全机压力测量风洞试验指导书

一、试验名称：

低速风洞全机模型气动力和力矩测量试验

二、试验目的及要求

通过试验，深化对空气动力学理论的理解，初步掌握空气动力低速风洞试验技术：常规测力试验设备的使用，了解使用工业控制机对风洞风速和模型姿态角控制和信号采集及处理的基本方法。了解风洞试验数据的修正和处理方法，初步掌握低速风洞测力的空气动力特性的规律和分析方法，试验数据曲线的绘制软件的应用。

三、试验设备

本次试验采用沈阳航空工业学院SHDF低速闭口回流风洞（见图1）：

1、风洞主要几何参数

风洞试验段：闭口宽×高×长= 1.2m×1.0m×3m，四角切角。

风洞收缩段：收缩比n = 8，长1m。

风洞稳定段：圆形，截面尺寸直径4m，总长2m。蜂窝器为正六角形孔，对边距20mm，深300mm。阻尼网共6层，20目。

图1 SHDF低速风洞平面图

2、风洞动力系统

变频器驱动三项异步交流电机带动螺旋桨工作。变频器功率75kW；电机为四极，功率75kW。桨叶翼型为RAF-D, -E，共6叶。

3、控制和数据采集系统

风洞的控制系统是由计工业控制计算机（研华610H）、风速传感器（DCXL-10D）和变频器（SPF-75）组成，用VB语言开发的控制程序，对风速进行闭环控制，风速的控制精度为±0.2m/s。模型姿态控制由计算机、步进电机驱动器（BQH-300Y）和步进电机（110BF003）分别带动模型支撑系统（尾撑和腹撑）做垂直面内转动（称为迎角α）。迎角α转动范围为-15°~+25°，侧滑角由转盘涡轮蜗杆手动控制，β转动范围为-180°~+180°。由旋转编码器实施测量转动角度。数据采集系统是通过数据采集处理程序驱动，将杆式应变天平受力（或力矩）变形感应到的电压变化信号和压力传感器输出的电压信号，通过信号调理器（XL 2102E）及高精度稳压电源（XL 2101）对信号进行滤波、放大后，送入12位数据采集卡（PCL－818L）变为数字量，进入计算机中央处理器处理。

4、DFD风洞流场的主要技术指标

5、DBM-4041标准模型

试验采用的模型为4041标准模型，为全钢制模型，模型比例1:3。该模型是国际、国内通用的低速风洞标准模型，具有气动力在较大雷偌数范围内变化不敏感的优良特性，而且有国内外多个风洞的试验数据可作比较参考。主要参数如下：

四、风洞试验原理

1、相对性原理和相似准则

用模型在风洞中进行试验来模拟飞行器在空中的真实飞行应满足相对性原理和相似准则。相对性原理即：在初始条件、物性条件和边界条件相同的情况下，物体在流体中运动所受的力与物体不动而流体以相同速度（大小和方向）相对物体运动时物体所受的力相同。相似性准则即：对于流体动力学试验来说，只要满足模型与真实飞机是几何相似、运动相似、动力相似和热相似的，则两个流场相似。对于低速流动来说，主要相似参数有：

代表粘性影响的雷诺数： μ

ρVl =

Re ；

代表压缩性影响的马赫数: M a = V/a ； 表示流体压力与惯性力之比欧拉数;2

Eu V p

ρ∆=

; 物体上的力与惯性力之比 牛顿数2

2Ne l

V F

ρ=

如果绕模型流动与绕实物流动的相似参数相等，那么两者压力系数相同，力系数相同。试验时，让风洞的流场满足主要影响的相似准则，对不满足的相似参数可以经过修正来保证实现模拟，这样就可以把风洞中模型的力和压力用系数的形式用到真实的物体上。 2、主要测量过程

通过调节可控制转速的电机带动螺旋桨产生所需的风速流过支撑在风洞中与真实物体几何相似的模型，用应变天平测量模型所受的6个力分量，再经过数据处理得到空气动力系数。过程如下：

（1） 在无风速V = 0时，采集模型在各个姿态下的各单元的初始记录。

如：阻力、升力和俯仰力矩单元的零读数x 0，y 0和M z 0（mV ）。

（2） 风洞开车，改变模型姿态，在试验风速下V = V I 时，采集记录阻力、升力

和俯仰力矩单元的读数x i ，y i 和M zi （mV ）。 （3）用对应的试验值减去初始值:

()0x x K x i x -= ()0y y K y i y -=

()0z i z M z M M K M z -= ………

其中，K x ，K xy ，K Mz 为天平校准系数，单位为N/mV 和N·m/mV ，由天平校准时给出。

（4） 对采集的数据进行风洞流场的各种修正，得到各分量的气动力系数：纵向

的升力系数C y ，阻力系数C x 和俯仰力矩系数m z ，横向的侧力系数C z ，滚 转力矩系数m x 和偏航力矩系数m y 。以及各分量的气动导数和气动力特征参数。

qs y C y =

qs x C x = A

z z q s b M m = qs z

C z = q s l M m y y = q s l M m x x = 其中：

q 为试验速压，2

22121V RT

p V q a ==ρ；

p a 为当天当地的大气压（Pa ），T 为风洞内空气温度（K ），R 为空气气体常数，取287.05 J/(kg·K)；s 为机翼面积（m 2）；l 为机翼翼展（m ）；b A 为机翼平均气动弦为计算的参考长度。

（5） 存储和输出：按使用需要进行试验数据的显示、输出。一般纵向数据按风

轴输出，横向数据按体轴系输出。

五、全机模型测力试验步骤及方法

1、了解风洞组成及开车程序

① 了解风洞各部分构造及主要功能。 ② 风洞控制主电源开关的使用。

③ 变频器开启和停车步骤；变频器的远程控制开关位置；变频器工作时的

安全注意事项。

④ 使用控制台（或计算机）开车的程序，改变模型角度的控制方法和调速

方法。

⑤ 应急停车按钮的正确使用方法。 2、制订试验计划、进行数据准备和分配任务

● 纵向试验：侧滑角β = 0°

，改变模型迎角α，测量模型的升力、阻力和俯仰力矩，取模型迎角α变化范围为-4°~24°，变化间隔Δα =2°； ● 横向试验：在迎角α = 4°

、8°时，改变侧滑角β测量模型的侧力、偏航