孫建國，崔俊華，江善元

（1.海軍航空工程學(xué)院 新裝備培訓(xùn)中心，山東 煙臺 264001；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016；3.南昌航空大學(xué) 航空與機(jī)電學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

風(fēng)洞在氣動力研究和飛行器氣動設(shè)計(jì)中一直起著非常重要的地位和作用，真正可靠的空氣動力數(shù)據(jù)總是來自風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[1]。而對于翼型實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)都是在大型風(fēng)洞中進(jìn)行的，所需要的測試費(fèi)用高昂[2]，一般在大型的課題研究中才進(jìn)行這樣的測試實(shí)驗(yàn)。

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，采用大型風(fēng)洞就明顯不合適。國內(nèi)個(gè)別實(shí)驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)雖然采用了德國引進(jìn)的空氣動力實(shí)驗(yàn)設(shè)備來做升阻特性的實(shí)驗(yàn)[3]，但其設(shè)備功能仍然不完善，其實(shí)驗(yàn)機(jī)翼的姿態(tài)調(diào)節(jié)變化靠角標(biāo)尺放于風(fēng)道內(nèi)來調(diào)節(jié)和指示，對風(fēng)道內(nèi)的氣流影響很大，而且這種風(fēng)洞的價(jià)格也不菲，滿足不了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的要求。而對于CARDC 4 m×3 m 低速風(fēng)洞采用的尾撐迎角機(jī)構(gòu)[3]，此機(jī)構(gòu)雖迎角變化范圍大[2]，但是當(dāng)偏航角較大時(shí)，機(jī)構(gòu)的阻塞度增加，它沒有對暴露在風(fēng)洞氣流中的天平支桿用風(fēng)擋罩起來，影響了讀數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的微型實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞目的就是要在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件下，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，完善其功能，自行設(shè)計(jì)了風(fēng)洞天平、腹撐系統(tǒng)迎角機(jī)構(gòu)等，并解決了一些關(guān)鍵的裝配連接技術(shù)，可較大迎角地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性好，實(shí)驗(yàn)臺的振動較小。因此本實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞不但用于教學(xué)，也可用于小型科研實(shí)驗(yàn)。

1 研究與設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

該實(shí)驗(yàn)臺的工作原理是通過風(fēng)機(jī)提供原始?xì)鈩恿?，?jīng)過穩(wěn)定段（內(nèi)設(shè)必要的整流裝置，可以保證實(shí)驗(yàn)段的氣流品質(zhì)）、收縮段（作用是均勻加速氣流，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)段需要的流速），流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段的翼型，通過腹撐系統(tǒng)迎角機(jī)構(gòu)改變翼型迎角，利用設(shè)計(jì)的風(fēng)洞天平，測出不同迎角情況下的升力、阻力。

1.2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)段尺寸

實(shí)驗(yàn)臺采用直流風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)段是尺寸為1200 mm×400 mm×340 mm的扁矩形截面，其截面寬大于高，有利于大展弦比飛機(jī)模型實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)段殼體選用15 mm 厚的有機(jī)玻璃，為了提高試驗(yàn)段的密封效果，試驗(yàn)段的四周涂密封膠。同時(shí)殼體下表面開槽，使主支桿和尾支桿與迎角機(jī)構(gòu)相連。

1.2.2 模型支撐方式

實(shí)驗(yàn)是為了測試模型的升力和阻力，要求能產(chǎn)生很大的升力，同時(shí)升阻比也較大，因此為了使實(shí)驗(yàn)的效果較好，制作了具有彎度較大的S 翼型。

模型通過支桿支撐在試驗(yàn)段中，因此支桿的設(shè)計(jì)是在保證強(qiáng)度和剛度的前提下使其阻力最小。支桿只有一部分是暴露在氣流中，其余部分必須用風(fēng)擋罩起來，以減小支桿阻力。

低速風(fēng)洞有多種支撐方式，如三點(diǎn)式支撐、尾撐式支撐、雙桿式支撐、轉(zhuǎn)盤式支撐、翼尖支撐等。本實(shí)驗(yàn)臺選用雙支桿支撐，設(shè)計(jì)的平行四邊形迎角機(jī)構(gòu)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺由模型主支桿、尾支桿及迎角機(jī)構(gòu)連桿組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，前支桿OO′是平行四邊形機(jī)構(gòu)的機(jī)架，利用手柄使蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪轉(zhuǎn)動時(shí)，固定在蝸輪上的連桿繞O′點(diǎn)轉(zhuǎn)動，再經(jīng)尾支桿使模型繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)改變模型迎角的目的?？潭缺P固定在龍門架上，指針焊接在迎角機(jī)構(gòu)蝸輪中心。這樣迎角機(jī)構(gòu)中迎角改變就顯示在刻度盤上。

