風(fēng)洞的分類

1、風(fēng)洞的組成

       風(fēng)洞主要由洞身、驅(qū)動系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。每個部件的形式因風(fēng)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(xù)加速氣流的管道）和穩(wěn)定段（穩(wěn)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(fēng)洞外的氣流或回流段引導(dǎo)至風(fēng)洞入口。

       風(fēng)洞出口氣流能否達到實驗要求離不開噴管。亞音速風(fēng)洞與超音速風(fēng)洞所使用的噴管并不相同，根據(jù)下式不難看出：

（1）

       其中是v速度，Ma為馬赫數(shù)，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(fēng)洞試驗的種類與類型

       風(fēng)洞主要的劃分類型是根據(jù)風(fēng)洞出口速度范圍進行分類。這是因為風(fēng)洞不同的速度區(qū)域決定了它們不同的工作原理、類型、結(jié)構(gòu)和尺寸；然而，飛機在不同速度下的氣動特性是不同的，相應(yīng)的風(fēng)洞只能提供相應(yīng)速度范圍內(nèi)的氣流條件。所以風(fēng)洞分為以下幾類：按實驗段氣流速度大小來區(qū)分，可以分為低速、高速和高超聲速風(fēng)洞。

風(fēng)洞試驗的種類與類型

       風(fēng)洞主要用于航空航天技術(shù)。隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞在其他行業(yè)的應(yīng)用越來越多，其類型可以歸納為四種類型：

（1）空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)性研究

       風(fēng)洞實驗可以研究空氣動力學(xué)的基本流動規(guī)律。如不同形狀物體的繞流問題、物體表面邊界層的發(fā)展、湍流的結(jié)構(gòu)和流動規(guī)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(shè)計提供新的布局技術(shù)

       為飛機設(shè)計提供了一種新的零件造型或布局技術(shù)，通常需要一系列的系統(tǒng)實驗。一般來說，我們需要從實驗中獲取大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理歸納后提供給設(shè)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(fā)動機的氣動布局等。除了氣動性能數(shù)據(jù)外，還需要對流動現(xiàn)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(chǎn)實驗

       設(shè)計一架飛機，如新型軍用飛機或者無人機，需要根據(jù)飛機的氣動布局、飛機的技術(shù)要求以及以往的設(shè)計經(jīng)驗，制定出至少數(shù)十種可能的氣動設(shè)計方案。將這些方案制作成模型并進行風(fēng)洞試驗，比較其優(yōu)缺點。今天，隨著計算機加入流體力學(xué)的計算，很多方案都會先選擇在計算機模擬，根據(jù)模擬結(jié)果不斷更改模型，但最終還是得通過風(fēng)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(shè)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(yè)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞試驗逐漸在機械、建筑、橋梁、車輛、氣象等領(lǐng)域被應(yīng)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(xué)件，可減少5%的油耗，Airtab的定型、驗證均有在風(fēng)洞實驗室進行數(shù)據(jù)采集。

（Figure 6 高速摩托擾流實驗）

風(fēng)洞設(shè)計的相似性原理

相似性原理主要相似參數(shù)是馬赫數(shù)Ma、雷諾數(shù)Re和紊流度ε。這三個參數(shù)的相似原則如下：

（1）馬赫數(shù)Ma

馬赫數(shù)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(guī)則運動動能之間的比例關(guān)系。其表達式為：

                                                                         (2)

v表示流體質(zhì)點的運動速度，a表示流體質(zhì)點當?shù)芈曀佟?/span>

流體的可壓縮性與聲速有關(guān)，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(guān)，而且與氣流的速度有關(guān)，因此馬赫數(shù)也反映了可壓縮性的影響[23]。對于可壓縮流動，馬赫數(shù)是主要的相似準則。

(2）雷諾數(shù)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(xiàn)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(shù)的影響[25]。Re數(shù)是保持與全尺寸狀態(tài)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(shù)。

如果風(fēng)洞實驗的雷諾數(shù)太低，實驗結(jié)果的外推有時是不可靠的，所以對于設(shè)計風(fēng)洞來說，如何以最經(jīng)濟、最有效的手段盡量提高Re數(shù)是一個重要問題。根據(jù)Re數(shù)的定義可知，提高Re數(shù)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(shù)。

（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(shè)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(guī)則運動是脈動產(chǎn)生的原因。在低速風(fēng)洞中，提高風(fēng)洞收縮率和在穩(wěn)定段安裝整流網(wǎng)是減小湍流的有效措施。