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流體力學方面的風洞實驗指在風洞中安置飛行器或其他物體模型,研究氣體流動及其與模型的相互作用,以了解實際飛行器或其他物體的空氣動力學特性的一種空氣動力實驗方法;而在昆蟲化學生態學方面則是在一個有流通空氣的矩形空間中,觀察活體蟲子對氣味物質的行為反應的實驗。

1原理

風洞實驗的基本原理是相對性原理和相似性原理。根據相對性原理,飛機在靜止
風洞實驗

  風洞實驗

空氣中飛行所受到的空氣動力,與飛機靜止不動、空氣以同樣的速度反方向吹來,兩者的作用是一樣的。但飛機迎風面積比較大,如機翼翼展小的幾米、十幾米,大的幾十米(波音747是60米),使迎風面積如此大的氣流以相當于飛行的速度吹過來,其動力消耗將是驚人的。根據相似性原理,可以將飛機做成幾何相似的小尺度模型,氣流速度在一定範圍內也可以低于飛行速度,其試驗結果可以推算出其實飛行時作用于飛機的空氣動力。

2優點

風洞實驗儘管有局限性,但有如下四個優點:①能比較準確地控制實驗條
風洞實驗

  風洞實驗

件,如氣流的速度、壓力、溫度等;②實驗在室內進行,受氣候條件和時間的影響小,模型和測試儀器的安裝、操作、使用比較方便;③實驗項目和內容多種多樣,實驗結果的精確度較高;④實驗比較安全,而且效率高、成本低。因此,風洞實驗在空氣動力學的研究、各種飛行器的研製方面,以及在工業空氣動力學和其他同氣流或風有關的領域中,都有廣泛應用。

3要求

模型的設計和製造是風洞實驗的一個關鍵。模型應滿足如下要求:形狀同實
風洞實驗模擬技術

  風洞實驗模擬技術

物幾何相似或符合所研究問題的需要(如內部流動的模擬等);大小能保證在模型周圍獲得所需的氣流條件;表面狀態(如光潔或粗糙程度、溫度、人工邊界層過渡措施等)與所研究的問題相適應;有足夠的強度和剛度,支撐模型的方式對實驗結果的影響可忽略或可作修正;能滿足使用測試儀器的要求;便於組裝和拆卸。此外,某些實驗還對剛度、質量分佈有特殊要求。模型的材料在低速風洞中一般是高強度木材或增強塑料,在高速和高超聲速風洞中常用碳鋼、合金鋼或高強度鋁合金。有些實驗根據需要還採用其他材料。模型通常都是縮尺的,也有全尺寸的,有時還可以按一定要求局部放大。對於幾何對稱的實物,還可以利用其對稱性做成模擬半個實物的模型。
對風洞實驗結果通常須進行處理和分析。其主要內容是:將測量值換算成所需的空氣動力學特性數據;分析綜合各個實驗環節可能引入的誤差;對實驗結果作出物理解釋和數學說明;根據模型流動和實物流動的差別,修正實驗結果。模型流動和實物流動的差別主要有:由風洞和模型造成的模擬失真,如雷諾數的差別、進氣和噴流的模擬失真等;其次是風洞洞壁和模型支架的干擾影響;還有風洞流場的非均勻性、湍流度和雜訊影響等。其中有些可以通過計算或者實驗進行修正,更重要的是要注意積累使用風洞實驗結果的經驗。

