风洞试验.doc

1、Qsj:Acoustic wind tunnel meansurement风洞试验实 验 分 类空 气 动 力 学 实 验 分 实 物 实 验 和 模 型 实 验 两 大 类 。 实 物 实 验 如 飞 机 飞 行 实 验和 导 弹 实 弹 发 射 实 验 等 ， 不 会 发 生 模 型 和 环 境 等 模 拟 失 真 问 题 ， 一 直 是 鉴 定飞 行 器 气 动 性 能 和 校 准 其 他 实 验 结 果 的 最 终 手 段 ， 这 类 实 验 的 费 用 昂 贵 ， 条件 也 难 控 制 ， 而 且 不 可 能 在 产 品 研 制 的 初 始 阶 段 进 行 ， 故 空 气 动 力 学

2、 实 验一 般 多 指 模 型 实 验 。 空 气 动 力 学 实 验 按 空 气 （ 或 其 他 气 体 ） 与 模 型 （ 或 实 物 ）产 生 相 对 运 动 的 方 式 不 同 可 分 为 3 类 ： 空 气 运 动 ， 模 型 不 动 ， 如 风 洞 实验 。 空 气 静 止 ， 物 体 或 模 型 运 动 ， 如 飞 行 实 验 、 模 型 自 由 飞 实 验 （ 有 动力 或 无 动 力 飞 行 器 模 型 在 空 气 中 飞 行 而 进 行 实 验 ） 、 火 箭 橇 实 验 （ 用 火 箭 推进 的 在 轨 道 上 高 速 行 驶 的 滑 车 携 带 模 型 进 行 实 验

3、） 、 旋 臂 实 验 （ 旋 臂 机 携 带模 型 旋 转 而 进 行 实 验 ） 等 。 空 气 和 模 型 都 运 动 ， 如 风 洞 自 由 飞 实 验 （ 相对 风 洞 气 流 投 射 模 型 而 进 行 实 验 ） 、 尾 旋 实 验 （ 在 尾 旋 风 洞 上 升 气 流 中 投 入模 型 ， 并 使 其 进 入 尾 旋 状 态 而 进 行 实 验 ） 等 。 进 行 模 型 实 验 时 ， 应 保 证 模 型流 场 与 真 实 流 场 之 间 的 相 似 ， 即 除 保 证 模 型 与 实 物 几 何 相 似 以 外 ， 还 应 使 两个 流 场 有 关 的 相 似 准 数 ，

4、 如 雷 诺 数 、 马 赫 数 、 普 朗 特 数 等 对 应 相 等 （ 见 流体 力 学 相 似 准 数 ） 。 实 际 飞 机 风 洞 实 验上 ， 在 一 般 模 型 实 验 （ 如 风 洞 实 验 ） 条 件 下 ， 很 难 保 证 这 些 相 似 准 数 全 部 相等 ， 只 能 根 据 具 体 情 况 使 主 要 相 似 准 数 相 等 或 达 到 自 准 范 围 。 例 如 涉 及 粘 性或 阻 力 的 实 验 应 使 雷 诺 数 相 等 ； 对 于 可 压 缩 流 动 的 实 验 ， 必 须 保 证 马 赫 数 相等 ， 等 等 。 应 该 满 足 而 未 能 满 足 相

5、似 准 数 相 等 而 导 致 的 实 验 误 差 ， 有 时 也 可通 过 数 据 修 正 予 以 消 除 ， 如 雷 诺 数 修 正 。 洞 壁 和 模 型 支 架 对 流 场 的 干 扰 也 应修 正 。 空 气 动 力 学 实 验 主 要 测 量 气 流 参 数 ， 观 测 流 动 现 象 和 状 态 ， 测 定 作 用在 模 型 上 的 气 动 力 等 。 实 验 结 果 一 般 都 整 理 成 无 量 纲 的 相 似 准 数 ， 以 便 从 模型 推 广 到 实 物 。实 验 原 理风 洞 一 般 称 之 为 风 洞 试 验 。 简 单 地 讲 ， 就 是 依 据 运 动 的 相

