低速風(fēng)洞課程設(shè)計

1、2015/2016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3目錄一課程設(shè)計目的3二完成設(shè)計任務(wù)條件3三、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：2.5mX3.0m4)試驗段進(jìn)口

2、截面最大風(fēng)速：100m/s5)收縮段的收縮比：7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實驗段實驗段模型1/7"/A.-111-b- 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1表示。1的大小視實驗段入口流場11的均勻程度而定。如實驗段直徑為D，則1大致為0.250.50D。0i0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=0.35D。10 模型的長度為12表示，大約在0.751.25D之間，各類飛機的20模型是不相同的。為了使風(fēng)洞盡

3、量滿足一洞多用，取足夠長選擇1=1.25D。20 模型尾部至擴(kuò)壓段進(jìn)口也應(yīng)保持一定距離，以表示，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0.751.25D。選擇1二0.8D030 L=1+1+1=2.4D=6.55m，滿足統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，主要實驗低速飛機L=2.02.5D0的情況。其中Do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

4、收縮段 任務(wù)要求收縮比為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。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二0.6八訂xD沁4.3m06 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a二中收縮段的長度L。3x2)2、21a2丿31+蘭a2丿4.3 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

5、，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二0.8x<7xD沁5.8m0 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/M=510;M=530cm。L、M分別為蜂窩器的

6、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/M=6。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M=15cm、L=90cm。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)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

7、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)壓段擴(kuò)壓段收箍氏入口面積D,出口面積D2。綜合考慮整個風(fēng)洞的設(shè)計長度，取DjD,=1/1-5。因為設(shè)計任務(wù)為中型風(fēng)洞，九在0.006左右。丄乙a/X、在tan2=*478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)?因為實驗段為矩形截面，而我們設(shè)計的擴(kuò)壓段及后面的拐角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。

8、通過D/D.11.5和-二3。我們可以求得擴(kuò)壓段的長度122L沁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。 回流段：我們設(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?，減小氣流損失，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?；亓鞫蔚钠骄俣纫呀?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，a=8。9°。與擴(kuò)壓段相同，回流段中還需要設(shè)置一個過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

9、：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2-2D1=0.4各種導(dǎo)流片的性能，采用最佳間距比巴，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。拐角處圓弧半徑按D=0.1來計算，另外導(dǎo)流片的弦長取tDD=，同時由于C1=0.4，可以求得為24個導(dǎo)流片。因為此次

10、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

11、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=2.5D沁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。一Re=PVD=VD注明：在求雷諾數(shù)時，米用公式Re丁，其中v=1.4607x10-5m2/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K二九D-，其中d為水力直徑。0D00可以求得實驗段的雷諾數(shù)Re=PVD=1.87x107此時，雷諾數(shù)比較小，因而附面層比較厚，實驗

12、段可以認(rèn)為是光滑管，摩擦損失系數(shù)九僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而與粗糙度無關(guān)。通過公式求得：九二0.0032+0.221Re-0.237=0.00738所以，可以求得13K=X上=0.00738x6.55/2.73=0.01770D0擴(kuò)壓段損失：氣流經(jīng)過擴(kuò)壓段的損失公式為：(D1匚(Xa平均+0.6tan一殳十a(chǎn)28tan12由于損失系數(shù)K的參考動壓為擴(kuò)壓段入口的值，即為實驗段動壓，所以有Xa平均+0.6tan-a28tan其中中平均根據(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：12215100x(2.73¥=64m/s所以Re=1.495x107x=0.0032+0.221Re-0

13、.237=0.0076進(jìn)而求得回流段損失：X平均a8tan一a+0.6tan-=0.0398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：(F九a平均+0.6tan一a28tAn一2丿(D(F0.02346拐角損失：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：截面積0.10、+4.55GgRe.58丿2，其中F為拐角時風(fēng)洞第一、二拐角速度為v所以Re(DpvD(0.10100x(2.73丫14.1丿1.754x1064.55).58丿gRe第三、四拐角速度為v二vi(D1匚二44.4x4.12I口丿二44.4m/s=0.02759二14.4m/s21所以

14、ReK0蜂窩器損失巴D=0.100x1060.10+4.55GgRe丄58=0.0035因為我們選用的蜂窩器長徑比為LM=6,所以對應(yīng)的方形蜂窩格子的損失系數(shù)k二0.22。其當(dāng)量損失系數(shù)：(F¥K0=K-Fi，其中f為穩(wěn)定段截面0IF丿所以K二0.004490 紊流網(wǎng)損失：我們可以求得穩(wěn)定段的速度：二44.4x17.2丿14.4m/s因為其速度大于9米/秒，氣流流經(jīng)紊流網(wǎng)的損失可以1-R(d¥按K=R2計算，其中卩=1-1卩2I1丿這里為了讓整流效果較好，采用了4層紊流網(wǎng)，所以其損失系數(shù)較大KU0.06140 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)k二0.0070 總損失：=0.21600所以風(fēng)洞能量比x=4.63風(fēng)洞六需用功率風(fēng)洞所需功率：NT1111口N=pV3F總耳耳x200電機風(fēng)扇風(fēng)扇根據(jù)設(shè)計書要求：電機效率！=90%、機械效率！=85%、風(fēng)dj扇效率耳=80%，所以L丄pv3F200X風(fēng)扇fN=總耳耳電機風(fēng)扇11XX90%80%點X2X1-225X1003X75=1.38X106W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，