低速風(fēng)洞課程設(shè)計講義

1、上逐包3b專爆SHANGHAI DIANJI UNIVERSITY2015/2016學(xué)年第一學(xué)期低速風(fēng)洞設(shè)計課程名稱：工程流體力學(xué)課程設(shè)計班 級： 新能源1312小組成員：指導(dǎo)教師：郭群超老師16目錄一 課程設(shè)計目的 3二完成設(shè)計任務(wù)條件三、完成的任務(wù)3四、具體設(shè)計34.1 實驗段 44.2 收縮段 54.3 穩(wěn)定段 64.4 擴(kuò)壓段 74.5 其他部件設(shè)計10五能量比11六需用功率15七心得體會15八參考文獻(xiàn)16一、課程設(shè)計目的綜合運(yùn)用在流體力學(xué)實驗技術(shù)和其它課程中所學(xué)習(xí)的知識，完成簡化了的低速風(fēng)洞氣動特性設(shè)計項目，達(dá)到培養(yǎng)和提高獨立完成設(shè)計工作的能力。二、完成設(shè)計任務(wù)的條件（ 1） 風(fēng)洞試

2、驗段要求：閉口（ 2） 實驗段進(jìn)口截面形狀：矩形（ 3） 實驗段進(jìn)口截面尺寸：2.5mX3.0m（ 4） 試驗段進(jìn)口截面最大風(fēng)速： 100m/s（ 5） 收縮段的收縮比： 7三、完成的任務(wù)（ 1） 低速風(fēng)洞設(shè)計圖紙繪制（ 2） 設(shè)計說明書：我們組設(shè)計的是小型低速風(fēng)洞（ 3） 風(fēng)洞設(shè)計、研制與實驗技術(shù)研究方面的綜述報告四、具體設(shè)計4.1實驗段 為了使模型處于實驗段的均勻流場之中， 模型頭部至實驗段入 口應(yīng)保持一定的距離，以ll表示。ll的大小視實驗段入口流場 的均勻程度而定。如實驗段直徑為D0,則li大致為0.250.50C0。 因為后面我們會采用較多層的紊流網(wǎng)，故此處不用取得太大， 選擇 1

3、10.35 D0 O 模型的長度為l2表示，大約在0.751.25D。之間，各類飛機(jī)的 模型是不相同的。為了使風(fēng)洞盡量滿足一洞多用，取 匕足夠長 選擇 I21.25D。 模型尾部至擴(kuò)壓段進(jìn)口也應(yīng)保持一定距離，以1 3表示，一方 面是保證模型的尾流不過多影響擴(kuò)壓段的工作效率，另一方面 也不使擴(kuò)壓段的流動影響模型尾部。 這個距離大約為0.751.25 D0。選擇 130.8 D。L li I? I32.4 D。6.55m,滿足統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，主要實驗低速飛機(jī)L2.0 2.5 D0的情況。其中D。為水力直徑。且S為矩形的面積，C為矩形的周長。 由于本組的風(fēng)洞實驗段截面為矩形形狀，而對于矩形實驗段,可以采

4、用的一種解決附面層影響的方法就是沿軸線逐漸減小切 面的截角。此處我們參考NH-2風(fēng)洞模型。這樣做使位流截面保 持不變，可以消除縱向靜壓梯度。4.2收縮段 任務(wù)要求U縮比為7 （即進(jìn)口面積與出口面積之比） 收縮段長度一般可采用進(jìn)口直徑的 0.51.0倍。因為收縮比越大，長度與進(jìn)口直徑的比值越小。這樣能減短擴(kuò)壓段長度，減少資金耗費(fèi)。因為收縮比為7較大，選擇收縮段長度為0.6倍進(jìn) 口直徑 L 0.65D04.3 m 收縮段的在接近出口部分曲線應(yīng)該比較平緩， 以利于穩(wěn)定氣流 進(jìn)口處的曲線應(yīng)與穩(wěn)定段保持連續(xù)。因為任務(wù)要求為矩形，選 擇在收縮段四角做成圓弧，防止氣流分離。其收縮曲線方程如 下：公式中的2=

5、中收縮段的長度L1R2R23x2 2a2X2 34.3穩(wěn)定段 對于小收縮比的風(fēng)洞，如收縮比小于 5,穩(wěn)定段長度為直徑的1.01.5倍；對于大收縮比風(fēng)洞，如收縮比大于5,則長度為直徑的0.51.0倍。穩(wěn)定段長度引起的損失只占風(fēng)洞總損失很小的 一部分，所以經(jīng)常使穩(wěn)定段長度長一些，用以協(xié)調(diào)動力段和回流段的長度要求。又因為目前收縮比較大的風(fēng)洞一般為710,參考大收縮比風(fēng)洞穩(wěn)定段長度，綜合選定其長度為直徑的0.8倍。L 0.8 J D05.8 m蜂窩器的選擇：蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道并列組成，形狀如同蜂窩，故名蜂窩器蜂窩器的作用在于導(dǎo)直氣流， 使其平行于風(fēng)洞軸線，把氣流中的大尺寸漩渦

