小型鳥類及昆蟲飛行氣動特性測試風洞設計及流場校測

榮 臻， 葉 耀

（浙江大學航空航天學院，杭州310027）

0 引 言

風洞一直是鳥類及昆蟲飛行運動和氣動特性的重要測試手段和數據來源，源于風洞人工氣流內允許在受控環境中對相對靜止的飛行生物進行詳細觀察，例如開展運動學三維實時測試、動態流場可視化測量等研究，同時還可對已有的理論分析和數值計算結果進行驗證；另外在風洞人工氣流中改變各種環境條件，諸如淋雨量和照射光強等，開展鳥類及昆蟲遷徙飛行過程中新陳代謝的演化特性［1］。目前，新建的風洞還允許人工飼養飛行生物來研究與遷徙飛行相關生物特性，利用基于飛行的功率—速度關系的遷移理論以及飛行距離方程［2-3］，評估風洞中鳥類及昆蟲的飛行特性。此外，風洞中還可以開展鳥類及昆蟲滑翔和爬升飛行期間的性能，以及大氣氣壓、濕度和湍流對鳥類飛行的影響，包括對持續飛行期間飛行生物的能量消耗、食物消化成分、蛋白質轉化、水平衡等進行研究［4］。

在過去將近50 年內，眾多生物學和空氣動力學實驗室建造了各式各樣的用于研究鳥類及昆蟲飛行的風洞［5］。Pennycuick［6］報道了最早研究生物飛行的風洞。該風洞為下吹式直流風洞，實驗段為開放空間，雖然飛行生物方便放置，也有利于開展測量，但風洞氣流品質較差。之后，Tucker 等［7］建造了目前常見的吸氣式直流風洞，實驗段為負壓且要密閉，不方便放置飛行生物。1994 年，Pennycuick 等［8］建成一個用于鳥類飛行實驗的回流式風洞。風洞氣流流速范圍0 ～38 m／s，氣流軸線可實現-8° ～8°傾斜。Gerson 等［9］建成一座專門用于飛行生物飛行性能研究的回流式風洞，但受限于收縮比較低，氣流湍流度較高。近期，Ouinn等［10］也建成一座用于鳥類和微型飛行器空氣動力學研究，其獨特的特性在于可變湍流度。另外，現有的先進風洞通常會配備多臺用于拍攝記錄撲翼運動軌跡的高速攝影機和用于測量撲翼繞流空間以及尾流流場速度分布的粒子圖像測速（PIV），同時還會采用特殊儀器和測量技術來記錄飛行動物的生理和形態特征［11］。

目前，國內尚未有專門開展仿生氣動研究的小型風洞的報道，尤其是具有改變來流傾斜角實現飛行生物飛行攻角狀態、人工制造淋雨和光強調節等多種功能的風洞。該類風洞可大量開展小型飛行生物或者微型飛行器氣動特性研究、繞流空間流場特性、飛行運動學特性等；飛行生物遷徙飛行高度一般在1 km 左右，該飛行高度的氣流湍流度相較近地面要低很多，因此風洞要采用低湍流度設計。低湍流度風洞設計不僅要達到有關規范所提出的氣流穩定性、均勻性、方向性指標，還必須使實驗段湍流度低于0.05%。

本文介紹浙江大學新建成的一座用于小型鳥類及昆蟲飛行及氣動特性研究的小型低湍流度低速風洞。該風洞采用了大收縮比回流式布局，穩定段設置10 層阻尼網，利用激光多普勒測速儀（LDV）開展流場品質校測，來流15 m／s條件下，實驗段中心區湍流度在開口條件下低于0.05%；在模型區75%的橫向截面內動壓場系數≤0.5%，滿足設計指標要求，為開展小型飛行生物遷徙過程中新陳代謝作用的規律及環境影響規律，以及小型飛行生物的高機動高性能氣動特性及流動機理提供了研究基礎。

1 風洞總體設計及布局

1.1 總體設計指標和要求

小型鳥類及昆蟲飛行風洞實驗通常是訓練或喂食飛行生物在沒有物理約束情況下在實驗段飛行，無法實現相對靜止飛行也可采用懸吊或者支桿輔助支撐，不會像常見風洞中將模型安裝在天平上進行測量，同時還要具有：①飛行生物在實驗過程中易于放置入實驗段；②飛行生物無法實現自動或受控改變飛行攻角，要求氣流可改變傾斜角以實現攻角改變。常見的小型鳥類蜂鳥和昆蟲蜻蜓，飛行速度一般15 m／s 左右，考慮到風洞場地尺寸限制和低湍流度要求，該風洞實驗段設計為0.27 m×0.27 m，風速范圍0 ～20 m／s。借鑒已建成的低湍流度靜聲風洞設計理念和經驗，風洞選用了性能良好的蜂窩器、損失系數適當的10 層阻尼網以及優良的大收縮比（14.8）收縮段曲線等先進的低湍流度設計［12］。