6、对 性 原 理 ， 将 飞 行器 的 模 型 或 实 物 固 定 在 地 面 人 工 环 境 中 ， 人 为 制 造 气 流 流 过 ， 以 此 模 拟 空 中各 种 复 杂 的 飞 行 状 态 ， 获 取 试 验 数 据 。 这 是 现 代 飞 机 、 导 弹 、 火 风 洞箭 等 研 制 定 型 和 生 产 的 “绿 色 通 道 ”。 简 单 的 说 ， 风 洞 就 是 在 地 面 上 人 为 地创 造 一 个 “天 空 ”。 至 于 我 们 国 家 的 风 洞 为 什 么 会 选 择 建 在 大 山 深 处 ， 那 是历 史 原 因 造 成 的 。不 足 之 处风 洞 实 验 既 然 是

7、 一 种 模 拟 实 验 ， 不 可 能 完 全 准 确 。 概 括 地 说 ， 风 洞 实 验 固 有 的 模 拟不 足 主 要 有 以 下 三 个 方 面 。 与 此 同 时 ， 相 应 也 发 展 了 许 多 克 服 这 些 不 足 或 修 正 其 影 响 的方 法 。 1.边 界 效 应 或 边 界 干 扰 真 实 飞 行 时 ， 静 止 大 气 是 无 边 界 的 。 而 在 风 洞 中 ， 气 流 是 有 边 界 的 ， 边 界 的 存 在 限制 了 边 界 附 近 的 流 线 弯 曲 ， 使 风 洞 流 场 有 别 于 真 实 飞 行 的 流 场 。 其 影 响 统 称 为 边

8、界 效 应 或 边界 干 扰 。 克 服 的 方 法 是 尽 量 把 风 洞 试 验 段 做 得 大 一 些 (风 洞 总 尺 寸 也 相 应 增 大 )， 并 限制 或 缩 小 模 型 尺 度 ， 减 小 边 界 干 扰 的 影 响 。 但 这 将 导 致 风 洞 造 价 和 驱 动 功 率 的 大 幅度 增 加 ， 而 模 型 尺 度 太 小 会 便 雷 诺 数 变 小 。 近 年 来 发 展 起 一 种 称 为 “自 修 正 风 洞 “的技 术 。 风 洞 试 验 段 壁 面 做 成 弹 性 和 可 调 的 。 试 验 过 程 中 ， 利 用 计 算 机 ， 粗 略 而 快 速 地 计算

9、 相 当 于 壁 面 处 流 线 应 有 的 真 实 形 状 ， 使 试 验 段 壁 面 与 之 逼 近 ， 从 而 基 本 上 消 除 边 界 干扰 。 2.支 架 干 扰 风 洞 实 验 中 ， 需 要 用 支 架 把 模 型 支 撑 在 气 流 中 。 支 架 的 存 在 ， 产 生 对 模 型 流 场 的 干扰 ， 称 为 支 架 干 扰 。 虽 然 可 以 通 过 试 验 方 法 修 正 支 架 的 影 响 ， 但 很 难 修 正 干 净 。 近 来 ，正 发 展 起 一 种 称 为 “磁 悬 模 型 “的 技 术 。 在 试 验 段 内 产 生 一 可 控 的 磁 场 ， 通 过

10、磁 力 使 模型 悬 浮 在 气 流 中 。 3.相 似 准 则 不 能 满 足 的 影 响 风 洞 实 验 的 理 论 基 础 是 相 似 原 理 。 相 似 原 理 要 求 风 洞 流 场 与 真 实 飞 行 流 场 之 间 满 足所 有 的 相 似 准 则 ， 或 两 个 流 场 对 应 的 所 有 相 似 准 则 数 相 等 。 风 洞 试 验 很 难 完 全 满 足 。 最常 见 的 主 要 相 似 准 则 不 满 足 是 亚 跨 声 速 风 洞 的 雷 诺 数 不 够 。 以 波 音 737 飞 机 为 例 ，它 在 巡 航 高 度 (9000m)上 ， 以 巡 航 速 度 (92

