风洞设计.doc

低速风洞气动特性设计（2）
一、课程设计目的
综合运用在流体力学实验技术和其它课程中所学习的知识，完成简化了的低速风洞气动特性设计项目，达到培养和提高独立完成设计工作的能力。

二、课程设计要求
能正确运用有关学科的基本理论解决工程实际问题。图纸符合规范，清楚，整洁。设计说明书中文字、数字和插图表达清晰正确。设计中对工艺性、经济性作了考虑。工作态度认真负责，按时、独立完成指定的设计任务。

三、设计风洞任务要求
1) 风洞实验段要求：开口
2) 实验段进口截面形状：椭圆形
3) 实验段进口截面尺寸：1.5m
4) 实验段进口截面最大风速：50m/s
5) 收缩段的收缩比5

四、风洞设计说明书

根据实验段进口截面尺寸判断：我们小组所设计风洞为小型风洞

1、实验段设计
实验段是整个风洞的中心，模型装在此处进行实验。衡量风洞气动力设计及施工的质量主要从两方面来看：实验段气流的流场品质；风洞工作的效率。实验段的气流品质是风洞各部分工作的集中体现。

实验段截面形状选择
选择剖面形状的原则是在满足实验要求下最有效地利用全部气流切面积，因而可以减少风洞的驱动功率。实验段截面形状有圆形、方形、八角形、椭圆形及长方形等。
在相似的稳定段情况和相同的收缩比下，椭圆形截面的气流最为均匀，即均匀区所占的比例最大，圆形次之，长方形再次之；从洞壁干扰的情况来看，对于相同的模型展长洞宽比，椭圆形的升力干扰最小，长方形次之，圆形再次之。
因此，我们所设计实验段椭圆形截面有流场均匀、气流品质好、洞壁干扰小的优点。但，从施工和安装来讲，椭圆形不方便，这也是弊端所在。

实验段截面尺寸选择
椭圆截面按照长轴短轴比3:2设计，则长轴长1.5m，短轴长1m。
设长半轴为a，短半轴为b，则a=0.75m,b=0.5m
定义椭圆截面水力直径，且
求得：

实验段开口式、闭口式的选择
本实验任务要求采用开口式，优点在于：安装模型及进行实验方便；在相同的模型和风洞尺寸关系下，开口实验段的边界层干扰要小得多。但相比于闭口式，缺点在于：实验段气流均匀性差，且容易产生脉动，为保证实验数据准确性，模型应该置于等紊流度区域内，因而模型尺寸受限。

实验段长度确定
实验段长度可以分为三部分模型头部至实验段入口的距离、模型长度、模型尾部至扩压段进口距离，且满足如下要求：

取
则总长
但由于所设计风洞实验段为开口式，气流损失较大，故需减小开口段长度，使，取

2、收缩段设计

收缩段作用
收缩段位于实验段上游，作用是加速气流，同时保证气流均匀，不发生分离。

收缩段进口直径：
根据收缩比，可确定
收缩段长度：
收缩段长度一般可以采用直径的0.5~1.0倍，取
收缩曲线设计：
(图)

收缩曲线的形状对实验段气流的均匀性有很大影响，如果收缩曲线设计不当，就得不到均匀来流。收缩段曲线的设计方法有很多种，如限于理想不可压无旋流的轴对称收缩段设计、采用复变函数保角映射的二元收缩段设计。
本设计中选用较为常见的维托辛斯基设计曲线：

其中分别为收缩段进口、出口及任意x处的截面半径，为收缩段的长度

3、稳定段及整流装置设计

稳定段通常是一个等截面管道。上游承接第四拐角，流动截面无变化，下游与收缩段相接，故而收缩段进口即为稳定段出口，截面直径。
稳定段对气流的影响取决于它的长度。稳定段的长度首先要保证安装蜂窝器、多层纱网等，其次还需要有一段长度，使气流经过蜂窝器及纱网后逐渐稳定下来并衰减残存的小漩涡。对于收缩比为5的风洞，长度一般取截面直径大小，故稳定段长度。
蜂窝器

蜂窝器截面形状选择
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，把气流中的大尺寸漩涡分割成小尺寸涡，因而有利于加快漩涡的衰减。
方形格子加工方便，最为常见，故设计中选用方形格子。

蜂窝器截面尺寸选择
影响蜂窝器的主要参数是蜂窝长度和口径M。长度越大，整流效果越好，但损失增加。M值越小，蜂窝器对降低紊流度的效果越显著。一般的参数范围为

取，则为30cm

纱网
纱网作用是降低气流的紊流度，故又名紊流网，它同蜂窝器均可以将较大漩涡分割成小漩涡，以利于衰减；还可以使气流速度分布更趋均匀
紊流网的设计主要包括网的层数和网的粗细选择。网越细，层数越多，整流效果越好。设计中，最常用的网的层数为2~3层；粗细最常用为24~30目/英寸。我们选用2层网，25目/英寸，两层网间距25cm

4、扩压段设计
扩压段，也称扩散段，作用是把气流的动能变成压力能。
扩压段上游承接实验段，设计中，实验段采用开口形式，取实验段射流扩散角为，实验段长度。

设扩压段进口圆截面直径，则须，可求得，取。

根据参考书中相关推导，扩压段压力损失系数：

可见，扩散比一定时，损失系数K随扩散角的增大先减小后增加，当K最小时，最佳扩散角满足如下关系式：

为摩擦损失系数，大小取决于当地雷诺数。
根据常用取值范围，取，因而最佳扩散角为
根据关系式：

取扩压段长度，则扩压段出口截面直径

5、拐角及导流片设计
在单回流风洞中,气流需经过四个拐角，气流经过拐角时很容易发生分离，出现很多漩涡，因而使流动不均匀或发生脉动。为防止分离和改善流动，需在拐角处倒圆角，并设置导流片。

