小型風洞實驗設計與布局方法的優化

劉 帥,熱依汗古麗·木沙,金阿芳

[新疆大學 智能制造現代產業學院(機械工程學院),烏魯木齊 830000]

風洞實驗是空氣動力學研究的重要手段,可模擬實際飛行中的各種氣流條件,為飛行器設計提供理論支持及實驗依據。特別是在小型風洞實驗中,由于實驗條件及環境的特殊性,其設計和布局的合理性直接關系著實驗數據的準確性及可靠性[1]。由于小型風洞尺寸和流場特性與大型風洞存在較大的差異,要求在設計和布局上考慮其特有的流場特性及實驗要求。小型風洞通常在空間和資金上存在一定的限制,如何在有限的條件下實現對流場的精確控制、最大限度地提高實驗準確性及可重復性是需要考慮的重要因素,因此探討小型風洞的設計與布局優化方法不僅能夠提高實驗精度及效率,還能為相關研究和發展提供強有力的支持。

圖1 小型風洞結構Fig.1 Small wind tunnel structure

1 小型風洞實驗存在的問題

1.1 設備尺寸和空間利用率不高

在小型風洞實驗流程中,風洞的設備尺寸與空間利用問題是人們關注的熱點。根據小型風洞設計與實驗中的闡述[2],在一些專為汽車實驗設計的風洞中,汽車模型的迎風面積不得超過實驗段截面積的10%,這制約了實驗精度及多樣性。假設一個風洞的實驗段截面積為100 m2,意味著模型的迎風面積不能超過10 m2,這一尺寸限制在一定程度上降低了實驗的靈活性及多樣性。在冰風洞實驗中,由于需要配備大容量冷卻器和噴霧器來模擬真實飛行中的結冰條件,空間被占用,使得實驗操作空間受到嚴重影響,這些設備和儀器在物理空間上的占用導致整體空間利用率相對較低。

1.2 流場均勻性不足,導致實驗數據偏差

流場的均勻性是風洞實驗中的核心因素,在基于CFD對低速風洞試驗段的仿真研究中[3],即便是精心設計的風洞,其流場均勻性也難以得到充分保障。在某一具體實驗中,流場在各個不同位置的速度偏差高達15%,數據偏差在一定程度上影響了實驗數據的精準度,可能會對實驗結果的可重復性與普適性產生影響。流場均勻性的問題不僅關乎設備的精密度,更與風洞整體的設計和布局息息相關。

1.3 槳葉設計不合理,影響風洞效率

在風洞實驗中,風扇及其槳葉的設計與運作直接關系著整個風洞的效率及實驗數據的可靠性。在實用直流式低速風洞的研究中[4]分析了風扇的基礎要素,如風扇上游的防護網設置,可防止冰塊等異物對葉片造成損傷。但在一些實際的小型風洞設計中,槳葉的設計常常忽視了一些關鍵的氣動特性及物理規律。例如,在某針對輕型飛行器的風洞實驗中,由于槳葉的扭角設計不夠精確及材料選擇上的失誤,造成風洞內流體運動的不穩定,在實驗數據中體現出高達20%的測量誤差。這種誤差累積到整體實驗數據中,將極大地影響研究成果的準確性及可靠性。因此不能忽視槳葉設計中的每一個環節,包括幾何形狀、安裝角度及材料選擇等。

1.4 整流罩設計與布局不當,導致流動分離與損失

整流罩在風洞中負責引導流體、減小湍流及提高流動效率。在大型氣動聲學風洞全風洞流場特性的數值模擬中[5],整流罩的設計與布局直接關系著風洞內部的氣流特性。在一些小型風洞中,由于對流體動力學理論把握不足或出于成本考慮,整流罩的設計與布局常常無法達到理論要求。在一項關于無人機模型的風洞實驗中,由于整流罩的角度和長度選擇不當,造成實驗段內部氣流速度分布不均,特別是在靠近壁面的區域,流速數據顯示氣流速度在不同位置的變化達到8%左右,這增加了流動的能量損失,在實驗數據上體現出顯著的非均勻性。因此整流罩的設計不僅要考慮流體引導效果,還要深入研究其在具體實驗中的氣動特性,確保設計和布局的科學性。

