度：＜1.0% 空泡数：0.07(水速15.00m/s，顶部压 力10kpa)
702所
水深时）为20cm/s 造风能力：最大风速（在最大水
深时）为20m/s
上海交大海洋工程实验水池
• 上海交通大学于1992年
建成国家重点实验室——
风浪流水池。海洋工程水
池是上海交通大学海洋工
程国家重点实验室的主体。
水池的主要尺度为
50m×30m×6m。可以
模拟风、浪、流各种海洋
环境并能任意改变水深。
船等各类水中运动体水动力特性理论 研究及实验测试，广泛开展流场分析、 船舶性能预测、水中运动体型线优化 等工作。
702所
深水拖曳水池
• 常规试验项目： 阻力试验(含高速滑行艇、气垫船、 水翼艇、水上飞机、地效翼船、水 下模型);
• 自航试验（单桨及多桨船）; 敞水试验（常规及导管组合桨）; 流场测量; 三维流场测试; 船体波形阻力测量; 顶浪状态的波浪试验和外载荷实验; 海洋工程、水下机器人潜水训练以 及基础水动力学试验研究;
旋臂水池示意图
波浪水池
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主要功能
• 试验测定模型作圆周运动时的水动力特性（与拖曳水池只能走直 线对比）
• 广泛用于水面船舶和各种潜水体（如潜艇、鱼雷、水下发射的导 弹等）的水动力研究
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上海交大风浪流水槽
主要性能指标： 尺度：50(L)×0.8(W)×1.2m (H) 造波能力：最大波高为40cm 造流能力：最大流速（在45cm
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循环水槽实验室
• 常规试验项目： 水动力和脉动压力测量（均
匀流场和非均匀流场） 噪声测量 空化起始测试 速度分布测量 流态显示 • 主要应用方向：
主要从事水面舰船、水下物 体及附体的水动力、噪声和振 动等方面的试验研究。
702所
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旋臂水池实验室
• 设施主要性能指标： 水池直径48m，水深4.5m 旋臂最大旋转角度为1rad/s
701所
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垂直风洞
• 模拟降落伞飞行 • 飞行员可以改变姿态，
获得升降的效果。
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其它型式的低速风洞
烟风洞
气流 烟
这种风洞主要用来观察各种流谱。一般尺寸比较小，采用直流 式。在风洞外安装有发烟装置，发烟器中用电阻丝加热矿物油，产生 的烟流用排管从稳定段或实验段入口引入。实验段有观察窗和照明装 置，可以直观地观察到模型周围的流动现象。烟风洞内一般气流速度 很低。
702所
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水下工程结构实验室
• 主要性能指标： 最大工作压力 90兆帕 最大筒径 3.2m 最大筒深 8m
• 主要应用方向： 主要从事潜艇、潜器等各类水下 建/构造物水下结构强度、刚度、 稳定性、密封性等方面的理论研 究、结构模型和实体试验测试及 优化工作。
702所
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水下工程结构实验室
• 常规试验项目： 结构件耐压静压力试验 结构件极限载荷测试 结构件刚度试验 结构件动载荷试验 结构件密封性试验 结构件疲劳试验
损失的能量全部由动力系统通过风扇提供。当然， 动力系统本身和风扇也存在一个效率问题。
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风洞能量的估计
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中大风洞功 率估计
风洞 特性
实验段型式
最大速度 直径
实验段 扩压段 蜂窝器
紊流网 收缩段
收缩比 总损失 K0
开口
65m/s 0.5m
0.0434 0.0511
0.05
0.0307 0.0062
最大波高可达0.6m；造
流系统能产生最大流速为
0.2m/s；造风系统能产
生的最大风速可达
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水坝设计
• 低水头的水流溢流现象 十分复杂，如果坝面设 计的不好，会导致水面 漂浮的污物无法排走
河床侵蚀试验
• In many situations it is the complex two- or threedimensional flow in an open channel that is of interest (as opposed to uniform channel flow). Such flows are often very difficult to analyze theoretically.
蜂窝器、阻尼网
实验段
拐角
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风洞能量比
问题： 1. 试验段气流的动能来自何方？ （1）消耗了电能获得了动能； （2）由压力能转化为动能。
2. 风扇的作用是什么？ （1）增加气流速度（2）增加静压（3）增加能量
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风洞能量比
结论： • 风洞试验段内的动能来自压力能。 • 风扇的作用是给气流提供能量，提高总压，克服损耗。------损耗表
U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station.
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适航性水池
• 主要性能指标： 水池主尺度：长69m，宽46m； 水深：4m； 拖车：最大速度4m/s。
• 常规试验项目： 舰船波浪中水动力测量。
• 船舶以及海洋结构物波浪中运动特 性测试 系泊、靠泊系统的运动、受力（包括 缆绳拉力、护舷碰撞力）测试
• 常规试验项目： 舰船操纵性水动力性能测试
• 主要应用方向： • 主要从事舰船、水中兵器及
潜水器操纵性理论及试验测试， 广泛开展针对各型水中运动体 的操纵性性能预报。
702所
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空泡水筒实验室
• 设施主要性能指标： 试验段： 直径0.8m，长3.2m 水速范围：3～20m/s 变压范围：8～400kPa 最低空泡数：0.15
2.13
• 1917年 （德）普朗特
2.28
35 m/s
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风洞类型
低速风洞承担的研究内容十分丰富，对应各种 具体的研究领域，已经发展了形式多样的特殊用 途的低速风洞。
有研究型、生产型、非航空型等 下面介绍其中几种形式的风洞：
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其它型式的低速风洞
环境风洞
环境风洞是用来研究 建筑物风载，污染大 气扩散等现象的大型 设备。这种风洞实验 段一般都比较长。在 实验段入口采用各种 人工加厚边界层的方 法，产生很厚的边界 层用以模拟大气边界 层。