常规风洞

试验段的风速小于140m/s的风洞

常规风洞（Conventional wind tunnel）是指试验段的风速小于140m/s的风洞，也叫低速风洞。在航空航天方面，有关低速流动的基础性研究，各种飞行器的布局和性能研究，都在常规风洞进行试验。

简介

常规风洞是指试验段的风速小于140m/s（或Ma<0.4）的风洞，在这个速度范围内气流的压缩性影响可以忽略。在各类风洞中，常规风洞是出现最早、发展最完备、种类和数量也最多的一种风洞，它有着广泛的用途。在航空航天方面，有关低速流动的基础性研究，各种飞行器的布局和性能研究，都在低速风洞进行试验。在一般情况下，运动物体之间的相对速度大多不超过100 m/s，所以有关的空气动力学试验都属于低速风洞试验范畴。对于高速飞行器来说，也都要经历起飞（或着陆）阶段的低速飞行，所以低速试验也是不可缺少的。一般工业（非航空航天）用的生产型风洞，绝大多数也是低速风洞。

常规风洞内气流速度较低，可按不可压缩流动来设计计算。设计的主要问题是选择合适的收缩比和收缩曲线、高质量的整流装置、低噪声高效率的风扇装置等，使风洞具有高的能量比、低的湍流度、低的造价，并保证具有高的流场品质。低速风洞的设计实践和制造经验多，设计技术相对成熟，因而常规的低速风洞完全可以遵循现有性能优良的风洞所建立的设计准则进行设计。

低速风洞的特点

①尺寸大，生产型低速风洞试验段口径一般在2. 5m以上，全风洞的长度在几十米以上。由于速度较低，单位面积气流所消耗的功率比较小，但总功率仍达到相当大的水平，如一般风洞功率在几千千瓦的量级，大型风洞在几万千瓦的量级。

②能够长时间运转或连续运转，但长时间运转也会消耗很大能量，引起气流和风洞的升温，所以先进的风洞需配备气流冷却系统。

③对气流的性能要求高，根据相似理论，风洞提供的气流，应该是充分均匀的。为了做到这一点，风洞中要设置很多整流部件，如导流片、蜂窝器、阻尼网等。风洞设计方面也要有相应的措施，如增大收缩比等。对风洞部件的加工要求也是很严格的，尤其是收缩段和试验段。

低速风洞的组成

低速风洞的基本形式有直流式和回流式两种。世界上大多数低速风洞是回流式的，它与直流式风洞差别在于多了回流道。网流道的作用主要是使风洞中的气流基本上不受外界的干扰（不受阵风影响，气流均匀），温度可得到控制，并可减少噪声污染。

下面以单回路低速风洞为例，介绍低速风洞的各段组成（见图1）。从试验段开始，顺气流方向逐一介绍。

①试验段

试验段是风洞中进行模型试验的部件，是整个风洞的中心，模型装在此处进行试验。衡量风洞气动力设计及施工的质量，一是试验段气流的流场品质，二是风洞工作的效率。试验段的气流品质是风洞各部件工作的集中体现。

②调压孔

调压孔（见图2）或调压缝用来均衡风洞试验段内外的静压。在整个风洞管道中，试验段的静压是最低的，可能低于环境压力。因而试验段有很高的密封要求，这对于设置门窗来说都是很不方便的。如果不满足密封要求，将直接影响模型周围流场。设置调压孔后，使试验段压力相等于环境压力，因而就不需要特别的密封了。

③扩压段

扩压段又称扩散段，其作用是把气流的动能转变为压力能，以减小风洞的功率损失。

影响扩压效率的主要因素是扩散角，管道的截面形状、扩散比以及壁面粗糙度等也有影响。南试验数据可以看出，圆形截面的扩压效率最高。对于同样的扩散比，三维扩压段的效率要比二维的高，这是由于三维情况为四边扩展，而二维情况仅为二边扩展，因而不得已采用较大的扩散角。二元风洞不一定必须采用二维扩压段，也可采用三维扩压段。

④拐角段

一般风洞气流产生回流具有4个拐角，扩压段后为第1拐角，依次是2、3、4拐角。

为了保证气流经过拐角时改变流动方向而不出现分离，4个拐角都必须安置拐角导流片。沿风洞转角对称线上布置垂直安放的导流片，称拐角导流片，是减小损失的一个很有效的措施。加放导流片后，相当于保持当地的转弯半径以及风洞高度不变，气流转弯的离心力作用于导流片上，避免了气流的压力增加，同时流动更加顺畅。

⑤风扇

风扇（见图3）是低速风洞关键的部件，占有十分重要的地位，其作用是使气流的压力提高。风扇设计质量的好坏，直接影响风洞的效率和性能。在设计风扇系统时，有些参数必须预先确定，主要是对风扇系统做功、效率、外形尺寸及转速的要求等。

⑥电机

电机是风洞的“心脏”，为整个风洞提供动力（见图4）。电机一般可装在风洞（外加整流罩）内，但也有的风洞把电机装在风洞之外，用长轴传人而带动风扇旋转。

⑦整流罩

整流罩为电机及桨毂等进行整流，使风扇前后保持流线型，改善气流的性能，尤其是防止分离。

⑧反扭导流片

经过风扇的气流常带有旋转，反扭导流片的作用是消除旋转，使气流保持单一的轴向流动。有的风洞安装预扭导流片，使气流预先有相反方向的旋转，在设计状态下，经过风扇后恢复为轴向流动。也有的风洞预扭和反扭导流片都有。当风洞安装一对同轴但反向旋转的风崩时，在设计状态下预扭和反扭导流片都可以不需要。