圖1 模型腹撐系統(tǒng)迎角機(jī)構(gòu)

1.2.3 風(fēng)洞天平

為了更形象、更直觀地給學(xué)生展示升阻特性的測試方法，本實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)為機(jī)械式天平[4-6]，如圖2所示。

圖2 機(jī)械式風(fēng)洞天平

設(shè)計(jì)原理為：在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前，用配重使天平相對于O2處于平衡（即桿3 和桿4 處于水平）。

圖2所示受力：

因此有：

故放在桿5 和桿8 下的數(shù)字測力計(jì)的讀數(shù)分別就是阻力和升力。

1.3 穩(wěn)定段的設(shè)計(jì)

常規(guī)低速風(fēng)洞的收縮比C，是指穩(wěn)定段截面積與試驗(yàn)段截面積之比。從國內(nèi)外常規(guī)低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)來看，收縮比通常設(shè)計(jì)為C=7～10，但水力學(xué)的研究表明，只有當(dāng)收縮段的收縮角（全角）大于10°，收縮比小于3的情況下，其流動經(jīng)曲線收縮后才不會出現(xiàn)明顯的分離，因此取C=3。

穩(wěn)定段截面積=3×400×340=408 000 mm2，

穩(wěn)定段直徑取D=720 mm，

穩(wěn)定段長度取L=400 mm。

為了保證試驗(yàn)段的氣流品質(zhì)達(dá)到國軍標(biāo)的要求，須在穩(wěn)定段內(nèi)設(shè)置必要的整流裝置。

根據(jù)近年來國內(nèi)外風(fēng)洞蜂窩的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)看，對標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)低速風(fēng)洞的蜂窩器來講，其長細(xì)比應(yīng)設(shè)計(jì)成15 左右的六角形小孔薄壁蜂窩器。細(xì)15 mm，長度15×15 mm=225 mm，如圖3所示。

圖3 常見的蜂窩器及其壓力損失系數(shù)

1.4 收縮曲線

采用維氏公式來設(shè)計(jì)收縮段，這種收縮段在入口部分，其收縮較快，在收縮段的出口部分則收縮較慢，而且其軸向速度分布不會出現(xiàn)“反跳”[1]，出口速度較均勻。故收縮曲線選用維氏曲線（見圖4）。

圖4 收縮段曲線

維氏公式[7]是在理想不可壓軸對稱流的情況下推出的，可由下式表示：

式中：R1為收縮段進(jìn)口截面半徑（m）；R2為收縮段出口截面半徑（m）；R為軸向距離為x處的截面半徑（m）；a=L為收縮段長度（m）。

1.5 擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)擴(kuò)散段時(shí)，首要的任務(wù)是保證氣流在通過擴(kuò)散段時(shí)不產(chǎn)生分離。擴(kuò)散段采用大擴(kuò)散角θ=22°＜45°，當(dāng)面積比為2 或4時(shí)，氣流通過大角度擴(kuò)散段將不會產(chǎn)生明顯的分離?，F(xiàn)取面積比為2。

入口面積：400×340=136 000 mm2；

出口面積：2×136 000=272 000 mm2；

擴(kuò)散段的長度：L=440 mm。

該風(fēng)洞是吹氣式風(fēng)洞，因此擴(kuò)散段的另一個(gè)作用[8]：氣流在通過擴(kuò)散段后，其速度降至最低，將其動能盡量轉(zhuǎn)化為接近外界大氣壓的壓力能，以減少排氣損失。

擴(kuò)散段用緊定螺釘連接在木框上，木框和后支架連接。

1.6 風(fēng)扇段的設(shè)計(jì)

風(fēng)扇段設(shè)計(jì)主要包括：殼體截面積設(shè)計(jì)、殼體材料的選擇、殼體的支撐形式、整流罩的設(shè)計(jì)及支撐、電機(jī)的選擇與裝卸。

1.6.1 風(fēng)扇段截面積

風(fēng)扇段截面積與試驗(yàn)段截面積之比，通常是在2:1 或3:1 之間。如果這個(gè)比值過大，那么，風(fēng)扇前速度剖面分布可能產(chǎn)生不均的危險(xiǎn)，而且風(fēng)扇段的成本也將隨其尺寸的增大而增加。如果這個(gè)比值過小，那么，為了保持合理的槳葉角，風(fēng)扇來流速度將提高。

