基本介紹
- 中文名：常規風洞
- 外文名：Conventional wind tunnel
- 別稱：低速風洞
- 定義：試驗段的風速小於140m/s的風洞
- 歷史地位：出現最早、發展最完備等
- 學科：航空航天
簡介,低速風洞的特點,低速風洞的組成,低速風洞的能量比,
簡介
常規風洞是指試驗段的風速小於140m/s（或Ma<0.4）的風洞，在這個速度範圍內氣流的壓縮性影響可以忽略。在各類風洞中，常規風洞是出現最早、發展最完備、種類和數量也最多的一種風洞，它有著廣泛的用途。在航空航天方面，有關低速流動的基礎性研究，各種飛行器的布局和性能研究，都在低速風洞進行試驗。在一般情況下，運動物體之間的相對速度大多不超過100 m/s，所以有關的空氣動力學試驗都屬於低速風洞試驗範疇。對於高速飛行器來說，也都要經歷起飛（或著陸）階段的低速飛行，所以低速試驗也是不可缺少的。一般工業（非航空航天）用的生產型風洞，絕大多數也是低速風洞。
常規風洞內氣流速度較低，可按不可壓縮流動來設計計算。設計的主要問題是選擇合適的收縮比和收縮曲線、高質量的整流裝置、低噪聲高效率的風扇裝置等，使風洞具有高的能量比、低的湍流度、低的造價，並保證具有高的流場品質。低速風洞的設計實踐和製造經驗多，設計技術相對成熟，因而常規的低速風洞完全可以遵循現有性能優良的風洞所建立的設計準則進行設計。
低速風洞的特點
①尺寸大，生產型低速風洞試驗段口徑一般在2. 5m以上，全風洞的長度在幾十米以上。由於速度較低，單位面積氣流所消耗的功率比較小，但總功率仍達到相當大的水平，如一般風洞功率在幾千千瓦的量級，大型風洞在幾萬千瓦的量級。
②能夠長時間運轉或連續運轉，但長時間運轉也會消耗很大能量，引起氣流和風洞的升溫，所以先進的風洞需配備氣流冷卻系統。
③對氣流的性能要求高，根據相似理論，風洞提供的氣流，應該是充分均勻的。為了做到這一點，風洞中要設定很多整流部件，如導流片、蜂窩器、阻尼網等。風洞設計方面也要有相應的措施，如增大收縮比等。對風洞部件的加工要求也是很嚴格的，尤其是收縮段和試驗段。
低速風洞的組成
低速風洞的基本形式有直流式和回流式兩種。世界上大多數低速風洞是回流式的，它與直流式風洞差別在於多了回流道。網流道的作用主要是使風洞中的氣流基本上不受外界的干擾（不受陣風影響，氣流均勻），溫度可得到控制，並可減少噪聲污染。
下面以單迴路低速風洞為例，介紹低速風洞的各段組成（見圖1）。從試驗段開始，順氣流方向逐一介紹。
圖1
圖1①試驗段
試驗段是風洞中進行模型試驗的部件，是整個風洞的中心，模型裝在此處進行試驗。衡量風洞氣動力設計及施工的質量，一是試驗段氣流的流場品質，二是風洞工作的效率。試驗段的氣流品質是風洞各部件工作的集中體現。
②調壓孔
調壓孔（見圖2）或調壓縫用來均衡風洞試驗段內外的靜壓。在整個風洞管道中，試驗段的靜壓是最低的，可能低於環境壓力。因而試驗段有很高的密封要求，這對於設定門窗來說都是很不方便的。如果不滿足密封要求，將直接影響模型周圍流場。設定調壓孔後，使試驗段壓力相等於環境壓力，因而就不需要特別的密封了。
圖2
圖2③擴壓段
擴壓段又稱擴散段，其作用是把氣流的動能轉變為壓力能，以減小風洞的功率損失。
影響擴壓效率的主要因素是擴散角，管道的截面形狀、擴散比以及壁面粗糙度等也有影響。南試驗數據可以看出，圓形截面的擴壓效率最高。對於同樣的擴散比，三維擴壓段的效率要比二維的高，這是由於三維情況為四邊擴展，而二維情況僅為二邊擴展，因而不得已採用較大的擴散角。二元風洞不一定必須採用二維擴壓段，也可採用三維擴壓段。
④拐角段
一般風洞氣流產生回流具有4個拐角，擴壓段後為第1拐角，依次是2、3、4拐角。
為了保證氣流經過拐角時改變流動方向而不出現分離，4個拐角都必須安置拐角導流片。沿風洞轉角對稱線上布置垂直安放的導流片，稱拐角導流片，是減小損失的一個很有效的措施。加放導流片後，相當於保持當地的轉彎半徑以及風洞高度不變，氣流轉彎的離心力作用於導流片上，避免了氣流的壓力增加，同時流動更加順暢。
圖3
圖3⑤風扇
風扇（見圖3）是低速風洞關鍵的部件，占有十分重要的地位，其作用是使氣流的壓力提高。風扇設計質量的好壞，直接影響風洞的效率和性能。在設計風扇系統時，有些參數必須預先確定，主要是對風扇系統做功、效率、外形尺寸及轉速的要求等。
⑥電機
電機是風洞的“心臟”，為整個風洞提供動力（見圖4）。電機一般可裝在風洞（外加整流罩）內，但也有的風洞把電機裝在風洞之外，用長軸傳人而帶動風扇旋轉。
圖4
圖4⑦整流罩
整流罩為電機及槳轂等進行整流，使風扇前後保持流線型，改善氣流的性能，尤其是防止分離。
⑧反扭導流片