11、7km/h)飞 行 ， 雷 诺 数 为 2.4107， 而 在 3 米亚 声 速 风 洞 中 以 风 速 100m/s 试 验 ， 雷 诺 数 仅 约 为 1.4106， 两 者 相 距 甚 远 。 提 高 风 洞雷 诺 数 的 方 法 主 要 有 : (1)增 大 模 型 和 风 洞 的 尺 度 ， 其 代 价 同 样 是 风 洞 造 价 和 风 洞 驱 动 功 率 都 将 大 幅 度 增加 。 如 上 文 所 说 美 国 的 全 尺 寸 风 洞 。 (2)增 大 空 气 密 度 或 压 力 。 已 出 现 很 多 压 力 型 高 雷 诺 数 风 洞 ， 工 作 压 力 在 几 个 至 十几

12、 个 大 气 压 范 围 。 我 国 也 正 在 研 制 这 种 高 雷 诺 数 风 洞 。 (3)降 低 气 体 温 度 。 如 以 90K(-1830C)的 氮 气 为 工 作 介 质 ， 在 尺 度 和 速 度 相 同 时 ，雷 诺 数 是 常 温 空 气 的 9 倍 多 。 世 界 上 已 经 建 成 好 几 个 低 温 型 高 雷 诺 数 风 洞 。 我 国 也 研制 了 低 温 风 洞 ， 但 尺 度 还 比 较 小 。观 察 实 验 优 点风 洞 实 验 尽 管 有 局 限 性 ， 但 有 如 下 四 个 优 点 ： 能 比 较 准 确 地 控 制 实验 条 件 ， 如 气 流

13、的 速 度 、 压 力 、 温 度 等 ； 实 验 在 室 内 进 行 ,受 气 候 条 件 和时 间 的 影 响 小 ,模 型 和 测试仪器的 安 装 、 操 作 、 使 用 比 较 方 便 ； 实 验 项 目和 内 容 多 种 多 样 ， 实 验 结 果 的 精 确 度 较 高 ； 实 验 比 较 安 全 ， 而 且 效 率 高 、成 本 低 。 因 此 ， 风 洞 实 验 在 空 气 动 力 学 的 研 究 、 各 种 飞 行 器 的 研 制 方 面 ， 以及 在 工业空气动力学和 其 他 同 气 流 或 风 有 关 的 领 域 中 ， 都 有 广 泛 应 用 。 方法观 察 方 法风

14、洞 中 流 态 观 察 方 法 大 致 为 分 两 类 ： 第 一 类 是 示 踪 方 法 ； 第 二 类 是 光 学 方 法 。 示 踪 方 法 在 流 场 中 添 加 物 质 ， 如 有 色 液 体 、 烟 、 丝 线 和 固 体 粒 子 等 ， 通 过 照 相 或肉 眼 观 察 添 加 物 随 流 体 运 动 的 图 形 。 只 要 添 加 物 足 够 小 ， 而 且 比 重 和 流 动 介 质 接 近 ， 显示 出 来 的 添 加 物 运 动 的 图 形 就 表 示 出 气 流 的 运 动 。 这 是 一 种 间 接 显 示 法 ， 特 别 适 合 于 显示 定 常 流 动 。 常 用

15、 的 有 丝 线 法 、 烟 流 法 、 油 流 法 、 升 华 法 、 蒸 汽 屏 法 和 液 晶 显 示 法等 六 种 ： 丝 线 法 将 丝 线 、 羊 毛 等 纤 维 粘 贴 在 要 观 察 的 模 型 表 面 或 模 型 后 的 网 格 上 ,由丝 线 的 运 动 (丝 线 转 动 、 抖 动 或 倒 转 ) 可 以 判 明 气 流 的 方 向 和 分 离 区 的 位 置 以 及 空 间 涡的 位 置 、 转 向 等 。 图 6 为 一 个 模 型 实 验 时 机 翼 的 丝 线 显 示 气 体 流 动 图 。 现 在 又 发 展 到用 比 丝 线 更 细 的 尼 龙 丝 ， 有 时

