風洞的分類發表時間：2022-07-05 09:42作者：購儀器儀表網 What is wind tunnel？ 風洞是一種能人工產生和控制氣流、模擬飛機或物體周圍空氣流動、測量氣流對物體的影響，觀察物理現象的管狀實驗設備。它是氣動實驗中最常用、最有效的工具。風洞試驗、數值模擬、飛行試驗是當今研究飛行器空氣動力學問題的主要方法，這三者之間相互補充、相互促進、共同發展、缺一不可。因為物體幾何結構和氣體流動現象的復雜性，航空發動機氣動設計和空氣動力學研究中的許多問題只能通過理論或解析方法來解決。所以有必要將大量的實驗與大量的實驗數據相結合，找出規律并與理論分析相結合，從而解決實際問題。 由于航空航天技術的發展，飛機設計對氣動性能的要求越來越嚴格，越來越多的課題需要風洞試驗來解決實際問題，因此世界各地都建造了許多風洞，并且不斷更新。許多國家都有許多專門從事風洞設計和研究的公司或單位，如俄羅斯中央流體力學研究所設備設計與工程部、加拿大dsmaa公司、法國塞西亞公司、美國ASE公司、中國航空工業空氣動力學研究所等。 此外，由于工業科學技術的發展，風洞在非航空航天領域也得到了廣泛的應用。比如各種建筑物的風荷載性能，汽車和火車的空氣動力性能，空氣污染現象，各種風力渦輪機等等，都需要利用風洞實驗技術在風洞中進行各種實驗。例如2020年5月因為水馬不正確的放置導致虎門大橋渦振明顯停止通車；再如，在跨音速壓氣機中，壓氣機的單級增壓比不僅僅取決于葉片的做工，還取決于葉片前緣、頂點后的激波的強度，所以這類葉片以及超音速壓氣機葉片的設計離不開風洞試驗。 1、風洞的組成 風洞主要由洞身、驅動系統和測控系統組成。每個部件的形式因風洞的類型而異。實驗部分，用于測量和觀察模型；實驗段的上游，有噴管將氣流加速到所需的速度（噴管是連續加速氣流的管道）和穩定段（穩定段可以提高氣流的平直度和減少湍流）；實驗段的下游，有一個擴散器，用于降低流速和殘余速度損失，還有一個排氣段，用于將風洞外的氣流或回流段引導至風洞入口。 風洞最重要的的驅動系統 目前該系統有兩種類型 一種是由可控發電機及其驅動的風扇或壓縮機組成，采用這種驅動系統的風洞稱為連續風洞。另一種是用小功率壓縮機將空氣壓縮并儲存在儲氣罐中，實驗開始時，閥門快速打開，使高壓空氣直接或通過引射器進入隧道，采用這種驅動系統的風洞稱為臨時沖擊風洞（一般工作時間單位為毫秒）。 風洞出口氣流能否達到實驗要求離不開噴管。亞音速風洞與超音速風洞所使用的噴管并不相同，根據下式不難看出：
其中是v速度，Ma為馬赫數，為噴管截面的截面積。可以看出，對于亞音速（Ma< 1）與成反比，所以要是氣流速度增加，噴管的截面積必須減小，亞音速噴管的示意圖如下圖1所示。對于超音速噴管由于要將氣流從亞音速加速到超音速，所以超音速噴管一定是先收縮后擴張，超音速噴管的示意圖如下圖2所示。
風洞試驗的種類與類型 風洞主要的劃分類型是根據風洞出口速度范圍進行分類。這是因為風洞不同的速度區域決定了它們不同的工作原理、類型、結構和尺寸；然而，飛機在不同速度下的氣動特性是不同的，相應的風洞只能提供相應速度范圍內的氣流條件。所以風洞分為以下幾類：按實驗段氣流速度大小來區分，可以分為低速、高速和高超聲速風洞。 （1）低速風洞 ：Ma＜0.3；低速風洞中的氣流基本可以看成是不可壓縮的，由于流速比較低，維持氣流運轉并不需要很大的功率。 （2）亞音速風洞：0.3＜Ma＜0.8；有必要考慮空氣可壓縮性的影響。一般比例尺模型會被阻塞（MA=0.80.85），氣流能量損失與速度的三次方成正比。為了減少能量損失，需要一個高效率的擴壓器。 （3）跨音速風洞：0.8＜Ma＜1.2左右；速度范圍應包括低臨界Ma數（來流Ma數對應模型表面局部超音速流動）和高臨界Ma數（來流Ma數對應模型周圍所有或幾乎所有流場），這兩個臨界Ma數之間的流動但它是跨音速的。風洞允許的模型尺寸相對較小，所需的驅動功率相對較大。 （4）超音速風洞：1.2＜Ma＜5.0之間；當實驗段的Ma大于1.4時，空氣必須保持干燥，以防止水蒸汽在膨脹加速時凝結，但在Ma<5.0的范圍內，隨著膨脹溫度的降低，空氣本身不會液化，超音速風洞的特點是必須有拉瓦爾噴管才能產生均勻的超音速氣流，而某一形式的噴管對應于一定的Ma數，為了避免風洞運行所需的高功率，通常采用間歇式，即空氣在一定的高壓下壓縮一定的時間，并在試驗段內短時間排出形成超音速流。 （5）高超音速風洞：5.0＜Ma＜12；當Ma大于5時，必須加熱空氣，以防止空氣在膨脹過程中被液化。這是高超聲速風洞與超音速風洞相比的一大特點。高超聲速風洞Ma數的上限是當Ma超過10或12時，一般的加熱器和壓氣機很難提供高的滯止點溫度和高的壓比。 （6）高焓高超音速風洞：Ma＞12；當Ma大于12時，氣流所需的壓力比變得非常大，需要將空氣加熱到很高的溫度以防止液化。高焓高超聲速風洞需要非常高的壓力和高溫空氣才能工作。因此，該種風洞面臨著兩個問題：高溫下噴管管壁的強度以及防止噴管喉部熔化。高焓高超聲速風洞通常保持很短的工作時間，以毫秒表示。 風洞試驗的種類與類型 風洞主要用于航空航天技術。隨著工業科學技術的發展，風洞在其他行業的應用越來越多，其類型可以歸納為四種類型： （1）空氣動力學的基礎性研究 風洞實驗可以研究空氣動力學的基本流動規律。如不同形狀物體的繞流問題、物體表面邊界層的發展、湍流的結構和流動規律、物體表面的空氣分離、尾跡、激波與邊界層的相互作用等。 （Figure 3機翼流油實驗示意圖） （2）為飛行器設計提供新的布局技術 為飛機設計提供了一種新的零件造型或布局技術，通常需要一系列的系統實驗。一般來說，我們需要從實驗中獲取大量的數據，經過整理歸納后提供給設計者。例如，各種飛機機翼的氣動特性；機翼與機身的相互位置和干擾；螺旋槳特性；噴氣發動機的氣動布局等。除了氣動性能數據外，還需要對流動現象進行機理解釋。 （Figure 4新型飛行器氣流擾流示意圖） （3）飛行器的生產實驗 設計一架飛機，如新型軍用飛機或者無人機，需要根據飛機的氣動布局、飛機的技術要求以及以往的設計經驗，制定出至少數十種可能的氣動設計方案。將這些方案制作成模型并進行風洞試驗，比較其優缺點。今天，隨著計算機加入流體力學的計算，很多方案都會先選擇在計算機模擬，根據模擬結果不斷更改模型，但最終還是得通過風洞實際實驗，這就是選型實驗。方案確定后，將在飛機的詳細設計中進行更詳細的試驗，即所謂的定型試驗。 （Figure 5飛行器測力實驗） （4）非航空航天的氣動力實驗 隨著工業技術的發展，風洞試驗逐漸在機械、建筑、橋梁、車輛、氣象等領域被應用。例如，貨車在高速行駛時，至少有三分之二的阻力來源于前后的壓差阻力，通過對車輛加裝Airtab空氣動力學件，可減少5%的油耗，Airtab的定型、驗證均有在風洞實驗室進行數據采集。 （Figure 6 高速摩托擾流實驗） 風洞設計的相似性原理 相似性原理主要相似參數是馬赫數Ma、雷諾數Re和紊流度ε。這三個參數的相似原則如下： （1）馬赫數Ma 馬赫數表示空氣的慣性力與物體的彈性力之比。它反映了氣體宏觀定向運動動能與分子微觀不規則運動動能之間的比例關系。其表達式為：
(2) v表示流體質點的運動速度，a表示流體質點當地聲速。 流體的可壓縮性與聲速有關，空氣流速的變化也影響空氣密度和壓力的變化。對于流動氣體，氣流的可壓縮性不僅與氣體中的聲速有關，而且與氣流的速度有關，因此馬赫數也反映了可壓縮性的影響[23]。對于可壓縮流動，馬赫數是主要的相似準則。 (2）雷諾數Re 它的物理意義是物體在靜止空氣中運動時慣性力與粘滯力的比值。模型氣動特性中的粘性現象，如邊界層流型、氣動阻力、分離流和失速特性等，明顯受Re數的影響[25]。Re數是保持與全尺寸狀態相似的主要相似準則。其表達式為：
(3) 其中是氣體密度ρ，L是模型特性尺寸，v是氣流速度，μ是氣體動力粘性系數。 如果風洞實驗的雷諾數太低，實驗結果的外推有時是不可靠的，所以對于設計風洞來說，如何以最經濟、最有效的手段盡量提高Re數是一個重要問題。根據Re數的定義可知，提高Re數的途徑有:增大模型特性尺寸L;提高氣流速度v;提高氣體密度和降低氣體動力粘性系數。 （3）紊流度ε 在三維空間坐標中，氣流速度沿各坐標軸的速度分量等于該軸方向上速度的時均值與脈動值之和，若設沿x，y，z軸方向速度的脈動值分別為 則紊流度ε
(4) 指示氣流脈動是否相似的標準。流體微團簇的不規則運動是脈動產生的原因。在低速風洞中，提高風洞收縮率和在穩定段安裝整流網是減小湍流的有效措施。 聲明：此篇為蘇州閩泰瑞澤電子科技有限公司原創文章，轉載請標明出處鏈接：http://www.salesjp.com/h-nd-414.html
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