1.2 總體結構組成

該風洞為回流式布局，由穩定段（含蜂窩器和10層阻尼網）、收縮段、試驗段、第1 擴散段、第1 拐角、第2 擴散段、第2 拐角、過渡段、動力段、第3 擴散段、第3拐角、第4 拐角等部分組成，如圖1 所示。選用回流式開／閉口兩用結構形式。動力系統包括變頻電動機、風扇，測控系統包括測控計算機、數據采集處理系統。測量系統包括激光多普勒測速系統和PIV 流場測量系統。根據實驗場地大小，風洞洞體設計總長7.05 m，最大寬度1.36 m，最大高度3.07 m。實驗段截面尺寸270 mm×270 mm，長度754 mm。風洞軸線傾斜角變化范圍在-8° ～6°。

圖1 風洞示意圖

1.3 低湍流度設計

由于小型鳥類及昆蟲在自然界飛行時翼翅或身體表面的邊界層都處于層流狀態，因此低湍流度設計指標是該風洞的一個主要特點。

低湍流設計很大程度取決于氣流的收縮比，即收縮段上游入口與收縮段下游出口面積；另外穩定段入口的蜂窩器可過濾氣流中大脈動漩渦結構，之后氣流經過多層阻尼網，還可將漩渦打散成更小的渦流。收縮比越大，穩定段氣流速度越低，驅動氣流經過阻尼網所需功率會越小；而阻尼網層數布置越多氣流會越平滑。一般認為［13］，收縮比為12 或＞12，可以實現實驗段速度偏差的均方根（RMS）值低于來流的0.05%，也是湍流度低于0.05%。

2 風洞部件設計

2.1 動力段

風扇系統主要由風扇段管道，風扇，動力機及其支架，預扭導流片及反扭導流片，整流罩等組成。風扇設計的好壞對風洞的效率和性能有決定性的影響。

為了降低噪聲并保證效率，實現氣流最大風速20 m／s左右，動力段采用大弦長的風扇槳葉，風扇槳葉為6 片，電動機型號為Y100L-2，其最大轉速為3 000 r／min，最大使用頻率為50 Hz，功率3 kW，風量為10 200 m3／h，風壓為510 Pa。

2.2 實驗段

實驗段有開、閉口兩種測試方式，兩者的區別為開口式在實驗段出口要安裝收集器，而閉口式實驗段由透明密閉玻璃組成，實驗段出口處開有調壓縫。開口式實驗段方便實驗人員對在氣流中進行訓練的飛行生物進行接觸和操作；閉口式實驗段兩側開設合葉門，最大氣流速度更大，湍流度較小；為避免邊界層充分發展而不發生分離，壁面擴散角為0.5°。閉口實驗段進行PIV實驗測試時，要求閉口段激光入射和相機拍攝的兩個面選用光學玻璃，而背景面需選用啞光黑色板面。

2.3 收縮段

收縮段的作用是加速氣流，使其達到實驗段所需的速度。然而一座風洞要真正達到好的流場品質，收縮段應滿足：①氣流沿收縮段流動時，洞壁上不出現分離；②收縮段出口的氣流要求均勻、平直且穩定；③收縮段不宜過長。

在進口和出口部分的壁型應該變化緩慢，具有盡可能小的曲率。收縮曲線初步選取近年常用的雙三次方收縮曲線，公式為：

根據上述設計要求，該風洞收縮比選擇14.8，滿足低湍流度設計要求。

2.4 擴壓段及拐角

該風洞洞體有3 個擴散段，將實驗段氣流的動能變成壓力能。由于風洞損失與流速的三次方成比例，所以經過實驗段的氣流應盡量降低速度，把動能轉變成壓力能。但減速必然伴隨損失，即動能不能全部轉化成壓力能。在沒有分離的情況下，氣流在擴散段的損失主要是摩擦損失。氣流在經過風洞4 個拐角時其能量損失占風洞總能量損失的40% ～60%。氣流經過拐角時很容易發生分離，出現很多漩渦，因而使流動不均勻或發生脈動。因此在拐角處必須設置拐角導流片，目的是防止分離和改善流動。