16、 细 到 连 肉 眼 都 看 不 清 。 将 尼 龙 丝 用 荧 光 染 料 处 理 后 再 粘在 模 型 上 。 这 种 丝 线 在 紫 外 线 照 射 下 显 示 出 来 ， 并 且 可 以 拍 摄 下 来 。 粘 丝 很 细 ， 对 模 型没 有 影 响 ， 可 同 时 进 行 测 力 实 验 。 此 法 称 为 荧 光 丝 线 法 。 烟 流 法 用 风 洞 中 特 制烟 管 或 模 型 上 放 出 的 烟 流 显 示 气 体 绕 模 型 的 流 动 图 形 。 这 是 一 种 很 好 的 观 测 方 法 。 世 界各 国 建 设 了 不 少 烟 风 洞 。 通 常 是 在 风 洞 外

17、 把 不 易 点 燃 的 矿 物 油 用 金 属 丝 通 电 加 热 而 产 生的 烟 引 入 风 洞 ； 也 有 将 涂 有 油 的 不 锈 钢 或 钨 丝 放 在 模 型 前 ， 实 验 时 通 电 将 钨 丝 加 热 ,产 生 细 密 的 烟 雾 。 为 了 保 证 烟 束 清 晰 不 散 ,必 须 采 用 大 收 缩 比 的 收 缩 段 、 稳 定 段 或 风 洞入 口 加 装 抗 湍 流 网 和 采 用 吸 振 性 能 好 的 材 料 制 造 洞 壁 等 措 施 ， 保 持 烟 流 为 层 流 状 态 。 烟流 法 除 用 于 观 察 绕 模 型 的 流 动 ， 还 可 用 来 测

18、量 边 界 层 过 渡 点 位 置 和 研 究 涡 流 结 构 。 图 7为 模 型 烟 流 实 验 中 拍 摄 的 照 片 。 油 流 法 在 粘 性 的 油 中 掺 进 适 量 指 示 剂 (如 炭 黑 )并 滴 入 油 酸 ， 配 制 成 糊 状 液 态物 ， 均 匀 地 涂 在 模 型 表 面 。 实 验 时 通 过 指 示 剂 颗 粒 沿 流 向 形 成 的 纹 理 结 构 ， 显 示 出 模 型表 面 的 流 动 图 形 。 如 果 油 中 加 入 少 量 荧 光 染 料 ， 则 在 紫 外 线 照 射 下 可 以 显 现 出 荧 光 条 纹图 ， 称 为 荧 光 油 流 图 。

19、它 可 以 显 示 模 型 表 面 气 流 流 动 方 向 、 边 界 层 过 渡 点 位 置 、 气 流 分离 区 、 激 波 与 边 界 层 相 互 干 扰 等 流 动 现 象 。 图 8 为 模 型 油 流 实 验 照 片 。 升 华 法 将 挥 发 性 的 液 体 或 容 易 升 华 的 固 体 喷 涂 在 模 型 表 面 ， 依 据 涂 料 从 模 型上 散 失 的 速 度 与 边 界 层 状 态 有 关 的 原 理 （ 在 湍 流 边 界 层 内 由 于 气 流 的 不 规 则 运 动 导 致 该处 蒸 发 量 或 升 华 量 大 于 层 流 处 ） 来 区 分 边 界 层 状 态

20、 ， 确 定 过 渡 点 的 位 置 。 蒸 汽 屏 法 在 风 洞 中 形 成 过 饱 和 的 蒸 汽 ， 在 需 要 观 察 的 截 面 ， 垂 直 气 流 方 向 射入 一 道 平 行 光 ， 气 流 经 过 光 面 时 ， 由 于 离 心 力 的 作 用 ， 旋 涡 内 外 蒸 汽 的 含 量 是 不 同 的 ,光 的 折 射 率 因 此 不 同 ,便 能 显 示 出 涡 核 的 位 置 。 此 法 多 用 来 观 察 大 攻 角 脱 体 涡 的 位 置 。 液 晶 显 示 法 利 用 液 晶 颜 色 随 温 度 而 改 变 的 特 性 来 识 别 层 流 、 湍 流 边 界 层 和