經過風扇的氣流常帶有旋轉，反扭導流片的作用是消除旋轉，使氣流保持單一的軸向流動。有的風洞安裝預扭導流片，使氣流預先有相反方向的旋轉，在設計狀態下，經過風扇後恢復為軸向流動。也有的風洞預扭和反扭導流片都有。當風洞安裝一對同軸但反向旋轉的風崩時，在設計狀態下預扭和反扭導流片都可以不需要。
⑨回流段
同流段也叫同路段，是將空氣導回到試驗段上游的管道。
⑩穩定段
穩定段是使氣流保持均勻穩定的等直徑管道，穩定段內還安裝了蜂窩器、阻尼網等整流設備。
穩定段通常是一個等截面管道，下游與收縮段相接，所以其面積大小取決於風洞收縮比的要求。普通單同流風洞，第4拐角下游就是穩定段，流動截面沒有變化。直流風洞的穩定段前方還有一段光滑唇口，使氣流能從各個方向光滑地進入風洞。穩定段的長度首先要保證安裝蜂窩器、多層阻尼網等，其次還需要有一段長度，使氣流經過蜂窩器及阻尼網以後逐漸穩定下來並衰減殘存的小旋渦。因此，為滿足上述要求，穩定段的長度一般按以下數據確定：對於小收縮比的風洞，如收縮比小於5，穩定段的長度為直徑的1.0~1.5倍；對於大收縮比風洞，如收縮比大於5，則長度為直徑的0.5~1.0倍。收縮比定義為收縮段入口與出口面積之比，即穩定段與試驗段面積之比。穩定段中氣流速度很低，因而壓力損失比較小，穩定段長度引起的損失只占風洞總損失很小一部分，所以經常使穩定段長些，用以協調風洞動力段和回流段的長度要求，對於改善氣流性能也有好處。
⑩蜂窩器
蜂窩器（見圖5）主要對氣流起導直和打破大的旋渦的作用。
圖5
圖5蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道並列組成，形狀如同蜂窩，故名蜂窩器。蜂窩器的作用在於導直氣流，使其平行於風洞軸線，把氣流中的大尺度旋渦分割成小旋渦，因而有利於加快旋渦的衰減。同時，蜂窩管道對氣流的摩擦還有利於改善氣流的速度分布。蜂窩尺寸以口徑M和長度L表示，長度L越大，整流效果越好，但損失增加。M值越小，蜂窩器對降低湍流度的效果越顯著。
⑩阻尼網
阻尼網的作用是降低氣流的湍流度和不均勻度。網的層數越多，網目越細，效果越明顯，但相應壓力損失也越大。阻尼網除降低氣流湍流度外，還可以使氣流速度分布更趨均勻。
⑩收縮段
收縮段（見圖6）是使氣流均勻加速的收縮管道，氣流沿收縮段流動時，洞壁上不出現分離。一般來說，氣流在加速過程中是不易分離的。收縮段出口的氣流要求均勻、平直而且穩定。收縮段不宜過長，收縮段過長，會使風洞建設投資增加，而且能量損失也增大。收縮段的性能主要取決於兩個因素，一是收縮比（即收縮段進口面積與出口面積之比），二是收縮曲線。
圖6
圖6除上述各部件以外，有的風洞在擴壓段下游安裝了安全網。其目的是保護風洞下游，尤其是風扇系統的安全，防止模型損壞後碎片打在這些部件上。對於開口風洞，擴壓段入口處還有一個喇叭口，起收集氣流的作用。
低速風洞的能量比
能量比為試驗段氣流的動能流率（即單位時間通過的動能）與通過動力系統輸入風洞的功率之比，能量比反映了風洞的效率。低速風洞所需的功率與試驗段速度的三次方成正比，與試驗段面積成正比。風洞維持氣流在一定條件下運動所耗費的能量越低，則能量比越高，這不僅有很大的經濟價值（對大型或巨型風洞尤其重要），而且一定程度上也反映了氣流損失小、品質好。所以，從氣流品質的要求，也應規定適當的能量比指標。各類風洞隨風洞大小、基本形式及風速的不同，其能量比是不同的。但相近的風洞，能量比有一個統計的平均值，能量比是風洞總的性能的一種衡量指標。能量比高低與風洞各個部件設計和加工安裝的質量都有關係。
氣流在風洞管道內流動時必然有能量損失，這種損失來自幾個方面：氣流與固體邊界包括洞壁、拐角導流片、蜂窩器以及試驗模型等的摩擦，物體表面的氣流分離引起旋渦、湍流等。在直流式風洞情況下，通過擴壓段的氣流排人大氣，其動能全部損失。若試驗段開口，射流也將損失能量。氣流的能量全部由動力裝置提供，但動力裝置不可能把它吸收的能量全部轉給氣流，其中一部分必將損耗。而驅動風扇轉動的電機，也有一個效率問題。相同的試驗段流動條件（氣流速度、流量等）下，氣流經過風洞迴路的損失越小，需要風扇補充的能量就越低。風扇和電機的效率越高，消耗的電能也將越低。現有風洞由於設計不同，以及風扇、電機的效率差別很大，能量比的變化範圍比較大，一般情況：直流風洞0.5~6，單迴路開口風洞1.5~4，單同路閉口風洞3~7。
開口風洞的試驗段損失是比較嚴重的，幾乎占風洞總損失的一半，其損失係數可以達到閉口試驗段的10倍，因而導致開口風洞的能量比較低。在風洞的其他各部件中，擴壓段的損失比較大，在閉口試驗段情況可以占風洞全部損失的1/4以上。4個拐角中，第1、2拐角，因為當地流速較高，因而損失比較大，第3、4拐角的損失就比較小。在設計風洞時，從能量觀點考慮，採用閉口試驗段，提高擴壓段的效率，選擇阻尼網的層數及粗細，都是很重要的。
