第十讲 风洞试验技术
飞行器的风洞试验技术研究
飞行器的风洞试验技术研究一、引言风洞试验是飞行器设计研发的重要手段之一。
风洞试验技术可以模拟不同气流条件下的飞行状态，为飞行器的设计、改进、验证和性能分析等提供可靠的数据支持。
本文将重点研究飞行器的风洞试验技术，探讨其在飞行器设计中的应用与发展。
二、风洞试验的作用风洞试验是一种通过模拟大气环境，对飞行器进行气动性能测试的方法。
在风洞内设定不同的气体流速、密度、温度等条件，通过控制不同参数的变化，模拟飞行器在真实环境下的飞行状态。
同时，通过测量飞行器在不同飞行状态下的气动力学、热力学和流体力学性能，以及观察气流环境对飞行器的影响，为飞行器的设计和改进提供数据支持。
风洞试验可以对飞行器的气动性能进行全面、精确的测试和评估，包括升力、阻力、推力、稳定性、控制性、湍流、热防护等方面。
同时，风洞试验还可以对飞行器进行模型可靠性验证和优化，为飞行器的研发提供重要支持。
在飞行器设计中，风洞试验是必不可少的技术手段之一，尤其对于新飞机的研发和性能提升具有重要的意义。
三、风洞试验的类型风洞试验的基本类型主要分为静态试验和动态试验。
静态试验是对飞行器在某个静态状态下的气动性能进行测试，主要研究飞行器在不同攻角、侧滑角、俯仰角等状态下的升力、阻力、气动性等性能。
动态试验是对飞行器在各种飞行运动状态下的气动性能进行测试，主要包括纵向运动、横向运动、滚转运动等不同运动状态下的气动性能。
另外，还有其他类型的风洞试验，如模态试验、风内流试验、热试验、湍流试验等，主要针对飞行器在特定环境下的气动性能进行测试，对提高飞行器的设计及性能起到重要支持作用。
四、风洞试验的应用在飞行器的研发中，风洞试验是一个非常重要的环节。
通过风洞试验可以获取大量的实验数据，加深对飞行器气动性能的认识，优化飞行器设计，提高飞行器性能，从而提高飞行器的竞争力。
风洞试验对于民用飞机的设计、改进和优化非常重要，可以帮助设计师选择合适的设备、优化机翼形状、改善飞机空气动力学性能、增加飞机的稳定性和控制性能。
第十讲 风洞试验技术
1.2 试验模型
z(1) 精确的结构物模型 z(2) 简化的周边环境模型 z(3) 概略的上游地表模型
1.3 风洞试验分类
风环境风洞试验 风洞试验 建筑结构风洞试验
桥梁结构风洞试验
1.3 风洞试验分类(续)
风环境
地面或行人风环境(Pedestrian level) 建筑物周边风环境 (Topography model) 环境空气动力学试验(Environmental aerodynamics)
U
动力：CW (dTw / dt ) = W − H
τ = CW /[(∂H / ∂Tw ) − (∂W / ∂Tw )]
图2. 热线风速仪
2.4 平均风速指标
z(1) 不同高度平均风速 z(2) 风剖面指数α z(3) 梯度风高度
2.5 脉动风速指标
z(1) 紊流强度： I = σ u , I = σ v , I = σ w
P static
Pt
=
Ps
+ Pd
=
P0
+
1 2
ρaU 2
P total
Pd
=
Pt
− Ps
=
1 2
ρaU 2
=
ρ w gΔh
U=
P dyn
2g
ρw ρa
Δh
ρ w
图1. 皮托管测压
2.3 试验设备
z(2) 热线风速仪——脉动风速
静力：W = H
( ) W = I 2Rw, H = A1 + B1 U (Tw − Te )
H
¾ 4. 表面测压试验
4.1 模型要求 z(1) 刚性——外型无变形 z(2) 不漏气——压力为常数 z(3) 外形相似
风洞试验技术介绍及应用课件
风洞管道
用于产生和控制气流，通常由坚固、轻质且 耐腐蚀的材料制成。
风扇和压缩机
模型台
用于放置和固定试验模型，具备高精度和高 稳定性。
提供风洞所需的气流，具有大推力和高效率 的特点。
02
01
控制系统
调节气流参数，如速度、方向等，保证试验 的准确性和可重复性。
04
03
风洞设备的性能参数
最大气流速度
