低速鳳洞實驗段流場特性研究

(中國民航大學航空工程學院 天津 300000)

低速鳳洞實驗段流場特性研究

李勇

(中國民航大學航空工程學院 天津 300000)

針對新建直流式低速風洞，介紹了其流場品質的測試方法和測試數據分析。包括:實驗段風速、氣流穩定性、流場均勻性、氣流偏角、湍流度等五項，給出了測量的數值結果和相關參數的分布曲線，并確定了風機工作頻率與氣體流速之間的關系。實驗結果表明：該風洞具有較好的流場均勻性和穩定性，具備了開展相關實驗和教學研究的基本條件。

直流式低速風洞；流場品質；皮托管;壓力管

風洞是通過人工產生和控制氣流并按一定要求設計的管道系統，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，研究氣流對物體的作用并觀察物理現象，使用動力裝置驅動一般可控制的氣流，根據運動的相對性和相似性原理進行各種氣動力實驗的設備。風洞是進行空氣動力學實驗的一項基本設備，是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具，有著極其重要的作用。風洞實驗段的流場品質會直接影響風洞實驗結果的準確性和可靠性，所以在開展空氣動力學實驗研究工作之前對風洞內部流場品質進行檢測和驗證是非常必要的[1,2]。

在各種空氣動力學實驗中，需要測量氣流參數(如壓強、流速、溫度、流向、湍流度等)中的一種或幾種。為了減小和消除系統誤差，應盡可能使用使流場品質滿足規定的標準。為此，在進行任何空氣動力學實驗之前，需要測量無模型空風洞實驗段中氣流各項參數的空間分布。此即氣流流動特性研究，通常也叫流場校測。本文對實驗用直流式低速風洞整體運行情況和實驗段內的流場特性進行研究，對風洞的總體性能作出評價，為今后的空氣動力學實驗提供技術依據[3]。

一、風洞流場測試方法

(一)鳳洞的基本要求。風洞主要包括實驗段、穩定段、收縮段、擴壓段、風扇段等洞體部分以及蜂窩器、阻尼網、整流罩等內部構件。

圖1 直流式低速風洞

(二)實驗方法。采用皮托管和微差壓變送器組成的測量系統來測定氣流的動壓，球面型立手L探針來測定氣流的方向，用變頻調速儀來調整風機裝置以控制風速。實驗中在實驗段的中心截面上均勻布置3×3×5共45個測點，如圖2所示。根據具體測試項目，選定風機的9個工作頻率為5、10、15、20、25、30，35、40、45Hz或者其中單一的工作頻率。

圖2 實驗段測點

二、測試數據及分析

(一)實驗段風速。在低速氣流中，默認實驗段中的氣流為不可壓縮流體，如果能夠測出整個流場氣流的總壓和靜壓之差，即測量出流動氣流的動壓，則可根據伯努利方程計算出氣流的速度：

(1)

(2)

其中:q：動壓；ξ：皮托管修正系數；Δp：總靜壓之差；ρ氣流密度；v氣流速度。

在測量過程中，由于皮托管的移動，其軸線可能出現與氣流軸線的偏離，但對于頭部為半球形的速度探針而言，當氣流偏斜角在α=±10°的肉眼可分辨范圍內變化時，總壓和靜壓均勻下降，壓差Δp保持不變，指針讀數不變。故用皮托管測速是可靠的[2]。

由公式(1)得出各頻率下實驗段中氣流的速度，還得到風機工作頻率與實驗段平均流速的關系，實驗段的關系曲線見圖3。由圖3可見，試驗段風速最大可達38m/s。

圖3 實驗段風機工作頻率與平均流速的關系

(二)實驗段的穩定性。由氣流穩定性的定義：氣流的動壓或速度隨時間而脈動的情況，可用一定時間(完成一個測所用時間)瞬時動壓和平均動壓之差絕對值的最大值與平均動壓之比表示：

(3)

在距離實驗段入口0.53m處截面中心位置，頻率分別為10、20、30、40、50Hz的情況下，校測氣流每隔1min的動壓變化，測量數據見表1～表3:

表1 f=10Hz時氣流穩定性測量數據

表2 f=20Hz時氣流穩定性測量數據

表3 f=30Hz時氣流穩定性測量數據

由公式(2)計算可得本風洞在風機工作頻率分別為10、20、30、40、50Hz的情況下實驗段的動壓脈動量分別為0.36%、0.38%、0.31%、0.23%、0.27%，一般要求η≤0.5%，可見，本風洞的氣流穩定性滿足要求。

(三)實驗段的均勻性。流場的均勻性是指氣流速度在空間的分布情況。一般通過流場內的動壓系數μ來評定流場指標：

合格指標：|μ|≤0.5%

先進指標：|μ|≤0.2%

動壓系數μ為：

(4)

由此可求得各測點的動壓系數，見表。由表中數據可知|μi|max=0.048<0.2，滿足先進指標要求，實驗段流場分布均勻。

表6 各測點的動壓系數

(四)實驗段的氣流偏角。實驗在頻率為30Hz的情況下，在距實驗段人口0.53m處的截面中心位置測量流動點的流向特性。

合格指標LΔα≤0.5°,Δβ≤0.5°

從測試結果看出，本風洞實驗段氣流方向與風洞軸線偏角很小。

表7 氣流偏角壓力測量數據

(五)實驗段的湍流度。湍流度通常定義為三個方向脈動均方值的平均值。本次實驗中，我們假定流動為一元流動，根據湍流度定義，各測點上的湍流度由下式確定：

(5)

其中要求模型區中心的湍流度ε達到≤0.2%

圖4給出了不同頻率下該點的湍流度。

圖4 不同頻率下的湍流度

可見，本風洞湍流度合格。并且，由于整流裝置的存在，使得氣流比較均句，其湍流程度會比較好，符合今后實驗的需要。同時，在整個實驗段上，邊界區域的湍流度會較大。對于空風洞，我們可以認為實驗段中的氣流是各向同性湍流，使用式(5)來確定湍流度。由于測量系統的慣性，這一方法對不穩定氣流的測量有很大限制，測量介質與被測介質要達到平衡需要一定時間，這與氣流的脈動變化要產生一定的時間遲滯。實驗測出的氣流湍流度要小于實驗值，但作為定性的分析，湍流度的測量結果也還是說明了氣流脈動的分布規律[2]。

三、結論

風洞實驗設備中風機的工作頻率與實驗段的氣流平均流速呈線性關系，由此可以得到在風機頻率范圍內的任意氣流速度；氣流的穩定性是指動壓或速度隨時間而脈動的情況，這種脈動是低頻的脈動，可用機械傳感器，如皮托管測量。實驗結果明確定氣流穩定性的實驗手段和方法是可行的，結果也是可靠的。穩定性主要與施工質量、施工質量、電源系統質量、風扇設計和洞體設計等有關，也與數據采集系統的質量有關。速度較低時穩定性差的原因主要是洞壁干擾造成，另外，風機電源不穩定也會促使氣流失穩。

[1]伍榮林. 風洞設計原理[M]. 北京航空學院出版社, 1985.

[2]鄧磊. 直流式低速風洞試驗平臺構建及全流場氣動特性研究[D]. 武漢理工大學, 2014.

[3]齊娟, 周云龍, 李峰. 直流式低速風洞流動特性研究[J]. 東北電力大學學報, 2009, 29(1):19-22.

[4]王鐵城. 空氣動力學實驗技術[M]. 國防工業出版社, 1995.

[5]吳曉武, 張慶國, 王金枝,等. 風洞的實驗標定[J]. 山東電力技術, 2001(1):8-10.

[6]鄭建光, 任海洋, 聶年曉. 回流式低速風洞流動特性的研究[J]. 中國計量學院學報, 2006, 17(3):212-216.

[7]陳克城. 流體力學實驗技術[M]. 機械工業出版社, 1983.

李勇(1993.04-)，男，漢族，河北省冀州市魏屯鎮，碩士，中國民航大學航空工程學院。