6、分割成小尺寸渦, 因而有利于加快漩渦的衰減。方形格子加工方便，最為常見，故設(shè)計中選用方形格子。L/M51Q M 530cm。L、M分別為蜂窩器的蜂窩長度和口徑。長度L越大，整流效果越好，但損失增加。M 值越小，蜂窩器對降低紊流度的效果越顯著。這里選擇L/M6。因為風(fēng)洞不小，所以盡量使L長一些，同時又要兼顧不能使得M過大，所以取M15cm、L90cm。當(dāng)L/M 6時，圓形蜂窩格子的損失系數(shù)為 0.30；方形 蜂窩格子的損失系數(shù)為0.22；六角形蜂窩格子的損失系數(shù)為0.20. 可見雖然六角形蜂窩格子最好，但施工較為復(fù)雜。因方形蜂窩 格子與其損失系數(shù)相近而又加工方便，選用方形格子。紊流網(wǎng)的選擇：紗網(wǎng)

7、作用是降低氣流的紊流度，故又名紊流網(wǎng)，它同蜂窩器均可以將較大漩渦分割成小漩渦，以利于衰減；還可以使氣 流速度分布更趨均勻紊流網(wǎng)的設(shè)計主要包括網(wǎng)的層數(shù)和網(wǎng)的粗細(xì)選擇。網(wǎng)越細(xì)，層 數(shù)越多，整流效果越好。設(shè)計中，最常用的網(wǎng)的層數(shù)為23層； 粗細(xì)最常用為2430目/英寸。我們選用4網(wǎng)，30目/英寸，兩 層網(wǎng)間距25cm4.4擴(kuò)壓段入口面積D”出口面積D2。綜合考慮整個風(fēng)洞的設(shè)計長度，取 B/D21/1.5。因為設(shè)計任務(wù)為中型風(fēng)洞，在0.006左右。在tan 7的情況下，其最佳擴(kuò)散角為4 5，但從綜合角度考慮，這個幅值小一些，宜采用 6左右。所以我們?nèi)∫驗閷嶒灦螢榫匦谓孛?，而我們設(shè)計的擴(kuò)壓段及后面的拐角

8、1、2和回流段都為圓形的。所以這里，我們需要采用一個過 渡段，使矩形截面過渡為圓形。通過 耍211.5和萬3我們可以求得擴(kuò)壓段的長度L 14m,因為采用過渡段，其長度要能使其能夠加工，也不能 過長，所以選擇為6米，擴(kuò)壓段有部分包含在過渡段中?；亓鞫危何覀冊O(shè)計的在風(fēng)扇系統(tǒng)后至第三拐角的回流段仍采用擴(kuò)張 管道，因而也為擴(kuò)壓段。采用擴(kuò)壓段的原因為：一是為了繼續(xù) 把動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瑴p小氣流損失，尤其是經(jīng)過拐角和整流 裝置的損失；二是增加管道面積，以得到比較大的收縮比?；?流段的平均速度已經(jīng)比較低了，因而損失不會大，為了縮短風(fēng) 洞的總長度采用較大的擴(kuò)散角，8 9。與擴(kuò)壓段相同，回流段中還需要設(shè)置一個過

9、渡段讓圓形截面再過渡到矩形截面，這里其長度取為 8米。拐角及導(dǎo)流片：氣流經(jīng)過拐角時很容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多旋窩，因而使 流動不均勻或發(fā)生脈動。因而在拐角處設(shè)置拐角導(dǎo)流片，防止 分離和改善流動。這里，為單回流風(fēng)洞，在拐角處每排導(dǎo)流片數(shù)量一般為 1020個，但為了使導(dǎo)流效果明顯，選擇24個導(dǎo)流片增強(qiáng)效果。導(dǎo)流片的弦長為C，間距為D1。參考低速風(fēng)洞設(shè)計表2-2旦0.4各種導(dǎo)流片的性能，采用最佳間距比 C,其損失系數(shù)為0.11,并采用翼剖面型。雖然翼剖面型加工困難，但強(qiáng)度好。同時這種導(dǎo)流片有一定厚度，內(nèi)部可以通過冷卻液，大中型風(fēng) 洞拐角處一般都采用翼剖面型。0.1拐角處圓弧半徑按D來計算，另外導(dǎo)流片的

10、弦長取L 2D1 0.4D ,同時由于C ,可以求得為24個導(dǎo)流片。因為 此次設(shè)計的為低速風(fēng)洞，拐角1、2和拐角3、4的風(fēng)速都比較 小，雖然損失系數(shù)隨導(dǎo)流片增多而增加，也不會太大。所以不 需要取拐角1、2的導(dǎo)流片布置的比拐角3、4的稀。4.5其他部件設(shè)計a）調(diào)壓孔/調(diào)壓縫a）為了使實驗段的靜壓等于風(fēng)洞外的環(huán)境壓力，常在實驗段與擴(kuò)壓段之間開一個調(diào)壓縫，或在擴(kuò)壓 段進(jìn)口處開一排調(diào)壓孔。這里我們采用調(diào)壓縫， 其寬度約為實驗段直徑的5%上下。b）并且，設(shè)計成可調(diào)節(jié)形式，風(fēng)洞建成后通過實驗 調(diào)整再確定。b）風(fēng)扇設(shè)計1 .在風(fēng)洞管道中，風(fēng)扇系統(tǒng)應(yīng)位于流速比較高而且流 動又比較均勻的部位。2 .我們設(shè)計的為

