低速凤洞实验段流场特性研究

(中国民航大学航空工程学院 天津 300000)

低速凤洞实验段流场特性研究

李勇

(中国民航大学航空工程学院 天津 300000)

针对新建直流式低速风洞，介绍了其流场品质的测试方法和测试数据分析。包括:实验段风速、气流稳定性、流场均匀性、气流偏角、湍流度等五项，给出了测量的数值结果和相关参数的分布曲线，并确定了风机工作频率与气体流速之间的关系。实验结果表明：该风洞具有较好的流场均匀性和稳定性，具备了开展相关实验和教学研究的基本条件。

直流式低速风洞；流场品质；皮托管;压力管

风洞是通过人工产生和控制气流并按一定要求设计的管道系统，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，研究气流对物体的作用并观察物理现象，使用动力装置驱动一般可控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力实验的设备。风洞是进行空气动力学实验的一项基本设备，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具，有着极其重要的作用。风洞实验段的流场品质会直接影响风洞实验结果的准确性和可靠性，所以在开展空气动力学实验研究工作之前对风洞内部流场品质进行检测和验证是非常必要的[1,2]。

在各种空气动力学实验中，需要测量气流参数(如压强、流速、温度、流向、湍流度等)中的一种或几种。为了减小和消除系统误差，应尽可能使用使流场品质满足规定的标准。为此，在进行任何空气动力学实验之前，需要测量无模型空风洞实验段中气流各项参数的空间分布。此即气流流动特性研究，通常也叫流场校测。本文对实验用直流式低速风洞整体运行情况和实验段内的流场特性进行研究，对风洞的总体性能作出评价，为今后的空气动力学实验提供技术依据[3]。

一、风洞流场测试方法

(一)凤洞的基本要求。风洞主要包括实验段、稳定段、收缩段、扩压段、风扇段等洞体部分以及蜂窝器、阻尼网、整流罩等内部构件。

图1 直流式低速风洞

(二)实验方法。采用皮托管和微差压变送器组成的测量系统来测定气流的动压，球面型立手L探针来测定气流的方向，用变频调速仪来调整风机装置以控制风速。实验中在实验段的中心截面上均匀布置3×3×5共45个测点，如图2所示。根据具体测试项目，选定风机的9个工作频率为5、10、15、20、25、30，35、40、45Hz或者其中单一的工作频率。

图2 实验段测点

二、测试数据及分析

(一)实验段风速。在低速气流中，默认实验段中的气流为不可压缩流体，如果能够测出整个流场气流的总压和静压之差，即测量出流动气流的动压，则可根据伯努利方程计算出气流的速度：

(1)

(2)

其中:q：动压；ξ：皮托管修正系数；Δp：总静压之差；ρ气流密度；v气流速度。

在测量过程中，由于皮托管的移动，其轴线可能出现与气流轴线的偏离，但对于头部为半球形的速度探针而言，当气流偏斜角在α=±10°的肉眼可分辨范围内变化时，总压和静压均匀下降，压差Δp保持不变，指针读数不变。故用皮托管测速是可靠的[2]。

由公式(1)得出各频率下实验段中气流的速度，还得到风机工作频率与实验段平均流速的关系，实验段的关系曲线见图3。由图3可见，试验段风速最大可达38m/s。

图3 实验段风机工作频率与平均流速的关系

(二)实验段的稳定性。由气流稳定性的定义：气流的动压或速度随时间而脉动的情况，可用一定时间(完成一个测所用时间)瞬时动压和平均动压之差绝对值的最大值与平均动压之比表示：

(3)

在距离实验段入口0.53m处截面中心位置，频率分别为10、20、30、40、50Hz的情况下，校测气流每隔1min的动压变化，测量数据见表1～表3:

表1 f=10Hz时气流稳定性测量数据

表2 f=20Hz时气流稳定性测量数据

表3 f=30Hz时气流稳定性测量数据

由公式(2)计算可得本风洞在风机工作频率分别为10、20、30、40、50Hz的情况下实验段的动压脉动量分别为0.36%、0.38%、0.31%、0.23%、0.27%，一般要求η≤0.5%，可见，本风洞的气流稳定性满足要求。

(三)实验段的均匀性。流场的均匀性是指气流速度在空间的分布情况。一般通过流场内的动压系数μ来评定流场指标：

合格指标：|μ|≤0.5%

先进指标：|μ|≤0.2%

动压系数μ为：

(4)

由此可求得各测点的动压系数，见表。由表中数据可知|μi|max=0.048<0.2，满足先进指标要求，实验段流场分布均匀。

表6 各测点的动压系数

(四)实验段的气流偏角。实验在频率为30Hz的情况下，在距实验段人口0.53m处的截面中心位置测量流动点的流向特性。

合格指标LΔα≤0.5°,Δβ≤0.5°

从测试结果看出，本风洞实验段气流方向与风洞轴线偏角很小。

表7 气流偏角压力测量数据

(五)实验段的湍流度。湍流度通常定义为三个方向脉动均方值的平均值。本次实验中，我们假定流动为一元流动，根据湍流度定义，各测点上的湍流度由下式确定：

(5)

其中要求模型区中心的湍流度ε达到≤0.2%

图4给出了不同频率下该点的湍流度。

图4 不同频率下的湍流度

可见，本风洞湍流度合格。并且，由于整流装置的存在，使得气流比较均句，其湍流程度会比较好，符合今后实验的需要。同时，在整个实验段上，边界区域的湍流度会较大。对于空风洞，我们可以认为实验段中的气流是各向同性湍流，使用式(5)来确定湍流度。由于测量系统的惯性，这一方法对不稳定气流的测量有很大限制，测量介质与被测介质要达到平衡需要一定时间，这与气流的脉动变化要产生一定的时间迟滞。实验测出的气流湍流度要小于实验值，但作为定性的分析，湍流度的测量结果也还是说明了气流脉动的分布规律[2]。

三、结论

风洞实验设备中风机的工作频率与实验段的气流平均流速呈线性关系，由此可以得到在风机频率范围内的任意气流速度；气流的稳定性是指动压或速度随时间而脉动的情况，这种脉动是低频的脉动，可用机械传感器，如皮托管测量。实验结果明确定气流稳定性的实验手段和方法是可行的，结果也是可靠的。稳定性主要与施工质量、施工质量、电源系统质量、风扇设计和洞体设计等有关，也与数据采集系统的质量有关。速度较低时稳定性差的原因主要是洞壁干扰造成，另外，风机电源不稳定也会促使气流失稳。

[1]伍荣林. 风洞设计原理[M]. 北京航空学院出版社, 1985.

[2]邓磊. 直流式低速风洞试验平台构建及全流场气动特性研究[D]. 武汉理工大学, 2014.

[3]齐娟, 周云龙, 李峰. 直流式低速风洞流动特性研究[J]. 东北电力大学学报, 2009, 29(1):19-22.

[4]王铁城. 空气动力学实验技术[M]. 国防工业出版社, 1995.

[5]吴晓武, 张庆国, 王金枝,等. 风洞的实验标定[J]. 山东电力技术, 2001(1):8-10.

[6]郑建光, 任海洋, 聂年晓. 回流式低速风洞流动特性的研究[J]. 中国计量学院学报, 2006, 17(3):212-216.

[7]陈克城. 流体力学实验技术[M]. 机械工业出版社, 1983.

李勇(1993.04-)，男，汉族，河北省冀州市魏屯镇，硕士，中国民航大学航空工程学院。