4分類

流體力學方面的風洞實驗的主要分類有測力實驗、測壓實驗、傳熱實驗、動態模型實驗和流態觀測實驗等。
測力和測壓實驗是測定作用於模型或模型部件(如飛行器模型中的一個機翼等)的氣動力及表面壓強分佈,多用於為飛行器設計提供氣動特性數據。傳熱實驗主要用於研究超聲速或高超聲速飛行器上的氣動加熱現象。動態模型實驗包括顫振、抖振和動穩定性實驗等 ,要求模型除滿足幾何相似外還能模擬實物的結構剛度、質量分佈和變形。流態觀測實驗廣泛用於研究流動的基本現象和機理。計算機在風洞實驗中的應用極大地提高了實驗的自動化、高效率和高精度的水平。
測力實驗 利用風洞天平(見風洞測試儀器)測量作用在模型上的空氣動力和力矩的風洞實驗。它是風洞實驗中最重要的實驗項目之一。測力實驗主要有:全模型和部件的縱向和橫向測力實驗、噴流實驗、靜氣動彈性實驗、外掛物測力和投放軌跡實驗等。
全模型和部件的縱向和橫向測力實驗  測量沿模型上三個互相垂直軸的力和繞三個軸的力矩的實驗。其中無測滑的實驗為縱向實驗,有測滑的為橫向實驗。
為研究各部件的貢獻和干擾,除採用全模和部件組拆實驗外,更精確的方法是在模型內安裝多台天平,同時測量全機和部件的氣動力。對於有對稱面的飛行器,在繞流對稱的條件下,可以洞壁或反射平板為對稱面,取模型的一半做實驗。這種實驗稱為半模實驗,其優點是模型可做得大些,雷諾數可以高些,無尾支杆干擾,製造方便和經濟。缺點是存在洞壁邊界層和縫隙的影響以及僅能進行縱向實驗。
噴流實驗  測量飛行器發動機噴流對飛行器機體氣動特性影響的實驗。在風洞中要精確模擬噴流是很困難的。除模擬自由流馬赫數∞、比熱比 γ和噴管幾何形狀外,還要模擬出口與自由流靜壓比pj/p∞、出口馬赫數j、噴流比熱比γj、普適氣體常數與熱力學溫度乘積比(RT)j/(RT)∞等相似參數。通常只能有選擇地模擬其中一些項目,例如,一般當噴口處于飛行器底部時,可用冷空氣模擬噴流。當噴口處于飛行器底部上游時,還應模擬γj和(RT)j/(RT)∞。火箭發動機噴流模擬以用縮尺火箭發動機為宜。噴流實驗的關鍵在於研製高精度天平、小干擾的支架和不傳力的輸氣密封系統。
靜氣動彈性實驗  測量模型剛度對氣動特性影響的實驗。通常風洞實驗中的模型都是用強度和剛度較大的金屬製作的,而真實飛行器的剛度比模型低得多。因此,需製造一種由金屬作骨架、用輕木或塑料作填料、能模擬飛行器各部件彎曲和扭轉剛度的彈性模型,把它放在風洞中作模擬飛行條件的高動壓實驗,測量對模型剛度的影響,修正剛體模型實驗的數據。
外掛物測力和投放軌跡實驗  測量飛行器外掛油箱、炸彈或其他物體的氣動力和外掛物投放軌跡的實驗。由於風洞尺寸的限制,風洞中外掛物模型很小,測量很困難。早期的實驗是設計專門的外掛物天平。天平可以放在外掛物模型或者它的掛架內直接測量。外掛物投放軌跡是用高速攝影或多次曝光技術對自由投放的模型進行照相記錄。圖3是在低速風洞中用多次曝光法拍攝的外掛物投放軌跡照片。這種方法簡便、直觀,但要模擬弗勞德數,所以模型設計和調整很困難。20世紀60年代以來,發展出一種雙天平測量系統,母機模型和外掛物分別支撐在各自的天平上。實驗時首先測量外掛物和母機的氣動力,輸入計算機,由運動方程和給定的時間間隔算出外掛物在氣動力作用下運動的下一個位置,然後操縱外掛物運動到計算位置再進行測量。一直到所要求的軌跡測出為止。這時,母機和外掛物所有瞬間的氣動力也同時測出。這種方法不要求模型動力相似,模型可多次使用。同時,這套裝置也可以用於其他雙體實驗或大攻角失速后運動軌跡測量等。缺點是精度要求較高,製造費用大。
除上述實驗外,還有一些專門的測力實驗,如鉸鏈力矩測量、摩阻測量、進氣道阻力測量、馬格納斯力和力矩(見馬格納斯效應)測量等,這些都要有專門設計的天平。
測壓實驗  風洞洞壁、模型表面上各點和氣流中各點的當地壓力參數測量。對應於流場的每一點,有一個總壓p0和一個靜壓p∞。總壓是假想氣流等熵絕熱地滯止,最後流速降為零時所能達到的壓力。靜壓是氣流內部相互作用的流層之間的法向力。在不可壓縮流體中,總壓和靜壓之差,即該流動點上由於氣流動力效應引起的壓力增高(p0-p∞),稱為動壓或速壓q∞。氣流壓力的測量,是空氣動力實驗中最基本的測量項目之一。