决定了风洞能模拟的最 高风速，是衡量风洞性 能的重要指标。
环境监测与评估
通过风洞试验技术监测环境质量，评估环境对人类和 生态的影响。
建筑领域应用
建筑风工程
通过风洞试验技术模拟建筑在风力作用下的动态响应和稳定性， 优化建筑设计。
建筑环境模拟
模拟建筑内部的环境条件，评估建筑环境的舒适度和能效。
古建筑保护
通过风洞试验技术评估古建筑在风力作用下的安全性，为古建筑 的保护提供依据。
评估汽车的空气动力学性能、行驶稳定性等参数， 提高汽车的安全性和舒适性。
汽车研发与改进
通过风洞试验技术对汽车进行性能测试和优化， 加速新车型的研发和改进。
环境模拟领域应用
气候模拟
模拟气候变化对环境的影响，研究气候变化的规律和 趋势。
自然灾害模拟
模拟自然灾害如风、雨、雪等对环境的影响，研究灾 害的预防和应对措施。
风洞工作原理
01
02
03
风洞结构
风洞由收缩段、实验段、 风扇和控制系统等组成， 能够产生稳定的气流供试 验使用。
气流控制
通过调节风扇转速和控制 系统，实现对气流速度、 方向和压力等参数的控制。
模型安装与测量
试验模型安装在风洞实验 段，通过测量仪器测量气 流对模型的作用力、压力 和温度等参数。
风洞的实验原理
风洞的实验原理风洞是用于模拟大气流动的实验设备，它对于研究空气动力学特性、风力工程、建筑物抗风性能等领域具有重要的作用。
风洞通过模拟真实空气流动环境，提供各种空气速度、密度和压力条件，来观察物体在流场中的动力学效应和气动性能。
风洞实验的原理主要包括两个方面：流场模拟和测试测量。
首先，风洞要模拟真实的流场环境，使得空气流动的特性尽可能接近实际情况。
为了达到这个目标，首先需要考虑的是风洞的设计和建造。
通常风洞由进气道、扩散段、工作段和尾迹段等部分组成。
进气道的作用是将外界空气引入风洞，保证流场中流体的运动状态尽可能接近自由气流。
扩散段的作用是将进入风洞的流体加速，以满足各个工作段的实验要求。
工作段是进行实验的主要区域，主要有闭合式风洞和开放式风洞两种。
闭合式风洞的特点是流场封闭，气流在封闭环境中进行运动，适用于对较小的物体进行气动特性测试；开放式风洞则模拟了自由气流场，适用于大型模型的气动研究。
尾迹段的作用是消散来自工作段的干扰，减小后续实验的影响。
其次，风洞实验还需要进行测试和测量，以获取物体在流场中的动力学参数。
实验中常用的测试和测量手段包括风力测力、压力测量、风速测量和流场可视化等。
风力测力是通过在物体上安装力传感器，通过测量传感器受到的力来推导出物体所受到的气动力。
压力测量则是通过在物体表面或特定位置上安装压力传感器，获取物体表面的压力分布情况。
风速测量一般采用风速仪或热线风速仪等设备，用于测量流场中的风速。
流场可视化是将流场中的气流可视化，常用的方法包括烟雾法、激光光纤等，通过观察气流的形态和运动轨迹，了解流场中的流动情况。
在风洞实验中，为了保持实验的准确性和可重复性，还需要进行数据校正和误差分析。
数据校正主要是校正仪器的灵敏度和零点误差，并与标准数据进行对比和校验，确保实验数据的准确性。
误差分析是对于实验过程中产生的误差进行分析和控制，以确保实验结果的可靠性。
总之，风洞的实验原理包括流场模拟和测试测量两个方面。
流体力学中风洞实验的基本操作教程
流体力学中风洞实验的基本操作教程一、引言流体力学中的风洞实验是研究气体和液体流动行为的重要工具之一。
通过在实验室内部模拟大气环境中的气动流动，研究者可以观察和测量不同物体在流体中的受力和运动情况。
风洞实验在航空航天、汽车工程、建筑物设计等领域具有广泛的应用。
本文将为您介绍流体力学中风洞实验的基本操作步骤和注意事项。
二、风洞实验设备及组成部分1. 风洞：包括进风道、试验段和排风道。
2. 进风系统：用于提供实验所需的气流，包括获得高速气流所需的风机、引风道和加速器。
3. 试验段：用于安装和测量不同物体或模型的力学和流体力学性质。
4. 测量仪器：包括压力传感器、风速仪、雷诺数计等，用于记录和分析实验数据。