⑨回流段

同流段也叫同路段，是将空气导回到试验段上游的管道。

⑩稳定段

稳定段是使气流保持均匀稳定的等直径管道，稳定段内还安装了蜂窝器、阻尼网等整流设备。

稳定段通常是一个等截面管道，下游与收缩段相接，所以其面积大小取决于风洞收缩比的要求。普通单同流风洞，第4拐角下游就是稳定段，流动截面没有变化。直流风洞的稳定段前方还有一段光滑唇口，使气流能从各个方向光滑地进入风洞。稳定段的长度首先要保证安装蜂窝器、多层阻尼网等，其次还需要有一段长度，使气流经过蜂窝器及阻尼网以后逐渐稳定下来并衰减残存的小旋涡。因此，为满足上述要求，稳定段的长度一般按以下数据确定：对于小收缩比的风洞，如收缩比小于5，稳定段的长度为直径的1.0~1.5倍；对于大收缩比风洞，如收缩比大于5，则长度为直径的0.5~1.0倍。收缩比定义为收缩段入口与出口面积之比，即稳定段与试验段面积之比。稳定段中气流速度很低，因而压力损失比较小，稳定段长度引起的损失只占风洞总损失很小一部分，所以经常使稳定段长些，用以协调风洞动力段和回流段的长度要求，对于改善气流性能也有好处。

⑩蜂窝器

蜂窝器（见图5）主要对气流起导直和打破大的旋涡的作用。

蜂窝器由许多方形、圆形或六角形的等截面小管道并列组成，形状如同蜂窝，故名蜂窝器。蜂窝器的作用在于导直气流，使其平行于风洞轴线，把气流中的大尺度旋涡分割成小旋涡，因而有利于加快旋涡的衰减。同时，蜂窝管道对气流的摩擦还有利于改善气流的速度分布。蜂窝尺寸以口径M和长度L表示，长度L越大，整流效果越好，但损失增加。M值越小，蜂窝器对降低湍流度的效果越显著。

⑩阻尼网

阻尼网的作用是降低气流的湍流度和不均匀度。网的层数越多，网目越细，效果越明显，但相应压力损失也越大。阻尼网除降低气流湍流度外，还可以使气流速度分布更趋均匀。

⑩收缩段

收缩段（见图6）是使气流均匀加速的收缩管道，气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离。一般来说，气流在加速过程中是不易分离的。收缩段出口的气流要求均匀、平直而且稳定。收缩段不宜过长，收缩段过长，会使风洞建设投资增加，而且能量损失也增大。收缩段的性能主要取决于两个因素，一是收缩比（即收缩段进口面积与出口面积之比），二是收缩曲线。

除上述各部件以外，有的风洞在扩压段下游安装了安全网。其目的是保护风洞下游，尤其是风扇系统的安全，防止模型损坏后碎片打在这些部件上。对于开口风洞，扩压段入口处还有一个喇叭口，起收集气流的作用。

低速风洞的能量比

能量比为试验段气流的动能流率（即单位时间通过的动能）与通过动力系统输入风洞的功率之比，能量比反映了风洞的效率。低速风洞所需的功率与试验段速度的三次方成正比，与试验段面积成正比。风洞维持气流在一定条件下运动所耗费的能量越低，则能量比越高，这不仅有很大的经济价值（对大型或巨型风洞尤其重要），而且一定程度上也反映了气流损失小、品质好。所以，从气流品质的要求，也应规定适当的能量比指标。各类风洞随风洞大小、基本形式及风速的不同，其能量比是不同的。但相近的风洞，能量比有一个统计的平均值，能量比是风洞总的性能的一种衡量指标。能量比高低与风洞各个部件设计和加工安装的质量都有关系。

气流在风洞管道内流动时必然有能量损失，这种损失来自几个方面：气流与固体边界包括洞壁、拐角导流片、蜂窝器以及试验模型等的摩擦，物体表面的气流分离引起旋涡、湍流等。在直流式风洞情况下，通过扩压段的气流排人大气，其动能全部损失。若试验段开口，射流也将损失能量。气流的能量全部由动力装置提供，但动力装置不可能把它吸收的能量全部转给气流，其中一部分必将损耗。而驱动风扇转动的电机，也有一个效率问题。相同的试验段流动条件（气流速度、流量等）下，气流经过风洞回路的损失越小，需要风扇补充的能量就越低。风扇和电机的效率越高，消耗的电能也将越低。现有风洞由于设计不同，以及风扇、电机的效率差别很大，能量比的变化范围比较大，一般情况：直流风洞0.5~6，单回路开口风洞1.5~4，单同路闭口风洞3~7。

开口风洞的试验段损失是比较严重的，几乎占风洞总损失的一半，其损失系数可以达到闭口试验段的10倍，因而导致开口风洞的能量比较低。在风洞的其他各部件中，扩压段的损失比较大，在闭口试验段情况可以占风洞全部损失的1/4以上。4个拐角中，第1、2拐角，因为当地流速较高，因而损失比较大，第3、4拐角的损失就比较小。在设计风洞时，从能量观点考虑，采用闭口试验段，提高扩压段的效率，选择阻尼网的层数及粗细，都是很重要的。

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