低速风洞设计说明书

流体力学实验技术课程设计
学院：航空宇航学院
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二〇一六年十二月
低速风洞设计课程设计报告
1、实验段设计
该风洞设计最大风速为100米每秒，预设功能为做全机模型低速气动特性测量试验，一般的迎角在负20度到正30度之间，采用回流式。

○1实验段截面形状选择
实验段截面形状有圆形、方形、八角形、椭圆形及矩形等。

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。

综合考虑气流均匀度和洞壁干扰等因素，选取矩形截面。

○2实验段截面尺寸选择
为使雷诺数达到2.5*10^6,根据风速100米每秒，再取平均展弦比为6，并且要求模型展长不超过风洞宽度的0.7倍，估算得实验段宽度约为3.7米，取实际宽度为4米；由于迎角不太大，对于实验段高度要求不大，取为3米。

○3实验段开口式、闭口式的选择
为保证实验段气流均匀度以及减少可能的能量损失，采用闭口式实验段。

○4实验段长度确定
模型应置于实验段的均匀流场中。

模型头部至实验段入口应保持一定距离，以l1表示，假设实验段相当直径为D0，则L1大致为0.25~0.50 D0；模型的长度以l2表示，大约为0.75~1.25 D0，各种类型飞机的模型是不相同的；模型尾部至扩压段进口也应保持一定距离，以l3表示，一方面保证模型的尾流不过多影响扩压段效率，另一方面也不使扩压段的流动影响模型尾部，这个距离大约为0.75~1.25 D0。

因此，实验段长度应保持在1.75~3.0 D0的范围内。

经计算，
D0约等于3.9米，取实验段长度为8米。

2、收缩段设计
○1收缩段作用
加速气流，使其达到实验所需要的速度。

收缩段应满足以下要求：
（1）气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离；
（2）收缩段出口的气流要求均匀、平直而且稳定；
（3）收缩段不宜过长。

L
○2收缩段长度
2
收缩比取为10，收缩段出口尺寸根据试验段尺寸取R2为2米，根据收缩比计算得进口
L为8米。

尺寸R1约为6.32米，收缩段长度一般采用进口直径的0.5~1.0倍，取
2
○3收缩曲线设计：
L^2,根据该公式绘出收缩曲线如下：
其中，a^2=3*
2
3、稳定段及整流装置设计
稳定段又称安定段。

整流装置包括蜂窝器和纱网等，其目的都是使气流均匀或降低紊流度，故名整流装置。

○1蜂窝器
蜂窝器由许多等截面小管道并列组成，形状如同蜂窝，其作用在于导直气流，使其平行于风洞轴线，把气流中的大尺度旋涡分割成小旋窝，有利于加快旋涡的衰减。

同时，蜂窝管道对气流的摩擦还有利于改善气流的速度分布。

○2蜂窝器截面形状选择
为减小损失系数，采用较好的六角形截面
○3蜂窝器截面尺寸选择
为达到较好的整流效果，取蜂窝口径为10厘米，长度为60厘米。

○4纱网
纱网的作用是降低气流紊流度。

考虑常用情况，网的层数取2，网的粗细取28目/寸。

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。

取扩压段长度为22.9米。

5、拐角及导流片设计
气流经过拐角时很容易发生分离，出现很多旋窝，使流动不均匀或发生脉动。

因而在拐角处设置拐角导流片，防止分离和改善流动。

○1拐角圆角设计
对于圆截面的管道，通常当转弯半径R与管道直径D之比在2以上时，损失才比较小并趋于稳定。

但是，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。

○2导流片设计
拐角处每排导流片数量一般为10~20个，为使导流效果明显，并考虑不同拐角处气流速度的差异，在第一、第二拐角处每排布置12个导流片；第三、四拐角处每排布置24个导流片。

导流片的弦长为C，间距为D。

参考《低速风洞设计》表2-2各种导流片的性能，采用最佳间距比0.4，其损失系数为0.11，并采用翼剖面型。

虽然翼剖面型加工困难，但强度好，大中型风洞拐角导流片一般都采用翼剖面型。

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。

可求得回流段长度为：（6.32-4）/tan(4.5°)=29.5米。

7、风扇段长度确定
22.9+8+8+6+0.1-29.5-1=14.5米
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：
12.64+2+6+8+8+22.9+0.1+6+1=66.64米
第二拐角至第三拐角之间包括风扇段、回流段，长度为：
12.64+2+29.5+14.5+8+1=67.64米
风洞纵向总体尺寸确定
第三拐角至第四拐角之间长度为：
8+6+1+1+14=30米
第一拐角至第二拐角之间长度为：
12.64+14+3+4+1+1=35.64米
9、风洞能量比计算
能量比定义：
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。

1）以电网输给风洞电机的功率作为输入功率：
χ电机=0.5*ρ*ν^3*F/EI
2）以电机输给风扇的功率作为输入功率
χ风扇=0.5*ρ*ν^3*F/N
3）以风扇输给气流的功率作为输入功率
χ风洞=0.5*ρ*ν^3*F/η风扇/N
当量损失系数计算
1)实验段损失
对于实验段来说，损失系数就是当量损失系数。

因而有K0=λ*L/D0，其中D0为水力直径。

实验段的雷诺数约为 2.74*10^7，所以，可以求得λ=0.0032+0.221Re^(-0.237)=0.0070,则K0=0.0070*8/3.43=0.0163
2）扩压段损失
K0=K=(λ(平均)/8*tan(α/2)+0.6*tan(α/2))*(1-(D1/D2)^4)=0.0371
3) 回流段损失
K0=K*(F0/F1)^2=0.0112
4) 拐角损失
K0=(0.10+4.55/(lgRe)^2.58)*( F0/F)^2,四个拐角总和为0.0422
5）蜂窝器损失
K0=0.20*( F0/F)^2=0.0018
6）紊流网损失
K0=(1-(1-d/l)^2)/(1-d/l)^4*( F0/F)^2=0.0027
7）实验模型损失
K0=S*Cx*ε/ F0=0.001
总当量损失系数：
ΣK0=0.1123
风洞能量比：
χ风洞=1/ΣK0=8.9
风洞所需功率：
N总=0.5*ρ*ν^3* F0//η风扇/η电机/χ风洞，根据设计书要求：电机效率ηd=90%、机械效率ηj=85%、风扇效率ηf=80%，则N总=1.147*10^6瓦。

风洞设计图
签名日期。