故選取面積比為3:1，所以，風(fēng)扇段截面積為：400×340×3=408 000 mm2；

風(fēng)扇段的截面半徑：R=360 mm；

風(fēng)扇段的長度為：L=1 500 mm。

1.6.2 風(fēng)扇段殼體材料和殼體的支撐形式

殼體采用1.5 mm 厚的薄鋼板滾成圓筒狀，選用Q235。風(fēng)扇段殼體用前支架支撐，前支架采用熱軋等邊角鋼角鋼之間采用焊接的方法連接。這種支架的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、易制造。

風(fēng)扇段殼體用固定帶固定在前支架上，用螺栓連接。由于殼體是圓筒狀，故需在下方墊上橡膠墊，以防止風(fēng)扇段殼體變形。固定帶用5 mm 厚的鋼板。

1.6.3 整流罩的設(shè)計(jì)

整流罩分為兩部分：前整流罩和后整流罩。

風(fēng)扇整流罩的直徑通常可取為風(fēng)扇段直徑的0.3～0.7倍。該直徑的大小，在一定程度上可以用來控制進(jìn)入風(fēng)扇前的速度，從而控制風(fēng)扇葉片的前進(jìn)比而使風(fēng)扇處在最佳的前進(jìn)比下運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，風(fēng)扇整流罩的直徑也取決于驅(qū)動電機(jī)是否放在整流罩內(nèi)。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，該實(shí)驗(yàn)臺要把電機(jī)放在整流罩內(nèi)。因此，整流罩的直徑為：d=300 mm

整流罩的外型一般都是采用流線形旋轉(zhuǎn)體，其長細(xì)比最好大于或等于4，這樣可使整流罩的阻力較小，出口的氣流也相對比較均勻。

整流罩長度為：L=4，d=1 200 mm。為了使氣流流過風(fēng)扇比較均勻，在設(shè)計(jì)整流罩時(shí)，通常要在設(shè)置風(fēng)扇的位置保留一段等直徑段，該等直徑段的長度大約為整流罩最大直徑的30%～40%之間。另外，后整流罩前端要按T型支架開槽。

1.6.4 電機(jī)的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求：風(fēng)扇功率1.5 kW，風(fēng)速5～40 m/s，及風(fēng)扇段直徑720 mm，采用T35-11系列軸流式風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低。選用電機(jī)型號YSF90-4，風(fēng)量為13 444 m3/h，葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪直徑660 mm。

1.6.5 整流罩及電機(jī)的支撐方式

采用T型組合支架的支撐方式，如圖5所示，該T型支架用5 mm 厚的鋼板焊接而成，并把T型支架焊接在風(fēng)扇段殼體內(nèi)。然后用螺栓把電機(jī)固定在T型支架的橫鋼架上，最后把后整流罩開槽部分插在T型支架上。前整流罩用螺釘固定在葉輪上。

圖5 整流罩與電機(jī)的安裝

1.7 進(jìn)氣裝置

直流式風(fēng)洞的進(jìn)氣裝置通常包括金屬絲網(wǎng)及百葉窗、進(jìn)氣室和喇叭口等。通常，有3個(gè)不同形狀的管道進(jìn)氣口，如圖6所示。無論是從保證有良好的流動狀態(tài)還是從獲得相對較小的進(jìn)氣損失方面來考慮，喇叭口形狀為最優(yōu)，進(jìn)氣口不采取任何措施最差。因此，直流式風(fēng)洞均設(shè)計(jì)取喇叭口，以利改善進(jìn)入穩(wěn)定段氣流的流動。

圖6 直流式風(fēng)洞的進(jìn)氣口

由圖6還可以看到，入流損失降到最低，喇叭口的圓弧半徑R 通常應(yīng)為RD ≥ 0.2，D為穩(wěn)定段直徑。R ≥ 0.2 × 720=144 mm2，所以，R 取867 mm；長度L=185 mm。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)于腹撐系統(tǒng)迎角機(jī)構(gòu)的研究

鑒于國內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)采用腹撐系統(tǒng)迎角機(jī)構(gòu)，該裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是支桿只有很小部分是暴露在氣流中，且暴露的部分設(shè)計(jì)成流線型，其余部分用和天平不相連的主風(fēng)擋和尾風(fēng)擋包起來，以減小支桿阻力。同時(shí)翼型迎角的改變比較容易，且變化值較大。

2.2 模型的安裝技術(shù)