三、风洞实验的基本操作步骤1. 确定实验目标和设计实验方案在进行风洞实验之前，首先需要确定实验的目标和所需测试的参数。
然后，设计实验方案，包括选择适当的模型、确定实验条件（如流速、压力等），并考虑相关数据采集和分析方法。
2. 准备试验设备和工具检查风洞设备的状态，确保其正常运行。
清洁试验段，保证工作通道内无杂物和减小因堵塞而产生的气流扰动。
3. 安装模型并进行预实验根据实验方案，选择并安装相应的模型。
安装时要确保模型的稳定性，并注意避免模型表面的几何非均匀性对实验结果的影响。
进行预实验时，逐渐增加流速，观察模型的运动情况，并进行必要的调整，以确保后续实验的准确性。
4. 调整实验参数根据实验要求，调整实验参数，如流速、温度等。
通过风速仪、温度计等仪器对实验段内的流速和温度进行准确测量，并进行必要的校正。
5. 进行实验并记录数据在实验过程中，应严格按照实验方案要求进行操作。
记录数据时，可使用压力传感器、流速仪等测量仪器获取相应的气动力学参数和流体力学数据。
同时，为了提高实验结果的准确性，可进行多次实验，并取平均值进行分析。
6. 数据分析和结果验证根据实验获得的数据，进行数据处理和分析。
应注意排除异常数据和误差来源，并计算得出最终的实验结果。
风洞试验的基本原理
风洞试验的基本原理风洞是个啥玩意儿？嘿，你可别小瞧了它，这风洞啊，那可是航空航天、汽车制造等领域的大功臣呢！风洞试验，听起来是不是就很神秘？那它的基本原理到底是啥呢？咱就先从风洞的构造说起吧。
风洞就像是一个巨大的风的通道，里面有各种复杂的设备。
想象一下，它就像一个超级大的风箱，只不过这个风箱可不是普通的风箱哦。
它可以产生各种不同速度和方向的风，就像一个魔法盒子，能变出各种神奇的风。
风洞里面有个测试段，这可是关键部位。
测试段就像是一个舞台，各种被测试的物体就在这里登场。
比如说飞机模型、汽车模型啥的。
当风从风洞的一端吹过来，经过测试段的时候，就会对放在那里的模型产生作用。
这就好像一阵强风刮过一片草地，草会被风吹得弯下腰来。
那被测试的模型呢，也会在风的作用下产生各种反应。
风洞是怎么产生风的呢？这可就厉害了！它通常是通过大功率的风扇或者压缩机来实现的。
这些设备就像大力士一样，能把空气加速到很高的速度。
这就好比一个超级大的吹风机，只不过这个吹风机的风力可不是一般的大。
它可以产生每秒几十米甚至上百米的风速呢！在风洞试验中，科学家们会通过各种仪器来测量被测试物体所受到的力和力矩。
这些仪器就像一双双敏锐的眼睛，能准确地捕捉到每一个细微的变化。
比如说，当风刮过飞机模型的时候，仪器可以测量出飞机模型所受到的升力、阻力和力矩等。
这就好像一个细心的医生在给病人做检查，不放过任何一个小问题。
那风洞试验有啥用呢？这用处可大了去了！比如说在航空航天领域，飞机在设计阶段就需要进行风洞试验。
通过风洞试验，科学家们可以了解飞机在不同飞行状态下所受到的空气动力，从而优化飞机的设计。
这就像一个雕塑家在不断地雕琢自己的作品，让它变得更加完美。
在汽车制造领域，风洞试验可以帮助汽车设计师降低汽车的风阻，提高汽车的性能和燃油经济性。
这就好比给汽车穿上了一件更加合身的衣服，让它跑得更快、更省油。
风洞试验可不是一件简单的事情哦！它需要科学家们具备高超的技术和丰富的经验。
风洞试验
什么是风洞风洞一般称之为风洞试验。
简单地讲，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。
这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。
简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。
至于我们国家的风洞为什么会选择建在大山深处，那是历史原因造成的。
发达国家如何发展空气动力学空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。