拐角圆角设计
根据实验及分析，气流经过拐角的损失系数，取决于转弯半径R及管道直径之比。且圆截面拐角的损失小于方形截面的损失，当在2以上时，损失比较小且趋于稳定。但在实际设计中，由于风洞管道的直径很大，尤其在第三、第四拐角处，要求转弯半径大于风洞直径2倍是非常困难的，将会大大增加风洞的尺寸。
设计中，第一拐角和第二拐角之间风洞管道截面保持扩压段出口截面直径不变；第三拐角和第四拐角之间风洞管道截面保持稳定段截面直径不变；第一、二拐角处取，第三、四拐角处取，则。

导流片设计

导流片之间的相互位置应保持以下关系：设导流片弦长c，间距为d，通常在0.3~0.6之间。
导流片的形状有圆弧形、圆弧带直线型以及翼剖面型。圆弧型导流片，适合小型风洞；大中型风洞一般多采用翼剖面型，鉴于所设计风洞为小型风洞，故而采用圆弧型导流片，最佳间距比取，损失系数K=0.2。
单回流风洞中，一、二拐角处的气流速度比三、四拐角大，因此，一、二拐角导流片常布置稀一些，导流片弦长长一些，这样能损失小一些。拐角处倒角圆弧弦长，取导流片弦长略小于倒角圆弧弦长，则：

进一步根据导流片数目，可估算得：一、二拐角处；三、四拐角处

6、回流段设计
回流段在风洞管道中，位于风扇系统后至第三拐角，仍采用扩张管道：一方面继续把动能转变成压力能，减少气流损失；另一方面是为了增加管道面积，以得到较大收缩比。
回流段进口直径即为扩压段出口直径，出口直径为稳定段截面直径。为了缩短风洞总长度，选用扩张角为，根据公式：

可求得回流段长度为：

7、风扇段长度确定

风扇段长度一般取直径的2.5倍或者更长，故取：

8、风洞整体尺寸确定

风洞横向总体尺寸确定

第四拐角至第一拐角之间包括稳定段、收缩段、实验段、扩压段，长度为：

第二拐角至第三拐角之间包括风扇段、回流段，长度为：

略微大于，可通过适当增加风扇段长度达到平衡：
从而确定风洞纵向尺寸：

风洞纵向总体尺寸确定
段最大截面出现在稳定段，截面直径，段最大截面出现在回流段出口处，截面直径，故、上下两段轴线间距满足：

考虑经济成本问题，B在满足实验指标要求的前提下尽量取小值，设计中取B=4.5m

9、风洞能量比计算

能量比定义
能量比定义为实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。根据计量输入功率的范围不同，可以有三种不同的能量比：
1）以电网输给风洞电机的功率作为输入功率：
式中分别为气流的密度，流速和实验段截面积；E、I为输入电机的电压、电流。
2）以电机输给风扇的功率作为输入功率： 分别为电机效率、机械效率
3）以风扇输给气流的功率作为输入功率： 为风扇系统效率
风扇系统前后压力增量为，风扇系统输给气流的功率等于压力增量乘以流量，稳定运转时，压力增量即为回路气流压力损失：

式中为气流经过各部件的当量损失系数，定义为压力损失除以实验段动压：

且当量损失系数与损失系数关系为：
考虑到：，则有。从而求风洞的能量比转化为求各段的当量压力损失系数。

当量损失系数计算

1） 实验段损失
对于实验段，损失系数即为当量损失系数：,L为实验段长度1.37m，为实验段水力直径1.14m，为摩擦损失系数，对于开口实验段，可根据如下经典公式计算：

求得：

2） 扩压段损失
扩压段损失可由扩压段设计时给出的经典公式计算：

将设计值，得：
损失系数的参考动压为扩压段入口处的值，即为实验段动压，故有：

3) 回流段损失
回流段实际上也是一个扩压段，故损失系数计算方法同扩压段，求得：

4) 拐角损失
在雷诺数拐角损失可按照下列经验公式计算：

其中雷诺数Re以导流片弦长及管道平均速度作为特征量。
由于纵向两侧管道无突变，故第一、二拐角处速度可认为是扩压段出口处的速度，第三、四拐角处速度可认为是稳定段速度，根据，得。分别求得一、二拐角处速度：；三、四拐角处速度：
由，计算拐角处雷诺数，取空气粘性系数为，密度，则一、二拐角处导流片弦长，三、四拐角处导流片弦长，计算得一、二拐角处，三、四拐角处
进一步代入经验公式得：，
拐角处总损失为：

5） 蜂窝器损失
设计中选用了方形格子蜂窝器，其损失系数，当量损失系数：

6） 紊流网损失
取纱网透气度为0.6，则损失系数，，由于采用两层紊流网，当量损失系数：

7） 实验模型损失
气流经过实验模型同样会引起能量损失：，当量损失系数为：

式中，S为模型参考面积，Cx为模型阻力系数，为考虑尾流影响的修正系数，对于低速风洞取1。
由于风洞实验段阻塞度要求小于等于5%，取，并取Cx=0.8，则可估得：

总当量损失系数：

风洞能量比：

风洞所需功率：