风洞综述(实验流体力学课程设计)

实验空气动力学课程设计(风洞综述)

一.概念及原理

风洞（wind tunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是空气动力学实验最常用、最有效的工具。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用, 在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。

原理:

用风洞作实验的依据是运动的相对性原理。为确保实验准确模拟真实流场,还必须满足相似律的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制，通常只能选择一些影响最大的参数进行模拟。此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。

二.风洞发展简要回顾

风洞设备的发展大致经历了低速风洞发展阶段、超声速风洞发展阶段、跨声速风洞发展阶段、高超声速风洞发展阶段、风洞设备更新

改造和稳定发展阶段、风洞设备发展适应新需求、探索新概念风洞发展阶段。20世纪90年代，随着经济全球化和型号发展数量的减少，一方面，风洞设备在数量上呈现出过剩状态；另一方面，又缺少能满足未来型号精细化发展要求的高性能风洞。

三.近期风洞改造和建设

工业生产型风洞的更新改造

最主要特点是风洞设计的多功能性、可扩展性、技术的先进性，风洞建设也呈现出创新的特点。主要包括：吸收试验段内的大部分噪声，提高风洞试验Re或模拟能力等。另外还有：感应热等离子体风洞（通过高频电发生器以感应偶合的方式将亚声速或超声速射流加热到极高温度（5000℃～10000℃），这种等离子风洞主要用于防热研究）四. 风洞发展的未来趋势

1）“安静”气流风洞

不仅气动声学风洞需要“安静”的风洞，高品质的任何类型风洞都需要“安静”的风洞。

2）亚声速高升力飞行风洞

风洞Re模拟能力直接影响试验数据的准确性。经过多年论证研究，NASA提出了高升力飞行风洞（HiLiFT）的概念。它是利用磁悬浮推进技术推动试验模型在含有静止气体介质（空气或氮气）的管道中运动，

气体介质可以实现温控和增压，满足现有大型全尺寸飞机低速高Re 要求。

3）跨超声速等离子体风洞

等离子体具有隐身、减阻、流动控制等方面的功能。开展等离子空气动力学研究需要等离子体风洞。等离子体风洞主要有：微波驱动式等离子体风洞、电弧式等离子体风洞、感应热等离子体

风洞等。

4）高超声速试验与评估风洞

美国正致力于发展吸气式高超声速飞行器（Ma为10~12），在20世纪90年代初开始研究能够满足吸气式飞行器模拟需要的高超声速试验评估风洞。美国计划首先研制中等尺度的高超声速试验评估风洞，其试验段直径1.5~2m，长6m，能够基本满足高超声速巡航导弹、吸气式发动机部件等试验需要，并为下一步研制大尺度高超声速试验评估风洞做好技术储备。

5）数值风洞

数值计算与风洞试验相结合提高了型号研发的效率、减少了风险、降低了成本。随着计算机计算能力的进一步提高，数值计算技术、虚拟现实技术和仿真技术的进一步发展和融合，工程实用的数值风洞将得以实现。

五.某些技术已从研究转入实用,风洞的生产能力和精细化水平显著提高

1）低速风洞中的压敏漆技术

在风洞试验中,压敏漆技术(PSP) 是模型表面压

力测量的有效手段,它在很大程度上简化了测压模型

的制造,能够快速获得模型大面积的压力分布。自上

个世纪80 年代以来,压敏漆技术主要用于跨、超声速工业生产型风洞,压力系数测量精度达到了0. 01 ;在高超声速领域,由于压敏漆技术对温度的敏感性以及

高超声速风洞运行时间短等条件的限制,压敏漆技术

的应用十分困难;在低速风洞中,由于模型表面压力

较低,压敏漆技术受到测试精度的困扰但该技术在

低速领域的应用对飞机、地面运输车辆的测压试验

具有重大经济效益。

2）PIV、LLS 等技术在大型风洞中得到

应用

激光片光(LLS) 、粒子图像测速技术(PIV) 等半定量、定量流场测量技术已成为大型生产型风洞的非接触流场测量手段,在固定翼和旋翼飞行器研究中发挥

了重要作用。

3）虚拟现实技术

虚拟现实技术使用计算机三维模拟技术详

细逼真地虚拟风洞试验段结构构造、模型支撑机构

等,并能模拟机构的动态响应。

六.风洞运营与管理机制的创新

工业生产型风洞的生存必须具备三个条件：1）满足型号研制求的风洞模拟能力和先进风洞试验技

术；2）高效的风洞试验生产率；3）具有竞争力的风洞运行价格。

采用了现代企业管理模式,负责风洞的运营。设备的配套化、专业化和人员技术力量的增加大大提高了效率。也有将风洞分为研究型风洞和生产试验型风洞。研究型风洞根据科学研究的需要和特点运行管理相对灵活。生产试验型风洞按企业运营模式，从而使风洞生产效率很高，在国际风洞试验市场具有很强的竞争力。