第二讲流体力学实验设备-风洞

马赫数：M V
低速风洞中主要满足Re数相等。 超音速风洞中主要满足马赫数相等。 亚音速或跨音速风洞中很难兼顾，达不到所需Re 数。
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a
风洞壁的干扰（边界干扰），模型支架的干扰，实 验段气流特性和实际流场的差异等 实验数据需要进行修正。
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实验模型的安装支架
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5. 风洞的分类 （1）按风洞实验段中气流速度V的大小来分 低速风洞：气流速度V<100m/s，马赫数M<0.3，分为回 流式和直流式，不考虑压缩性的影响，最常见的风洞。 高亚音速风洞： 马赫数0.3<M<0.8，外形与低速风动相 似，风扇驱动功率较大，一般为两级以上的轴流式风 扇，回流管道中需装冷却器或换气系统。 跨音速风洞：马赫数0.8<M<1.5，工作段双层结构，内 外层间称为驻室（压力可调）。内层壁面开有孔或槽， 消除模型激波反射现象和低超音速时的模型壅塞。
收缩段、实验段和扩散段
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动力段：通过调节风扇的转速来调节实验段内的气流 速度，可用可控硅整流器提供直流电，直流电动机带动 风扇，实现无级调速，转速稳定。也可用变频器调速。
风扇
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坐标架：风洞的配套设备，固定模型、测量探头 和模型支架等，采用高精度步进电机驱动，二维或 三维移动。 测量设备 测力：气动力天平，测量模型上所承受的力和力 矩。测力实验得到的是流场的综合结果，不能分析 产生气动力的原因。 测压：模型表面的压力分布。 测速：二维或三维速度分布，流场结构。
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天津大学流体力学实验室低速回流式风洞（建成于1964年） 速度1-40米/秒，来流背景湍流度0.2%，试验段0.6*0.8*1.5
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§2.3 烟风洞
烟风洞主要用于低速气流中的流动显示，一般由风 洞本体、发烟器、风扇电动机和照明装置等组成。
烟风洞
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§2.4 大气边界层风洞（环境风洞）
1 n V Vi Vi为第i个测点的气流速度，n为测点数， n i 1
或用动压的均方根偏差来表示：
1 n qi q 2 q ( ) 0.5% n 1 i 1 q
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方向性 气流的流动方向与风洞轴线的夹角不大于 0.5 湍流度
0.08% 低湍流度风洞： 0.16% 一般低速风洞：
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汽车全尺寸风洞
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轴向静压梯度 由风洞壁附面层沿气流流动方向发展，其厚度逐渐 增加。开口风洞可不考虑。闭口风洞可适当调整实验 段的截面积使其有一定的扩散角（约为0.5），消除 轴向静压梯度的影响。
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扩散段：将气流的动能转变为压力能，截面积逐渐 扩大，扩散角一般<7，扩散角过大容易产生流动分 离，造成能量损失和气流脉动增大。
第二章 空气动力学实验设备——风洞
§2.1 风洞简介 1.风洞:产生可控人工气流的空气动力学实验装 置。 2.风洞实验的基本原理 流动的相似性 几何相似 运动相似 质量相似 动力相似 热力学相似 动力相似准则：St数（非定常性），Re数 （粘性）,Fr数（重力）,马赫数（压缩性） 1
3. 风洞的功能 （1）空气动力学和流体力学基础性研究 各种翼型的气动力特性：压缩性和粘性附面层的 影响，翼型上附面层的控制，激波与附面层的干扰和 传热的影响，三元机翼的气动力特性，飞行器再入大 气的气动热等空气动力学的基本规律 圆柱绕流、钝体绕流等流动特性和涡旋结构 大气扩散规律 湍流（各向同性湍流、边界层、可压缩湍流）流 动结构 为理论流体力学和计算流体力学提供实验资料
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4. 风洞实验的优缺点 （1）优点 风洞的实验条件：如空气压力、温度、密度、速 度可以准确控制，控制风速较为方便。 利用率高。 实验模型和观测仪器都是固定不动的，便于流动 现象的观测，实验测量精度较高。 可将实验对象的各部件做成不同模型单独进行实 验。
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(2) 局限性 不能保证和实际流场完全相似。风洞实验只能是 部分相似，不能满足所有的相似准则。 Re数：Re V L
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2. 单回流式风洞
回流式风洞示意图（开口）
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拐角
扩散段
动力段
拐角
回流段
拐角 拐角 稳定段 收缩段 实验段 扩散段
回流式风洞（闭口）
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低湍流度风洞试验段长1.7m，宽0.4m，高 0.4m，最大风速25m/s
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拐角：一般风洞设计中气流要通过四个90的拐角。 气流经过拐角时容易发生流动分离，产生旋涡，造成 流动不均匀和脉动。能量损失大。 在拐角处需布置导流片，采用大弯度的翼型。 回流段：作为气流的回路，同时起扩压的作用，面 积逐渐扩大。 动力段：使通过风扇的气流恢复平直，风扇后需装 置反扭导流片和整流罩等。
前实验段
后实验段
直流式大气边界层风洞
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大气边界层的模拟要求： 平均风速剖面
U ( z) z ( ) 指数形式： Ur zr
zr为参考高度，Ur为zr处的平均风速，为与地表粗 糙程度有关的剖面指数。 湍流度分布：大气边界层的湍流度随高度增加而 逐渐减小 湍流功率谱 湍流积分尺度