世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视，不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。
美国早在80年代中期出台的震撼全球的超级跨世纪工程——“星球大战”计划中，就曾把作为基础学科的空气动力学放在非常突出的重要位置上。
的确，如果不先在空气动力学上获得重大突破，这个将耗资1万亿美元的超级工程，很多关键技术将无法解决。
紧接着在1985年发表的“美国航空航天2000年”中，也把空气动力学列为需要解决的七个问题中的第一个。
而剩下的六个问题中还有四个与空气动力学有关。
这使美国花费巨额投资研制了每秒20亿次的超级计算机专门为空气动力学研究服务。
前苏联在“十月革命”胜利后的第二年，列宁就下令组建了国家空气动力研究机构——中央流体动力研究院，并任命“俄罗斯航空之父”茹可夫斯基担任院长，这一决策为前苏联成为世界上另一个航天大国奠定了坚实的基础。
二次大战之前，斯大林曾下令建造了世界上第一座可用于进行整架飞机试验的全尺寸风洞。
与美国相比，前苏联在空气动力学的整体水平上毫不逊色，甚至在许多方面都领先于美国，它在航空航天领域取得的一系列成就足以说明这一点。
英、法两国在二次大战前均为名列前茅的老牌航空先进国家，然而战后他们突然发现自己比美、苏等国落后了一截，于是两国重振旗鼓、奋起直追。
在战后第二年，法国政府便决定把因战争和被占领分散到全国各地的研究机构组织到一起，组建了国家空气动力研究机构，并在阿尔卑斯山腹地开始创建莫当试验中心，堪称世界一流的大功率空气动力试验风洞设备。
飞行器设计中的风洞试验
飞行器设计中的风洞试验作为飞行器设计的必要流程之一，风洞试验在设计过程中起着至关重要的作用。
风洞试验不仅能够模拟真实的空气流场，还能够通过实验手段对飞行器的设计进行优化和改进，从而提高飞行器性能和安全性。
一、什么是风洞试验？风洞试验是一种通过模拟真实流场环境，利用模型进行试验研究的技术方法。
在飞行器设计中，通过风洞实验可以模拟不同速度和空气密度下的气流流动，测量模型的阻力、升力、侧力等物理数据，同时也能够观察流场现象，从而为飞行器的设计提供科学依据。
二、风洞试验的优点1. 实验环境稳定：风洞试验可以模拟出多种不同气流环境，同时也能够稳定地控制气流速度、风向、风角等参数，从而保证实验数据的可靠性。
2. 实验数据丰富：通过风洞试验，可以获得模型在不同气流环境下的阻力、升力、侧力等物理数据，从而为设计者提供了大量的关键参数。
3. 可以优化设计：通过对实验数据的分析和比较，设计者可以更好地理解飞行器在不同条件下的性能特点，从而做出优化设计，提高飞行器的性能和安全性。
三、风洞试验的种类1. 静态风洞试验：静态风洞试验是一种通过固定模型并在其上方喷射气流进行试验的方法。
静态风洞试验可以测试模型的耐风性和风噪声等特性，同时也能够获得模型在不同风速下的阻力和升力等物理参数。
2. 动态风洞试验：动态风洞试验是在静态风洞试验的基础上，增加了机械和电子设备用于控制模型的运动和姿态。
动态风洞试验可以更加真实地模拟飞行场景，同时也可以模拟临界空速等特殊气流环境。
3. 水洞试验：水洞试验是一种利用水流进行模拟试验的方法。
在水洞试验中，设计者可以利用液体的高密度和低黏性，模拟高速气流下的飞行器状态，从而获得模型的阻力、升力、推力等物理数据。
四、风洞试验的挑战和技术难点1. 气动噪声问题：风洞试验中，高速气流会产生强烈的气动噪声，这会对模型产生影响，并对实验者造成危害。
2. 模型装配和校准：在风洞试验中，模型的装配和校准会直接影响实验数据的准确性。
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U
动力：CW (dTw / dt ) = W − H
τ = CW /[(∂H / ∂Tw ) − (∂W / ∂Tw )]
图2. 热线风速仪
2.4 平均风速指标
z(1) 不同高度平均风速 z(2) 风剖面指数α z(3) 梯度风高度
