(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院 天津 300000)

低速鳳洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)特性研究

李勇

(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院 天津 300000)

針對(duì)新建直流式低速風(fēng)洞，介紹了其流場(chǎng)品質(zhì)的測(cè)試方法和測(cè)試數(shù)據(jù)分析。包括:實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速、氣流穩(wěn)定性、流場(chǎng)均勻性、氣流偏角、湍流度等五項(xiàng)，給出了測(cè)量的數(shù)值結(jié)果和相關(guān)參數(shù)的分布曲線，并確定了風(fēng)機(jī)工作頻率與氣體流速之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該風(fēng)洞具有較好的流場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性，具備了開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)研究的基本條件。

直流式低速風(fēng)洞；流場(chǎng)品質(zhì)；皮托管;壓力管

風(fēng)洞是通過(guò)人工產(chǎn)生和控制氣流并按一定要求設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動(dòng)，研究氣流對(duì)物體的作用并觀察物理現(xiàn)象，使用動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)一般可控制的氣流，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和相似性原理進(jìn)行各種氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)基本設(shè)備，是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具，有著極其重要的作用。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)會(huì)直接影響風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，所以在開展空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究工作之前對(duì)風(fēng)洞內(nèi)部流場(chǎng)品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)證是非常必要的[1,2]。

在各種空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)量氣流參數(shù)(如壓強(qiáng)、流速、溫度、流向、湍流度等)中的一種或幾種。為了減小和消除系統(tǒng)誤差，應(yīng)盡可能使用使流場(chǎng)品質(zhì)滿足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。為此，在進(jìn)行任何空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，需要測(cè)量無(wú)模型空風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段中氣流各項(xiàng)參數(shù)的空間分布。此即氣流流動(dòng)特性研究，通常也叫流場(chǎng)校測(cè)。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)用直流式低速風(fēng)洞整體運(yùn)行情況和實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，對(duì)風(fēng)洞的總體性能作出評(píng)價(jià)，為今后的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)依據(jù)[3]。

一、風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)試方法

(一)鳳洞的基本要求。風(fēng)洞主要包括實(shí)驗(yàn)段、穩(wěn)定段、收縮段、擴(kuò)壓段、風(fēng)扇段等洞體部分以及蜂窩器、阻尼網(wǎng)、整流罩等內(nèi)部構(gòu)件。

圖1 直流式低速風(fēng)洞

(二)實(shí)驗(yàn)方法。采用皮托管和微差壓變送器組成的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)定氣流的動(dòng)壓，球面型立手L探針來(lái)測(cè)定氣流的方向，用變頻調(diào)速儀來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)裝置以控制風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)中在實(shí)驗(yàn)段的中心截面上均勻布置3×3×5共45個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。根據(jù)具體測(cè)試項(xiàng)目，選定風(fēng)機(jī)的9個(gè)工作頻率為5、10、15、20、25、30，35、40、45Hz或者其中單一的工作頻率。

圖2 實(shí)驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)

二、測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

(一)實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速。在低速氣流中，默認(rèn)實(shí)驗(yàn)段中的氣流為不可壓縮流體，如果能夠測(cè)出整個(gè)流場(chǎng)氣流的總壓和靜壓之差，即測(cè)量出流動(dòng)氣流的動(dòng)壓，則可根據(jù)伯努利方程計(jì)算出氣流的速度：

(1)

(2)

其中:q：動(dòng)壓；ξ：皮托管修正系數(shù)；Δp：總靜壓之差；ρ氣流密度；v氣流速度。

在測(cè)量過(guò)程中，由于皮托管的移動(dòng)，其軸線可能出現(xiàn)與氣流軸線的偏離，但對(duì)于頭部為半球形的速度探針而言，當(dāng)氣流偏斜角在α=±10°的肉眼可分辨范圍內(nèi)變化時(shí)，總壓和靜壓均勻下降，壓差Δp保持不變，指針讀數(shù)不變。故用皮托管測(cè)速是可靠的[2]。

由公式(1)得出各頻率下實(shí)驗(yàn)段中氣流的速度，還得到風(fēng)機(jī)工作頻率與實(shí)驗(yàn)段平均流速的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)段的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，試驗(yàn)段風(fēng)速最大可達(dá)38m/s。

圖3 實(shí)驗(yàn)段風(fēng)機(jī)工作頻率與平均流速的關(guān)系

(二)實(shí)驗(yàn)段的穩(wěn)定性。由氣流穩(wěn)定性的定義：氣流的動(dòng)壓或速度隨時(shí)間而脈動(dòng)的情況，可用一定時(shí)間(完成一個(gè)測(cè)所用時(shí)間)瞬時(shí)動(dòng)壓和平均動(dòng)壓之差絕對(duì)值的最大值與平均動(dòng)壓之比表示：