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（2）工程性的实验项目 航空航天：飞行器或其他部件模型的升阻力实验、 压力分布实验、流场测量实验、颤振实验等，确定飞 行器的气动力特性，为气动设计提供科学依据 风工程：高层建筑物、高大烟囱、电视塔、桥梁、 大跨度结构物的风力载荷 交通：交通工具的气动阻力和稳定性实验 能源：风力发电、流体机械叶轮机性能 空调效率 环保工程：污染源扩散、环境评价、合理布局 计量工程：校测各种测速仪器
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大气边界层的风洞模拟： 不同地貌特征下的大气边界层
大气边界层模拟装置 尖劈、粗糙元 、格栅、挡板等
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大气边界层的模拟装置布置图
尖劈示意图
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大气边界层平均风速和湍流度分布剖面的模拟
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风环境和污染扩散
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体育场
高层建筑 各种建筑物的风压分布
会展中心
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电视塔的气动特性
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同济大学TJ-3风洞试验段尺寸是宽15m、高2m、长14m，其风速范围 0.2-17.6m/s连续可调，是国内最大的边界层风洞，居世界同类风洞第 二位，可以进行跨度超过2000m的超大跨桥梁的全桥气弹模型风洞试 验、大跨屋盖结构风荷载试验及环境、扩散等试验
实验段
扩散段 动力段
直流式风洞示意图（闭口15
天津大学流体力学实验室直流抽吸式低湍流度风洞（建于2001年） 风速1-40米/秒 连续可调，背景湍流度0.07%，试验段0.35*0.45*6
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稳定段：改善流动特性，使气流平直、均匀 蜂窝器：将气流中的大旋涡变成小旋涡并对气流进 行导向（与风洞轴向一致）。 阻尼网：降低气流湍流度，使气流均匀。
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维托辛斯曲线：
R R0 x 2 2 ) ] R0 2 x0 1 [1 ( ) ] R1 [1 1 ( x ) 2 ]3 3 x0 [1 (
R1 R R0 x x0
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实验段：安装模型进行实验的工作段，气流速度最 大最均匀的一段（截面积最小），实验段的截面形状 有圆形、方形、长方形、八角形等。 开口实验段：模型安装方便，观测容易。气流的能 量损失大，气流品质较差。实验段长度为1~1.5R0。 闭口实验段：装有透明观察窗，气流均匀区域大， 能量损失小。模型装卸不方便。实验段长度为 2~2.5R0。 实验段的气流特性是设计风洞、评价风洞性能的主 要指标之一。
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§2.2 低速风洞

低速风洞可分为： 直流式低速风洞：构造简单，占用空间较大 回流式低速风洞：气流通过实验段后再通过管道循 环一周回到实验段中，构造复杂，所需空间较小 单回流式：最常用的型式 双回流式：比较大型的风洞 环形回流式：变密度风洞，风洞强度较高
1.直流式风洞
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气流
稳定段
收缩段
蜂窝器
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收缩段：加速气流，达到所需要的均匀气流速度和 湍流度。 收缩比n：收缩段进口大截面与出口小截面的面积 之比。 收缩比越大，收缩段出口气流的速度分布越均匀， 湍流度越低。能量损失大，造价也越高。 一般低速风洞的收缩比为4~10。 低湍流度风洞：采用大的收缩比。 光滑过渡的收缩曲线：维托辛斯曲线
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实验段气流品质的要求： 气流稳定性 风速的相对变化来表示：
V V V 0.25% V V
动压的相对变化来表示：
qq 0.5% q
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断面速度分布均匀性 截面上各点的气流速度与该截面气流平均速度的均 方根偏差满足：
1 n Vi V 2 V ( ) 0.25% n 1 i 1 V
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水平式风洞和立式风洞（按实验段气流方向） 立式风洞（垂直风洞）：产生垂直向上气流，模 型重力平行于实验段轴线，除可进行常规实验项目 外，还可进行飞机尾旋性能测试、飞行器垂直运动 特性、返回式卫星及载人飞船回收过程中空气动力 稳定性测试等特殊实验项目，跳伞模拟训练 尾旋：飞机在持续的失速状态下，一面旋转一面 急剧下降的现象。 我国已建成第一座大型立式风洞，总高55m，实 验段直径5m，中心最大风速可达50m/s。
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§2.5 汽车风洞
汽车风洞的主要作用： 优化造型，降低风阻，降低油耗 提高汽车行驶安全性和操纵稳定性 控制汽车内外空气动力噪声 汽车发动机冷却系统、空调试验、车窗去雾防霜等环 境试验 风洞实验是汽车设计制作过程中的重要环节。 汽车风洞一般分为： 模型风洞 全尺寸风洞 气候风洞 同济大学已建设国内第一座全尺寸（整车）汽车风洞。
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超音速风洞：马赫数1.5<M<4.5，一般采取暂冲式 工作方式。采用下冲或抽吸的方法达到所需的马赫 数。 高超音速风洞：马赫数4.5<M<10，需要有很高压力 的高压气源（高压压气机和高压贮气罐）和真空 罐，采用下冲和抽吸的方法造成很高的压力比。需 防止气流加速过程中产生液化，在进入收缩段前要 预热。 极高速风洞：马赫数M>10，又称为激波风洞，气 流密度极低，相当于极高速的洲际导弹在高空飞行 的状态。