2.5 脉动风速指标
z(1) 紊流强度： I = σ u , I = σ v , I = σ w
u
* j
=
uj
/v
,
t* = t ⋅v / L
p* = p /(ρv2 ), δT * = δt / T
b) 五种作用力
IF — Initial Force(惯性力)
CF — Coriolis Force(地球旋转力)
PF — Preasure Force(流体压力)
VF — Viscosity Force(粘性力)
F MP: Pitching moment
D MR: Rolling MY: Yawing
B
3.2 测力原理(续)
z(2) 竖向分量不要求 z(3) 要求: 高灵敏度、大刚度、稳定性、非耦合
3.3 测力过程
z(1) 平均值和 rms 值测量(一阶广义模态力) z(2) 力功率谱密度(紊流引起的非定常力) z(3) 模态修正: μ(z) = ( z )β (1 ≤ β ≤ 1.5)
H
¾ 4. 表面测压试验
4.1 模型要求 z(1) 刚性——外型无变形 z(2) 不漏气——压力为常数 z(3) 外形相似
4.2 测压原理 z(1) 测压位置多——要求非常高的采样频率 少测点：200~400 个 中测点：400~800 个 多测点：800 个以上
4.2 测压原理(续) z(2) 模型尺寸小—缩尺比 缩尺比：1:100~1:500 测压孔：1.1mm~1.6mm
6.3 模型基本组成 z(1) 模型结构刚度—模型骨架 z(2) 模型结构外型—模型外衣 z(3) 模型结构质量—模型配重
6.4 模型测量
z(1) 风速和风压测量 z(2) 结构振动测量
加速度传感器—接触式 速度传感器—接触式 位移传感器—接触和非接触式 z(3) 结构内力测量 动态应变计
C pˆ
=
C p
+
gC ~p
¾ 5. 节段模型试验
5.1 模型要求 z(1) 刚性——无挠曲变形 z(2) 振动相似——测振试验: 质量、刚度、频率 z(3) 外形相似
5.2 测力试验 z(1) 原理方法同天平测力 z(2) 不同风攻角下的三分力系数
5.3 测振试验 z(1) 涡激共振—风速与振幅 z(2) 颤振风速—直接法确定颤振临界风速 z(3) 气动导数—不同风攻角下的气动导数值 z(4) 实时响应—抖振试验结果
5.4 气动导数试验方法 z(1) 自由振动测振法 z(2) 强迫振动测振法 z(3) 自由振动测压法 z(4) 强迫振动测压法
¾ 6. 气弹模型试验
6.1 相似要求 z(1) 基本方程 a) 6 个基本未知量 3 个速度分量 (u,v,w) 流体密度ρ、压力 p 和温度 T
b) 6 个基本方程 Navier — Stokes 公式三个分量 质量守恒方程 能量守恒方程 流体状态方程
建筑结构
天平测力试验(Force balance test) 表面测压试验(Cladding load test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
桥梁结构
节段模型试验(Sectional model test) 拉条模型试验(Taut strip model test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
ww 1 2
z(5) 积分尺度： x Lu , yLu , zLw
¾ 3. 天平测力试验
3.1 模型要求 z(1) 轻质—惯性力小，频率高
z(2) 刚性—无变形，频率高 FS
z(3) 外型相似
3.2 测力原理 z(1) 六分量天平
FL M
P
M Y MR
UL
图3. 天平
FL: Lift FD: Drag FS: Vertical
BF — Buoyancy Force(流体浮力)
z(2) 基本变量(续)
c) 边界条件
压力梯度： p(x, y, z)
来流特性：平均风速：U (y, z ≤ zg )