2 小型風洞的優化設計

2.1 根據流場需求調整風洞尺寸和形狀

在風洞實驗中,合理的風洞尺寸與形狀至關重要。以某次小型無人機氣動特性研究為例,風洞的測試段截面面積僅為2.0 m×1.5 m,而無人機翼展達到了0.8 m,占據了風洞截面的較大部分[6]。在風速達到20 m/s時,由于無人機模型占據了過大的風洞截面,流場的均勻性受到了明顯影響,導致測量的阻力系數與理論計算值相比偏差達到10%以上。因此在保證風洞流場質量的前提下,縮小風洞尺寸或優化形狀成為必然。例如,引入具有一定曲率的弧形天花板和地板,利用壁面的流體導向作用,有可能在不增加風洞尺寸的前提下減小流場中的三維效應,提高流場的均勻性。

2.2 采用高效率的風扇和槳葉,提高風速與均勻性

風洞實驗的準確性在很大程度上取決于風扇與槳葉的性能。以某低速風洞為例,該風洞使用的風扇直徑為2 m,設計的最大風速為25 m/s。在一個關于微型飛行器的實驗中,為了模擬飛行器在高速飛行狀態下的氣動特性,增加了風扇轉速,以達到更高的風速。但由于槳葉設計不合理,當風速超過30 m/s時,風洞內的流場開始出現不穩定,測量數據的波動范圍超過5%,因此合理的風扇與槳葉設計對于保證風洞實驗的準確性來說至關重要。例如,采用更加精細的槳葉扭角分布和翼型設計或引入變槳距技術,可在不增加能耗的前提下進一步提高風扇效率和風洞的最大風速。

圖2 風洞尺寸和形狀數值模擬Fig.2 Numerical simulation of wind tunnel size and shape

圖3 風扇段內空間流動特性Fig.3 Space flow characteristics in the fan segment

2.3 考慮反扭導流片與預扭導流片的合理應用

反扭導流片與預扭導流片作為風洞流場質量的重要保障,其設計和應用通常涉及準確的數值計算和實驗驗證。以某型號的小型風洞實驗為例,在進行無人機氣動性能測試時,原始設計的風洞由于沒有采用合適的導流片,流場在模型周圍表現出明顯的不均勻性。通過測量發現,風速在橫截面上的分布變化達到10%左右,這影響了氣動性能測試的準確性。為了解決這一問題,在風洞入口處引入預扭導流片,其主要設計參數包括扭角30°、展弦比6、弦長300 mm、間距150 mm等。這些預扭導流片能夠在較大的攻角范圍內保持較好的流場均勻性。實驗證明,經過預扭導流片的調整,流場速度分布的均勻度在橫截面上提高到97%,明顯改善了風洞的流場質量。

2.4 根據實驗需求選擇合適的長細比與擴散角

風洞的長細比與擴散角的選擇通常依賴于具體的實驗需求和風洞的使用目的。在一項針對高速列車模型的小型風洞實驗中,考慮到列車模型的長度及流體在模型后方的恢復情況,選擇了一個相對較大的長細比——7∶1,以保證流體在流過模型后能夠有足夠的距離恢復到自由流動狀態,減小尾跡區的影響。實驗中通過比較不同長細比下測得的阻力系數發現,在7∶1的長細比下,模型阻力系數測量值與理論值的相對誤差控制在2%以內。對于擴散角的選擇,依據實驗中的一項關于風洞邊界層控制的研究,考慮到防止流動分離的需要及減小出口速度的目的,選擇了一個12°的擴散角。實驗證明,該擴散角能夠在保證流動不分離的前提下有效減小風洞出口的流速,降低系統的動能損失,減輕風洞出口處的湍流強度。

3 小型風洞的布局優化方法

3.1 優化整體布局,確保各部件間的合理配合

在小型風洞的設計與布局優化中,整體協調性與部件之間的合理配合是關鍵,尤其是在尺寸約為2 m×2 m的風洞實驗環境中[7],風扇的選擇和布局至關重要,如選用Dyson的PureCoolTower風扇能產生高達18.7 L/s的氣流量,具備出色的流量穩定性及噪音控制。其出風口距離實驗段起始位置至少需0.5 m,以確保進入測試段的流場具有充分的穩定性。應精心設計傳感器的分布,如在測試段中均勻分布Honeywell的HPM系列顆粒物傳感器和Testo405i熱線陣風速儀,不僅要避免彼此間的氣流干擾,還要確保數據采集的全面性和準確性。測試模型的放置要確保與傳感器保持合理距離,如模型周圍至少0.3 m范圍內不應放置其他設備或物體,以便精確捕獲模型周圍的流場參數。控制室的布局應盡可能靠近測試段,如距離不超過10 m,確保數據線纜的簡潔布局,減少線纜帶來的干擾,降低維護難度。