11、回路風(fēng)洞，將風(fēng)扇安裝在第二拐角之 后。因為，此處直徑不是很大，因而流速比較高。同時，因為經(jīng)過了第二個拐角導(dǎo)流片，所以氣流也比較均勻。還能滿足有足夠的長度來安裝風(fēng)扇整流 系統(tǒng)。3 .風(fēng)扇管道長度因尾罩具有相當(dāng)?shù)拈L度而一般比較長， 其長度一般為直徑的2.5倍或者更長一些。我們這里 選擇4 .L 2.5 D 10m五.能量比能量比定義為：實驗段氣流的動能流率（即單位時間通過的 動能）與通過動力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的功率之比。D vD vD注明：在求雷諾數(shù)時，采用公式 Re一,其中1.460710 5m2 / s實驗段損失：對實驗段來說，損失系數(shù)就是當(dāng)量損失系數(shù)。因而有“LK0D，其中D）為水力直徑。D0 v

12、D7可以求得實驗段的雷諾數(shù)Re 1.8710此時，雷諾數(shù)比較小，因而附面層比較厚，實驗段可以 認(rèn)為是光滑管，摩擦損失系數(shù) 僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而與粗糙 度無關(guān)。通過公式求得：0.00320.221 Re0.2370.00738所以，可以求得K-L0.007386.55 / 2.730.0177D。擴(kuò)壓段損失：4DD2氣流經(jīng)過擴(kuò)壓段的損失公式為：K 0.6 tan 128 tan -2即為實由于損失系數(shù)K的參考動壓為擴(kuò)壓段入口的值, 驗段動壓，所以有K0K平均8 tan 20.6 tan 124Di7其中平均根據(jù)擴(kuò)壓段中間剖面上的雷諾數(shù)求得。擴(kuò)壓段中間剖面的速度為:2Dv v 11001 D22.7

13、33.464m/ s所以RevD1.4951070.00320.221 Re0.2370.0076進(jìn)而求得K0K平均8 tan -20.6 tan 124"D20.0398回流段損失:回流段也有擴(kuò)散角，實際上也是一個擴(kuò)壓段，所以其損失系數(shù)的計算公式為：K02KF0Fi平均8 tan 20.6 tan 1242D1F0D2Fi0.02346拐角損失:因為這里設(shè)計的風(fēng)洞并非大型風(fēng)洞， 采用經(jīng)驗公式近似計算，公式為:Ko24.55F。0.10雷三，其中F為拐角時風(fēng)洞lg ReF截面積第一、二拐角2D1速度為v vi d-100D222.734.144.4 m/ s所以 Re -vD1.75

14、41062K。0.104.55 2 58F00.0275902.58lg ReF第三、四拐角2速度為v v1 D144.4D224.17.214.4 m/ svD6所以 Re 0.100106K。0.104.55258 lg Re0.0035蜂窩器損失:因為我們選用的蜂窩器長徑比為LM6,所以對應(yīng)的方形蜂窩格子的損失系數(shù)K 0.22 。其當(dāng)量損失系數(shù):2K0K ,其中F為穩(wěn)定段截面所以 K00.00449紊流網(wǎng)損失：我們可以求得穩(wěn)定段的速度:24.17214.4 m/ s2Div v -44.41 D2因為其速度大于9米/秒，氣流流經(jīng)紊流網(wǎng)的損失可以2按 K 上計算，其中 1這里為了讓整流效果

15、較好，采用了 4層紊流網(wǎng)，所以其損失系數(shù)較大K0 0.0614收縮段損失：由于任務(wù)中只給出收縮段的收縮比為 7,并沒有給定其他數(shù)據(jù)。參考低速風(fēng)洞設(shè)計表 2-4典型風(fēng)洞各部件損失 及能量比。我們預(yù)估其收縮段的損失系數(shù) K00.007總損失：K。0.2160所以風(fēng)洞能量比風(fēng)洞 4.63六.需用功率風(fēng)洞所需功率：N”心、LQlT電機(jī) 風(fēng)扇 風(fēng)扇4v3F。根據(jù)設(shè)計書要求：電機(jī)效率 d=90%、機(jī)械效率j=85%風(fēng)扇效率f=80%,所以90% 80% 4.63=1. 38106W3 l v0F011.225210037.5七.心得體會低速風(fēng)洞的設(shè)計充滿了挑戰(zhàn)與學(xué)習(xí)，小組通過最初的討論及確定 方向一起努力合作，克服每一