脉动风谱：S jj ( f , y, z) ( j = u, v, w) 相关函数：Rjj ( f , Δx, Δy, Δz) (i, j = u, v, w) 流体/固体几何形状
下周同一时间再见!Fra bibliotekP static
Pt
=
Ps
+ Pd
=
P0
+
1 2
ρaU 2
P total
Pd
=
Pt
− Ps
=
1 2
ρaU 2
=
ρ w gΔh
U=
P dyn
2g
ρw ρa
Δh
ρ w
图1. 皮托管测压
2.3 试验设备
z(2) 热线风速仪——脉动风速
静力：W = H
( ) W = I 2Rw, H = A1 + B1 U (Tw − Te )
uU vU wU
z(2)
阵风因子：Gu
=U
+ umax U
,
Gv
=
vmax U
,
Gw
=
wmax U
z(3) 功率谱密度： S ( f ), S ( f ), S ( f )
u
v
w
z(4) 相关函数： R (x , x ,t), R (x , x ,t), R (x , x ,t)
uu 1 2
vv 1 2
¾ 2.风环境试验
2.1 模拟范围 z(1) 上游地表粗糙类别模拟 z(2) 周边地形 500m至750m (或10 倍桥面高度) z(3) 缩尺比 1:500~1:2000 (小区)
2.2 模型要求
z(1) 刚性块体 z(2) 外形相似 z(3) 表面粗糙程度相似
2.3 试验设备
z(1)皮托管测压——平均风速
z(3) Scanvalve 扫描阀 最新型号：16 通道×64 测点=1024 点 采样频率：1000 Hz×1024 =1,012,000 个/秒 现有设备：4 通道×64 测点=256 点(4 个模块)
4.2
z(1)
测压过程
平均压力系数：Cp
=
1 T
T
∫ p(t)dt 0 q
z(2) rms压力系数：C~p =
1.2 试验模型
z(1) 精确的结构物模型 z(2) 简化的周边环境模型 z(3) 概略的上游地表模型
1.3 风洞试验分类
风环境风洞试验 风洞试验 建筑结构风洞试验
桥梁结构风洞试验
1.3 风洞试验分类(续)
风环境
地面或行人风环境(Pedestrian level) 建筑物周边风环境 (Topography model) 环境空气动力学试验(Environmental aerodynamics)
z(3) 相似变量
V — 特征风速
ρa —空气质量密度 υ — 粘性系数 ρs —结构质量密度
g —重力加速度 L — 特征长度
ξ —结构阻尼比
E —结构弹性模量
6.2 边界层模拟 z(1) 风速相似比 z(2) 平均风剖面 z(3) 紊流强度比 z(4) 功率谱密度
z(5) 紊流度剖面 z(6) 空间相关性 z(7) 积分尺度比 z(8) 来流风攻角
z(1) 基本方程(续) c) 六个基本假定 z流场是由理想气体组成的、是各向同性的 z流场中p 、ρ和T的均值保持不变 z空气不可压缩、ρ不随p变化
z动态粘性系数ν和热扩散系数κ为常数 z由粘性引起的温度变化忽略不计 z无源流动
z(1) 基本变量
a) 五个无量纲变量
x*j = x j / L ,
∫1 T [p(t) − p]2 dt
T0 q
z(3) 最大压力系数：C = pmax
pˆ
q
z(4) 最小压力系数：C = pmin
pˆ
q
z(5)
压力峰值因子：g p
=
( pmax
− pmin ) / 2
p
z(6) 两种不同方法
风洞试验直接测得的最大、最小值 按保证率推算的峰值因子换算到最大、最小值
桥梁及结构风振理论及其控制
——之第十讲
风洞试验技术
葛耀君 主讲教师：
博士．教授
1、风洞试验简介 2、风环境试验 3、天平测力试验 4、表面测压试验 5、节段模型试验 6、气弹模型试验
¾ 1.风洞试验简介
1.1 基本原理 z(1) 风速和风向模拟 •良态气候模式 •飓风气候模式
z(2) 结构风效应模拟 •刚性结构——无振动响应 •半刚性结构——仅有强迫振动 •柔性结构——气流与结构相互作用