圖4 風洞整體對稱面總壓云圖Fig.4 Total pressure cloud image of the whole symmetric surface of wind tunnel

3.2 根據風洞結構與氣流特性調整整流罩的位置及角度

整流罩在風洞實驗中占據舉足輕重的地位,對風洞內部的流場質量具有直接影響。例如,在一個長度為2 m的風洞實驗中,整流罩的位置與角度的精確調整尤為關鍵。整流罩的長度通常應為風洞長度的1/3,約為0.67 m,這樣能夠在確保流場穩定性的同時避免過度占用寶貴的風洞空間。在截面形狀的選擇上,橢圓形或圓形是理想選擇,這樣可以最大程度地減少邊界產生的渦流。整流罩與風扇的相對位置通常為整流罩入口端距離風扇出口至少0.5 m處,以確保風扇產生的湍流在進入整流罩前能夠獲得必要的穩定及均勻分布。內部流體導向結構設計不可忽視,如使用Vortex Generators等,可顯著改善流體的層流特性,而這些結構尺寸和分布均需依據CFD(計算流體動力學)仿真結果進行優化設計。整流罩的出口需在與測試段交接處采用漸進式設計,如擴張角度控制在2°～3°,防止流體的突然擴張導致流動不穩定。

3.3 強化數據采集與傳感器布局,提高實驗的準確性

在風洞實驗中,數據采集系統的精準性和穩定性極為重要,直接決定著實驗結果的真實性和可靠性。以OmegaEngineering的FMA-A2311/2361空氣速度傳感器為例,其在0～30 m/s的測速范圍內擁有±1%FS的精度和小于1 s的響應時間,展現出對多種復雜流場測量的適應性。此外,Keyence的FD-Q10C流量傳感器和Honeywell的HPM系列PM2.5傳感器也是優選,均在精度、穩定性及響應速度上表現卓越。考慮到傳感器布局,如在一個2 m長的測試段中,應在入口、中部和出口各布置一排傳感器,分別為模型表面0.1 m、0.3 m、0.5 m的位置上,以便從多個距離、多個角度捕獲流場的詳盡信息。數據線布局可采用Panduit線槽和線夾進行整齊導引至數據處理中心,保證數據傳輸的穩定性,便于后續維護。數據處理與存儲環節可利用NI的CompactDAQ數據采集系統配合LabVIEW軟件,實現數據的實時監控、處理及存儲,保證數據的完整性和準確性。

圖5 等間距法測點布置Fig.5 Measuring point arrangement with equal spacing method

3.4 考慮設備維護與升級的便利性,在布局中預留必要空間

在風洞設計與布局階段深入考慮設備的維護與升級便利性,合理預留必要空間,以保證風洞長期穩定運行及科研適應性。例如,在一個2 m寬的測試段中至少需預留0.5 m寬的空間用于設備檢修,確保維護人員方便進出。設備的模塊化設計(風扇、傳感器、數據采集系統等),采用模塊化設計理念,如風扇的安裝架可設計成標準化模塊,便于快速更換不同類型或規格的風扇,應對不同的實驗需求。在風洞的關鍵部位(測試段、數據處理中心等)預留一定的空間,用于未來可能的設備升級,例如,在數據處理中心預留足夠的空間和接口,確保便于增加更多的數據處理及存儲設備,適應未來數據處理需求的增長。維護通道的設定也不可忽視,在風洞的整體布局中應設置專用的維護通道,如在風洞的一側設置一個寬度至少為0.5 m的通道,用于維護人員進行設備檢查及維修。

4 結束語

針對小型風洞實驗的設計與布局進行全面優化,經過實驗驗證,優化措施有效解決了設備尺寸及空間利用、流場均勻性、槳葉設計及整流罩設計等問題,優化后的風洞實驗在數據準確性、實驗重復性和整體效率上都有了顯著提升,空間利用率得到提高,實驗數據的準確性和可靠性得到保證,實驗的不確定性和風險得到降低。此優化方法和結果為小型風洞實驗提供了新的設計與布局思路,為未來風洞技術的發展和創新提供了參考。