模型安裝到天平上的任何支桿或掛線都將在測力讀數(shù)上附加3個(gè)量[3]：第一個(gè)是暴露在氣流中的支桿或掛線的阻力；第二個(gè)是支桿的存在對模型繞流的影響；第三個(gè)是模型對支架繞流的影響。后兩項(xiàng)合起來稱為“相互干擾”。

天平支桿只有很小一部分暴露在空氣中，而其余部分都用和天平不相連的風(fēng)擋罩起來，這樣可使支桿的阻力大為減小，它的數(shù)值有時(shí)僅為普通機(jī)翼最小阻力的50%。若將風(fēng)擋再加長直到模型附近，并不能減小“支桿”本身的阻力，相反可能還會增大其阻力。在風(fēng)擋的上端再裝上高度可調(diào)的套管，就可在支桿暴露部分的長度和風(fēng)擋到模型的距離之間找到一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠胶庵?。在套管的每個(gè)高度位置上，若模型的阻力加上支架阻力和干擾阻力之和最小，則這個(gè)套管的位置就是最佳位置，此時(shí)支架的干擾阻力也最小。

2.3 風(fēng)洞天平的研制

在這一項(xiàng)目的研究過程中，考慮的主要是學(xué)生動手操作的特點(diǎn)，采用了機(jī)械式天平，方便易學(xué)，直觀形象。學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)可以了解“翼型升阻特性實(shí)驗(yàn)臺”的基本結(jié)構(gòu)和原理；掌握測試空氣流過實(shí)驗(yàn)機(jī)翼時(shí)它所受到的升力和阻力的方法，以及獲得實(shí)驗(yàn)機(jī)翼的升、阻特性曲線。

2.4 電機(jī)的布置研究

電機(jī)布置在洞體外，通過長軸連接，中間有軸承座支承，雖便于維修，但風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)，長軸的振動問題突出，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺的振動有很大影響。而將電機(jī)布置在整流罩內(nèi)，不僅使結(jié)構(gòu)布置緊湊，而且使電機(jī)的傳動效率高，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺的影響較小。

3 實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容及結(jié)果

3.1 升力、阻力的理論計(jì)算

翼型受力示意圖如圖7所示，升力L、阻力D分別由下列表達(dá)式：

升力：L=CL?q?S；CL=L/(qS)，

阻力：D=CD?q?S；CD=D/(qS)，

圖7 攻角α?xí)r翼型的受力情況

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采用自制的翼型，在實(shí)驗(yàn)臺上改變翼型的迎角，通過數(shù)字測力計(jì)測出翼型在該迎角下所受的升力和阻力，繪制表格，作出L-α、D-α、k-α的曲線圖。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，對應(yīng)圖見圖8～10。從翼段所測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其曲線來看，它的升力特性、阻力特性走勢和翼型的理論升、阻特性走勢基本上是一致的。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，隨著迎角的增大，機(jī)翼的升力也在增大，在過失速點(diǎn)之后，機(jī)翼的升力突然下降，阻力急劇上升；因速度不同，最大升阻比也不同，且對應(yīng)最大升阻比的是不同的迎角。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握測試空氣流過實(shí)驗(yàn)翼段時(shí)它所受到的升力和阻力的方法，以及繪制實(shí)驗(yàn)機(jī)翼的升、阻特性曲線的方法。

表1 本實(shí)驗(yàn)臺所測的一組典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 翼型升力特性曲線

圖9 翼型阻力特性曲線

圖10 翼型升阻比K值曲線

由于本翼型實(shí)驗(yàn)是在較小的風(fēng)道中進(jìn)行的，同時(shí)翼段的支撐也有影響，故實(shí)驗(yàn)中氣流受到較大的洞壁干擾和支架干擾，機(jī)翼受到的升力、阻力會有較大變化，升力的過失速點(diǎn)未能清楚的顯示出來，而阻力的測量過程中受測力機(jī)構(gòu)的摩擦力影響明顯，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果會有一定的誤差。

4 結(jié)論

此次研制主要為空氣動力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)較為完善的實(shí)驗(yàn)臺，使得翼型的升阻特性測試工作在實(shí)驗(yàn)室低成本條件下的進(jìn)行成為可能。該實(shí)驗(yàn)臺采用了蜂窩器、整流罩等整流裝置，保證了試驗(yàn)段的氣流品質(zhì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)臺的振動較小，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。使用此實(shí)驗(yàn)臺，還可對微型飛行器進(jìn)行整機(jī)吹風(fēng)測試，以得到更多的空氣動力原始數(shù)據(jù)，為下一步的研究積累資料。

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