(3)

在距離實(shí)驗(yàn)段入口0.53m處截面中心位置，頻率分別為10、20、30、40、50Hz的情況下，校測(cè)氣流每隔1min的動(dòng)壓變化，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3:

表1 f=10Hz時(shí)氣流穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 f=20Hz時(shí)氣流穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 f=30Hz時(shí)氣流穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)

由公式(2)計(jì)算可得本風(fēng)洞在風(fēng)機(jī)工作頻率分別為10、20、30、40、50Hz的情況下實(shí)驗(yàn)段的動(dòng)壓脈動(dòng)量分別為0.36%、0.38%、0.31%、0.23%、0.27%，一般要求η≤0.5%，可見(jiàn)，本風(fēng)洞的氣流穩(wěn)定性滿足要求。

(三)實(shí)驗(yàn)段的均勻性。流場(chǎng)的均勻性是指氣流速度在空間的分布情況。一般通過(guò)流場(chǎng)內(nèi)的動(dòng)壓系數(shù)μ來(lái)評(píng)定流場(chǎng)指標(biāo)：

合格指標(biāo)：|μ|≤0.5%

先進(jìn)指標(biāo)：|μ|≤0.2%

動(dòng)壓系數(shù)μ為：

(4)

由此可求得各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓系數(shù)，見(jiàn)表。由表中數(shù)據(jù)可知|μi|max=0.048<0.2，滿足先進(jìn)指標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)分布均勻。

表6 各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓系數(shù)

(四)實(shí)驗(yàn)段的氣流偏角。實(shí)驗(yàn)在頻率為30Hz的情況下，在距實(shí)驗(yàn)段人口0.53m處的截面中心位置測(cè)量流動(dòng)點(diǎn)的流向特性。

合格指標(biāo)LΔα≤0.5°,Δβ≤0.5°

從測(cè)試結(jié)果看出，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段氣流方向與風(fēng)洞軸線偏角很小。

表7 氣流偏角壓力測(cè)量數(shù)據(jù)

(五)實(shí)驗(yàn)段的湍流度。湍流度通常定義為三個(gè)方向脈動(dòng)均方值的平均值。本次實(shí)驗(yàn)中，我們假定流動(dòng)為一元流動(dòng)，根據(jù)湍流度定義，各測(cè)點(diǎn)上的湍流度由下式確定：

(5)

其中要求模型區(qū)中心的湍流度ε達(dá)到≤0.2%

圖4給出了不同頻率下該點(diǎn)的湍流度。

圖4 不同頻率下的湍流度

可見(jiàn)，本風(fēng)洞湍流度合格。并且，由于整流裝置的存在，使得氣流比較均句，其湍流程度會(huì)比較好，符合今后實(shí)驗(yàn)的需要。同時(shí)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)段上，邊界區(qū)域的湍流度會(huì)較大。對(duì)于空風(fēng)洞，我們可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)段中的氣流是各向同性湍流，使用式(5)來(lái)確定湍流度。由于測(cè)量系統(tǒng)的慣性，這一方法對(duì)不穩(wěn)定氣流的測(cè)量有很大限制，測(cè)量介質(zhì)與被測(cè)介質(zhì)要達(dá)到平衡需要一定時(shí)間，這與氣流的脈動(dòng)變化要產(chǎn)生一定的時(shí)間遲滯。實(shí)驗(yàn)測(cè)出的氣流湍流度要小于實(shí)驗(yàn)值，但作為定性的分析，湍流度的測(cè)量結(jié)果也還是說(shuō)明了氣流脈動(dòng)的分布規(guī)律[2]。

三、結(jié)論

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備中風(fēng)機(jī)的工作頻率與實(shí)驗(yàn)段的氣流平均流速呈線性關(guān)系，由此可以得到在風(fēng)機(jī)頻率范圍內(nèi)的任意氣流速度；氣流的穩(wěn)定性是指動(dòng)壓或速度隨時(shí)間而脈動(dòng)的情況，這種脈動(dòng)是低頻的脈動(dòng)，可用機(jī)械傳感器，如皮托管測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確定氣流穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)手段和方法是可行的，結(jié)果也是可靠的。穩(wěn)定性主要與施工質(zhì)量、施工質(zhì)量、電源系統(tǒng)質(zhì)量、風(fēng)扇設(shè)計(jì)和洞體設(shè)計(jì)等有關(guān)，也與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)。速度較低時(shí)穩(wěn)定性差的原因主要是洞壁干擾造成，另外，風(fēng)機(jī)電源不穩(wěn)定也會(huì)促使氣流失穩(wěn)。

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李勇(1993.04-)，男，漢族，河北省冀州市魏屯鎮(zhèn)，碩士，中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院。