1738年,丹尼爾第一·伯努利就確立了無粘性不可壓縮流體中壓力與速度之間的關係,后稱為伯努利定理。這個定理後來被推廣到可壓縮流體。因為測量氣流壓力比較容易,故風洞實驗中常藉助測量氣流的壓力來推求速度。
物體表面某一點(如第i點)的壓力pi,常以無量綱形式的壓力係數Cρii表示。如果p∞和q∞分別代表遠前方未擾動氣流的靜壓和動壓,則Cρii是該點的剩餘壓力(pi-q∞)與動壓q∞之比。
風洞中最常見的測壓實驗是模型表面壓力分佈測量。模型表面上直接開有測壓孔。通過實驗,可以了解局部流動特性並積分出總的氣動特性。常見的有飛行器測壓、汽車測壓和建築物測壓等。進氣道測壓實驗是通過進氣道表面測壓孔和管道內排管的壓力測量,以得到進氣道的流量- 總壓恢復特性。風洞流場校測中速度場、壓力場、方向場的測量也是通過測壓進行的。此外,邊界層壓力測量也是經常進行的實驗項目。有時還通過二元物體尾流壓力測量來推算物體的阻力。所以風洞測壓實驗在工程設計和研究工作中得到廣泛應用。
風洞中氣流總壓、靜壓測量用總壓、靜壓探測管和壓力計或壓力感測器。圖4和圖5示出一般總壓管和靜壓管的結構。總壓或靜壓排管可同時獲得許多測壓數據。但管與管之間的相互影響要小。模型表面壓力測量孔要求垂直當地物面,孔緣處平滑不得有毛刺。靜壓探測管上靜壓孔位置的選擇特別重要,應使它受靜壓管頭部和支柄的綜合影響最小。測壓設備中壓力傳輸的管路不能太長,否則管內壓力達到平衡要用很長時間。
動態模型實驗
確定模型對氣流的相對運動和模型上的氣動力隨時間變化的實驗,包括顫振實驗、抖振實驗、動穩定性實驗、操縱面嗡鳴實驗、非定常壓力測量等。
顫振實驗  顫振是飛行器在氣動力、結構彈性力和慣性力相互作用下從氣流中吸取能量而引起的自激振動。它一旦發生,就很可能造成結構的破壞。進行風洞顫振試驗,旨在選擇對防顫振有利的結構方案(見顫振試驗)。
示蹤方法
在流場中添加物質,如有色液體、煙、絲線和固體粒子等,通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形。只要添加物足夠小,而且比重和流動介質接近,顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法,特別適合於顯示定常流動。常用的有絲線法、煙流法、油流法、升華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種:
①絲線法 將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型后的網格上,由絲線的運動(絲線轉動、抖動或倒轉) 可以判明氣流的方向和分離區的位置以及空間渦的位置、轉向等。圖6為一個模型實驗時機翼的絲線顯示氣體流動圖。現在又發展到用比絲線更細的尼龍絲,有時細到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理后再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來,並且可以拍攝下來。粘絲很細,對模型沒有影響,可同時進行測力實驗。此法稱為熒光絲線法。
②煙流法 用風洞中特製煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設了不少煙風洞。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產生的煙引入風洞;也有將塗有油的不鏽鋼或鎢絲放在模型前,實驗時通電將鎢絲加熱,產生細密的煙霧。為了保證煙束清晰不散,必須採用大收縮比的收縮段、穩定段或風洞入口加裝抗湍流網和採用吸振性能好的材料製造洞壁等措施,保持煙流為層流狀態。煙流法除用於觀察繞模型的流動,還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結構。圖7為模型煙流實驗中拍攝的照片。