21、激波 。 液 晶 是 一 种 油 状 有 机 物 ,温 度 较 低 时 ， 无 色 透 明 ,随 着 温 度 上 升 ， 便 以 红 、 黄 、 绿 、蓝 、 无 色 的 顺 序 改 变 ， 能 鉴 别 有 微 小 温 差 的 层 流 和 湍 流 边 界 层 流 动 以 及 激 波 前 后 的 温 差 。它 适 用 于 高 速 和 超 声 速 流 态 观 察 。 液 晶 的 涂 法 与 漆 类 似 ， 先 稀 释 ， 再 喷 涂 。 液 晶 对 污 物杂 质 敏 感 ， 喷 涂 时 ， 模 型 表 面 必 须 干 净 。 光 学 方 法 根 据 光 束 在 气 体 中 的 折 射 率 随 气

22、流 密 度 不 同 而 改 变 的 原 理 制 造 出 来 的 光学 仪 器 ， 如 阴 影 仪 、 纹 影 仪 、 干 涉 仪 (见 风 洞 测 试 仪 器 )和 全 息 照 相 装 置 等 ， 都 可 用 来观 察 气 体 流 动 图 形 。 这 种 方 法 不 在 流 场 中 添 加 其 他 物 质 ， 不 会 干 扰 气 体 流 动 ， 而 且 可 以在 短 时 间 内 采 集 大 量 的 空 间 数 据 。 它 是 一 种 直 接 显 示 方 法 ， 特 别 适 合 于 观 察 可 压 缩流 动 和 非 定 常 流 动 ， 如 激 波 、 尾 流 和 边 界 层 过 渡 等 。 除

23、了 以 上 两 大 类 方 法 外 ， 还 有 一 种 向 流 场 中 注 入 能 量 的 方 法 。 如 在 低 密 度 风 洞 中 向气 流 发 射 电 子 束 ， 使 气 体 分 子 激 发 出 荧 光 ， 荧 光 的 光 通 量 与 气 流 密 度 大 小 有 关 。 根 据 光通 量 的 变 化 ， 就 可 以 显 示 出 气 流 密 度 的 变 化 ， 这 种 方 法 可 以 显 示 高 超 声 速 稀 薄 气 体 流 动的 激 波 位 置 和 形 状 以 及 用 于 定 量 测 量 流 场 密 度 。 70 年 代 后 期 ， 发 展 出 一 种 彩 色 照 相 图 示 流 态

24、观 察 技 术 。 它 用 总 压 探 管 在 所 测 流 场区 域 扫 描 ， 并 将 感 受 的 压 力 转 换 成 电 压 值 。 根 据 不 同 的 电 压 触 发 不 同 颜 色 的 光 ， 在 照相 机 上 曝 光 。 通 过 多 种 颜 色 信 号 光 记 录 的 流 场 等 压 线 图 ， 可 以 清 晰 地 看 到 涡 旋 分 布 和 飞机 模 型 后 的 涡 流 图 像 。 这 项 技 术 最 近 发 展 成 为 直 接 把 传 感 器 感 受 的 压 力 信 号 记 录 在 磁 带上 ， 并 输 入 计 算 机 处 理 。 传 感 器 探 头 可 以 用 压 力 探 头

25、也 可 以 用 热 丝 或 热 膜 或 其 他 探 头 。处 理 后 的 数 据 可 由 彩 色 电 视 显 示 。 因 为 不 用 照 相 装 置 ， 而 代 之 以 计 算 机 ， 这 就 带 来 了 很大 的 方 便 ： 可 以 一 次 处 理 很 多 数 据 （ 可 以 是 一 个 也 可 以 是 好 几 个 探 头 感 受 的 数 据 ） ；显 示 的 颜 色 可 多 达 4 096 种 （ 但 由 于 人 眼 分 辨 率 的 限 制 ,常 用 的 也 只 有 20 30 种 ） ；对 于 特 别 有 兴 趣 的 区 域 可 以 放 大 和 增 加 颜 色 详 细 显 示 ； 此 外 ， 还 可 以 根 据 需 要 ， 旋 转 显示 的 数 据 平 面 ， 以 得 到 从 不 同 角 度 观 察 的 流 场 彩 色 显 示 图 像 。 例 如 ， 可 以 在 垂 直 风 洞 轴线 的 平 面 观 察 ， 也 可 以 在 平 行 风 洞 轴 线 的 平 面 或 其 他 任 意 平 面 观 察 。 高 分 辨 率 的 彩 色 电视 屏 幕 可 以 用 颜 色 和 箭 头 表 示 流 动 方 向 。