2.5 飛行生物保護裝置

為防止飛行生物在實驗過程中飛入穩定段或擴壓段，分別在實驗段入口處縱向加裝多根高碳鋼琴絲和實驗段出口處加裝安全網，保證實驗測量可以順利開展。

2.6 PIV示蹤粒子注入裝置

粒子圖像測速技術（PIV）是風洞流場測試實驗中常用的空間流速定量測量技術，具備較高的空間流速測量精度和分辨率，同時可以實現非接觸式流動測量，對飛行生物飛行狀態不產生干擾。PIV測量需要在待測流場中布撒示蹤粒子，布撒濃度適中且均勻，PIV示蹤粒子注入方式非常重要。實驗中在實驗段出口中心位置處搭設一根粒子布撒管路［14］，管路徑向開設噴煙口，粒子氣流在外部高壓氣流推注下與風洞主氣流混合后在回流式風洞管路中循環使用，實現PIV 示蹤粒子布撒。

3 流場校測

流場校測試驗的目的是檢驗風洞性能和測試設備性能。每座風洞建成后，必須進行流場校測，實測出新風洞的性能、流場品質和實驗數據的精準度，檢驗是否達到風洞設計任務書規定的各項指標。根據風洞設計要求，流速標定、湍流度以及流場均勻性測量是流場校測重要內容。

3.1 校測設備

流場校測選用美國MSE 公司的miniLDV 對瞬時流場單點流速進行測量采集，如圖2 所示。激光多普勒測速儀中兩個相干激光束交叉（形成探針體積）以產生干涉條紋。當粒子或微觀紋理表面穿過該區域時，它反射的光線對應于其通過相長干涉區域的光線。由于條紋之間的間隔是恒定的，因此粒子或表面的速度與反射的突發的頻率成比例。miniLDV傳感器的測量范圍為1 mm／s ～300 m／s，重復性不確定度為0.1%，精度為99.7%［15］。實驗測試中將LDV放置在三維移動架上，在x、y、z 方向上位移調節范圍覆蓋實驗段空間，移動間距為0.1 mm；激光多普勒測速時需要流場有一定濃度的示蹤粒子，因此示蹤粒子布撒裝置發煙機放置在實驗段出口上端，如圖3 所示。

圖2 激光多普勒測速系統圖

圖3 流場校測系統布置圖

3.2 風速標定

新建風洞風速需要標定，也就是獲得電動機轉速與氣流速度的對應關系。流場校測首先利用激光多普勒測速儀對實驗段軸線中心位置處氣流流速進行采集，進而改變電動機轉速獲得實驗段氣流流速并做記錄。如圖4 所示。風速與電動機頻率線性關系良好，電機最大頻率是最大風速可達22.5 m／s。

圖4 風速v與電動機頻率f對應關系

3.3 湍流度測試

湍流度是度量風洞氣流速度脈動程度的參數，通常用脈動速度均方和與時均速度之比來表示，湍流度的表達式為

式中：n為測量點數；vi為第i點的速度，m／s；ˉv為氣流平均速度，m／s。

利用激光多普勒測速儀開展來流風速為v ＝5，10，15，20 m／s下距離實驗段入口x ＝377 mm處，也就是實驗段軸線中點處湍流度測量，結果如圖5 所示，v＝15 m／s湍流度為0.05%，達到風洞設計指標要求。

3.4 流場均勻性

流場均勻性是風洞試驗段流場品質的重要指標，任何一座風洞，風洞試驗段氣流速度的大小和方向一般都不是完全均勻的，均勻性越好的試驗段流場，越能更好地模擬飛行生物飛行時的真實流場。測試中用μi表示來流均勻性：

式中：i為測量點數；μi為動壓穩定系數；q為動壓。

將激光多普勒探頭放置在三維運動坐標架上，如圖3 所示。測量試驗段3 個截面，第1 個截面距實驗段入口188.5 mm，第2 截面距實驗段入口377 mm，第3 個截面距實驗段入口565.5 mm。y向位置測量9 個點，z向設置9 個點。來流風速15 m／s 狀態下實驗段x ＝377 mm截面動壓場分布，如圖6 所示，可以看到在該截面75%的區域內，動壓穩定系數均小于0.005。

圖5 湍流度測量結果

圖6 測量點和測試結果

4 結 語

小型鳥類及昆蟲飛行氣動特性測試風洞建成后可開展小型鳥類及昆蟲起飛、降落、爬升及俯沖等狀態下氣動及運動特性以及流場可視化測量。①經過流場校測，風洞氣流流速范圍為0 ～20 m／s；②在風速15 m／s下，湍流度在0.05%左右，達到低湍流度設計；x ＝377 mm截面75%的流場均勻性低于0.5%。