③油流法 在粘性的油中摻進適量指示劑(如炭黑)並滴入油酸,配製成糊狀液態物,均勻地塗在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結構,顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量熒光染料,則在紫外線照射下可以顯現出熒光條紋圖,稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區、激波與邊界層相互干擾等流動現象。圖8為模型油流實驗照片。
④升華法 將揮發性的液體或容易升華的固體噴塗在模型表面,依據塗料從模型上散失的速度與邊界層狀態有關的原理(在湍流邊界層內由於氣流的不規則運動導致該處蒸發量或升華量大於層流處)來區分邊界層狀態,確定過渡點的位置。
⑤蒸汽屏法 在風洞中形成過飽和的蒸汽,在需要觀察的截面,垂直氣流方向射入一道平行光,氣流經過光面時,由於離心力的作用,旋渦內外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。
⑥液晶顯示法 利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物,溫度較低時,無色透明,隨著溫度上升,便以紅、黃、綠、藍、無色的順序改變,能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前後的溫差。它適用於高速和超聲速流態觀察。液晶的塗法與漆類似,先稀釋,再噴塗。液晶對污物雜質敏感,噴塗時,模型表面必須乾淨。
邊界效應或邊界干擾
真實飛行時,靜止大氣是無邊界的。而在風洞中,氣流是有邊界的,邊界的存在限制了邊界
附近的流線彎曲,使風洞流場有別於真實飛行的流場。其影響統稱為邊界效應或邊界干擾。克服的方法是盡量把風洞試驗段做得大一些(風洞總尺寸也相應增大),並限制或縮小模型尺度,減小邊界干擾的影響。但這將導致風洞造價和驅動功率的大幅度增加,而模型尺度太小會便雷諾數變小。近年來發展起一種稱為"自修正風洞"的技術。風洞試驗段壁面做成彈性和可調的。試驗過程中,利用計算機,粗略而快速地計算相當於壁面處流線應有的真實形狀,使試驗段壁面與之逼近,從而基本上消除邊界干擾。
不能滿足的影響
風洞實驗的理論基礎是相似原理。相似原理要求風洞流場與真實飛行流場之間滿足所有的相似準則,或兩個流場對應的所有相似準則數相等。風洞試驗很難完全滿足。最常見的主要相似準則不滿足是亞跨聲速風洞的雷諾數不夠。以波音737飛機為例,它在巡航高度(9000m)上,以巡航速度(927km/h)飛行,雷諾數為2.4×107,而在3米亞聲速風洞中以風速100m/s試驗,雷諾數僅約為1.4×106,兩者相距甚遠。提高風洞雷諾數的方法主要有:
⑴增大模型和風洞的尺度,其代價同樣是風洞造價和風洞驅動功率都將大幅度增加。如上文所說美國的全尺寸風洞。
⑵增大空氣密度或壓力。已出現很多壓力型高雷諾數風洞,工作壓力在幾個至十幾個大氣壓範圍。中國也正在研製這種高雷諾數風洞。
⑶降低氣體溫度。如以90K(-1830C)的氮氣為工作介質,在尺度和速度相同時,雷諾數是常溫空氣的9倍多。世界上已經建成好幾個低溫型高雷諾數風洞。中國也研製了低溫風洞,但尺度還比較小。

5相關

近年來風洞技術已成為昆蟲性信息素研究中不可缺少的實驗手段。它用於監測粗提物和分離餾分的生物活性,判斷鑒定出來的性信息素組分是否完整。一般來說,風洞實驗的結果是非常接近于田間情況的;利用風洞實驗可以模擬昆蟲的田間飛翔能力,其中最重要的一項研究是測量昆蟲的飛行周期和飛行的持久性;利用風洞實驗還可以研究性信息素濃度對昆蟲飛行行為的影響。

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