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風洞是能人工產生和控制氣流,以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動,並可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備,它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具。按其功效可分為汽車風洞、飛機風洞等。

1 風洞 -概述

風洞風洞

風洞代表了一個國家在航空航天方面的基礎研究水平,它是飛行器的「搖籃」,一架飛機的發動機、氣動布局,不在風洞里吹個幾千上萬次,絕不敢上天。

風洞實驗是飛行器研製工作中的一個不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天工程的研究和發展中起著重要作用,隨著工業空氣動力學的發展,在交通運輸、房屋建築、風能利用和環境保護等部門中也得到越來越廣泛的應用。用風洞作實驗的依據是運動的相對性原理。實驗時,常將模型或實物固定在風洞內,使氣體流過模型。這種方法,流動條件容易控制,可重複地、經濟地取得實驗數據。

 

 

2 風洞 -歷史

風洞風洞

1901年,萊特兄弟為研究飛機及得到正確的飛行資料,發明了風洞隧道進行測試。

1902年,萊特兄弟以風洞隧道的測試與前兩架滑翔機的經驗,建造第三架滑翔機。

1945年,第二次世界大戰尚未結束時,德國設計並開始建造一個實驗段直徑1米,最高風速達10馬赫的連續式高超音速風洞。戰爭結束后被美國繳獲,美國仿製並作了適當修改後,一直到1961年才在阿諾德中心建立最高風速達12馬赫的高超音速風洞。

3 風洞 -組成

風洞主要由洞體、驅動系統和測量控制系統組成,各部分的形式因風洞類型不同而異。

洞體

洞體有一個能對模型進行必要測量和觀察的實驗段。實驗段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。實驗段下游有降低流速、減少能量損失的擴壓段和將氣流引向風洞外的排出段或導回到風洞入口的迴流段。有時為了降低風洞內外的雜訊,在穩定段和排氣口等處裝有消聲器。

驅動系統
風洞風洞

驅動系統有兩類,一類是由可控電機組和由它帶動的風扇或軸流式壓縮機組成。風扇旋轉或壓縮機轉子轉動使氣流壓力增高來維持管道內穩定的流動。改變風扇的轉速或葉片安裝角,或改變對氣流的阻尼,可調節氣流低速風洞的速度。直流電動機可由交直流電機組或可控硅整流設備供電。它的運轉時間長,運轉費用較低,多在低速風洞中使用。使用這類驅動系統的風洞稱連續式風洞,但隨著氣流速度增高所需的驅動功率急劇加大。另一類是用小功率的壓氣機事先將空氣增壓貯存在貯氣罐中,或用真空泵把與風洞出口管道相連的真空罐抽真空,實驗時快速開啟閥門,使高壓空氣直接或通過引射器進入洞體或由真空罐將空氣吸入洞體,因而有吹氣、引射、吸氣以及它們相互組合的各種形式。使用這種驅動系統的風洞稱為暫沖式風洞。暫沖式風洞建造周期短,投資少,一般雷諾數較高,它的工作時間可由幾秒到幾十秒,多用於跨聲速、超聲速和高超聲速風洞。對於實驗時間小於1秒的脈衝風洞還可通過電弧加熱器或激波來提高實驗氣體的溫度,這樣能量消耗少,模擬參數高。

 

測量控制系統

其作用是按預定的實驗程序,控制各種閥門、活動部件、模型狀態和儀器儀錶,並通過天平、壓力和溫  亞音速、跨音速、超音速風洞度等感測器,測量氣流參量、模型狀態和有關的物理量。隨著電子技術和計算機的發展,20世紀40年代後期開始,風洞測控系統,由早期利用簡陋儀器,通過手動和人工記錄,發展到採用電子液壓的控制系統、實時採集和處理的數據系統。

4 風洞 -種類

風洞種類繁多,有不同的分類方法。

按實驗段氣流速度大小來區分,可以分為低速、高速和高超聲速風洞。

低速風洞

實驗段氣流速度在130米/秒以下(馬赫數≤0.4)的風洞。現在世界上最大的低速風洞是美國國家航空和航天局埃姆斯研究中心的風洞。

低速風洞實驗段有開口和閉口兩種形式,截面形狀有矩形、圓形、八角形和橢圓形等,長度視風洞類別和實驗對象而定。 

高速風洞

風洞風洞

實驗段內氣流馬赫數為0.4~4.5的風洞。按馬赫數範圍劃分,高速風洞可分為亞聲速風洞、跨聲速風洞和超聲速風洞。

(1)亞聲速風洞

風洞的馬赫數為0.4~0.7。結構形式和工作原理同低速風洞相仿,只是運轉所需的功率比低速風洞大一些。

(2)跨聲速風洞

風洞的馬赫數為0.5~1.3。第一座跨聲速風洞是美國航空諮詢委員會在1947年建成的。

(3)超聲速風洞

洞內氣流馬赫數為1.5~4.5的風洞。第一座超聲速風洞是普朗特於1905年在德國格丁根建造的。

高超聲速風洞

馬赫數大於5的超聲速風洞。主要用於導彈、人造衛星、太空梭的模型實驗。實驗項目通常有氣動力、壓力、傳熱測量和流場顯示,還有動穩定性、低熔點模型燒蝕、質量引射和粒子侵蝕測量等。高超聲速風洞主要有常規高超聲速風洞、低密度風洞、激波風洞、熱衝風洞等形式。

5 風洞 -用於標定

風向標和各種風速表一般都是通過風洞進行全面有效的校準。風洞是一種進行流體力學、航空模型實驗以及環境問題實驗的大型設備。在這種管道系統里,動力風扇造成空氣流動,並在它的實驗空間造成一個穩定、均勻的流場。工作段的流速可以調整。專門進行風速儀檢定的風洞,風速範圍大致在0.5~60m/s。

6 風洞 -研究進展

中國建成9倍音速風洞

2012年6月,根據《北京科技報》報道,中國已建成JF12風洞,該風洞的「身長」265米,使其能夠提供更長的實驗時間,是迄今(2012年)為止世界上性能最先進的高超聲速氣動試驗裝置。JF12風洞里的『風』,速度最高可達Ma 9,溫度可達3000攝氏度左右。

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