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风洞试验研究及其应用
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风洞试验研究及其应用

  在风洞中安置飞行器或其他物体模型,研究气体流动及其与模型的相互作用,以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。

  风洞实验的理论依据是流动相似原理。由于风洞尺寸、结构、材料、模型、实验气体等方面的限制,风洞实验要作到与真实条件完全相似是不可能的。通常的风洞实验,只是一种部分相似的模拟实验。因此,在实验前应根据实际内容确定模拟参数和实验方案,并选用合适的风洞和模型。

  风洞实验尽管有局限性,但有如下四个优点:

  ① 比较准确地控制实验条件,如气流的速度、压力、温度等;

  ② 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;

  ③ 实验项目和内容多种多样,实验结果的精确度较高;

  ④ 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。

  模型的设计和制造是风洞实验的一个关键。模型应满足如下要求:形状同实物几何相似或符合所研究问题的需要(如内部流动的模拟等);大小能保证在模型周围获得所需的气流条件;表面状态(如光洁或粗糙程度、温度、人工边界层过渡措施等)与所研究的问题相适应;有足够的强度和刚度,支撑模型的方式对实验结果的影响可忽略或可作修正;能满足使用测试仪器的要求;便于组装和拆卸。此外,某些实验还对刚度、质量分布有特殊要求。模型的材料在低速风洞中一般是高强度木材或增强塑料,在高速和高超声速风洞中常用碳钢、合金钢或高强度铝合金。有些实验根据需要还采用其他材料。模型通常都是缩尺的,也有全尺寸的,有时还可以按一定要求局部放大。对于几何对称的实物,还可以利用其对称性做成模拟半个实物的模型。

  对风洞实验结果通常须进行处理和分析。其主要内容是:将测量值换算成所需的空气动力学特性数据;分析综合各个实验环节可能引入的误差;对实验结果作出物理解释和数学说明;根据模型流动和实物流动的差别,修正实验结果。模型流动和实物流动的差别主要有:由风洞和模型造成的模拟失真,如雷诺数的差别、进气和喷流的模拟失真等;其次是风洞洞壁和模型支架的干扰影响;还有风洞流场的非均匀性、湍流度和噪声影响等。其中有些可以通过计算或者实验进行修正,更重要的是要注意积累使用风洞实验结果的经验。(相关阅读:西北工业大学采用神州普惠AppTDM试验数据管理系统, 神州普惠向其提供AppTDM试验数据管理系统,用于“网络及风洞数据库系统” )

  常见的风洞实验有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观察技术等五个项目。

  测力实验 利用风洞天平(见风洞测试仪器)测量作用在模型上的空气动力和力矩的风洞实验。它是风洞实验中最重要的实验项目之一。测力实验主要有:全模型和部件的纵向和横向测力实验、喷流实验、静气动弹性实验、外挂物测力和投放轨迹实验等。

  全模型和部件的纵向和横向测力实验 测量沿模型上三个互相垂直轴的力和绕三个轴的力矩的实验。其中无测滑的实验为纵向实验,有测滑的为横向实验。模型由腹部支杆或尾支杆支撑于风洞中

  

 

 

  图1 飞机模型腹部支撑于低速风洞中的情况

  

 

 

  图2 翼身组合体模型尾支撑于高速风洞中的情况

  为研究各部件的贡献和干扰,除采用全模和部件组拆实验外,更精确的方法是在模型内安装多台天平,同时测量全机和部件的气动力。对于有对称面的飞行器,在绕流对称的条件下,可以洞壁或反射平板为对称面,取模型的一半做实验。这种实验称为半模实验,其优点是模型可做得大些,雷诺数可以高些,无尾支杆干扰,制造方便和经济。缺点是存在洞壁边界层和缝隙的影响以及仅能进行纵向实验。

  喷流实验 测量飞行器发动机喷流对飞行器机体气动特性影响的实验。在风洞中要精确模拟喷流是很困难的。除模拟自由流马赫数[144-ma]、比热比 和喷管几何形状外,还要模拟出口与自由流静压比、出口马赫数[144-ma]喷流比热比普适气体常数与热力学温度乘积比()/()等相似参数。 通常只能有选择地模拟其中一些项目,例如,一般当喷口处于飞行器底部时,可用冷空气模拟喷流。当喷口处于飞行器底部上游时,还应模拟和()/()。火箭发动机喷流模拟以用缩尺火箭发动机为宜喷流实验的关键在于研制高精度天平小干扰的支架和不传力的输气密封系统。

  静气动弹性实验 测量模型刚度对气动特性影响的实验。通常风洞实验中的模型都是用强度和刚度较大的金属制作的,而真实飞行器的刚度比模型低得多。因此,需制造一种由金属作骨架、用轻木或塑料作填料、能模拟飞行器各部件弯曲和扭转刚度的弹性模型,把它放在风洞中作模拟飞行条件的高动压实验,测量对模型刚度的影响,修正刚体模型实验的数据。

  外挂物测力和投放轨迹实验 测量飞行器外挂油箱、炸弹或其他物体的气动力和外挂物投放轨迹的实验。由于风洞尺寸的限制,风洞中外挂物模型很小,测量很困难。早期的实验是设计专门的外挂物天平。天平可以放在外挂物模型或者它的挂架内直接测量。外挂物投放轨迹是用高速摄影或多次曝光技术对自由投放的模型进行照相记录。

  

 

 

  图3 轰炸机模型外挂物自由投放轨迹照片

  图3 轰炸机模型外挂物自由投放轨迹照片是在低速风洞中用多次曝光法拍摄的外挂物投放轨迹照片。这种方法简便、直观,但要模拟弗劳德数,所以模型设计和调整很困难。20世纪60年代以来,发展出一种双天平测量系统,母机模型和外挂物分别支撑在各自的天平上。实验时首先测量外挂物和母机的气动力,输入计算机,由运动方程和给定的时间间隔算出外挂物在气动力作用下运动的下一个位置,然后操纵外挂物运动到计算位置再进行测量。一直到所要求的轨迹测出为止。这时,母机和外挂物所有瞬间的气动力也同时测出。这种方法不要求模型动力相似,模型可多次使用。同时,这套装置也可以用于其他双体实验或大攻角失速后运动轨迹测量等。缺点是精度要求较高,制造费用大。

  除上述实验外,还有一些专门的测力实验,如铰链力矩测量、摩阻测量、进气道阻力测量、马格纳斯力和力矩(见马格纳斯效应)测量等,这些都要有专门设计的天平。

  测压实验 风洞洞壁、模型表面上各点和气流中各点的当地压力参数测量。

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