低速風洞課程設計

1、2015/2016學年第一學期低速風洞設計課程名稱：工程流體力學課程設計班級：新能源1312小組成員：指導教師：郭群超老師目錄一課程設計目的3二.完成設計任務條件三、完成的任務3四、具體設計31.1 實驗段41.2 收縮段51.3 穩(wěn)定段61.4 擴壓段71.5 其他部件設計105 .能量比116 .需用功率157 .心得體會158 .參考文獻16一、課程設計目的綜合運用在流體力學實驗技術和其它課程中所學習的知識，完成簡化了的低速風洞氣動特性設計項目，達到培養(yǎng)和提高獨立完成設計工作的能力。二、完成設計任務的條件(1) 風洞試驗段要求：閉口(2) 實驗段進口截面形狀：矩形(3) 實驗段進口截面尺

2、寸：2.5mX3.0m(4) 試驗段進口截面最大風速：100m/s(5) 收縮段的收縮比：7三、完成的任務(1) 低速風洞設計圖紙繪制(2) 設計說明書：我們組設計的是小型低速風洞(3) 風洞設計、研制與實驗技術研究方面的綜述報告四、具體設計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保持一定的距離，以ii表示。ii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0.250.50D。因為后面我們會采用較多層的紊流網，故此處不用取得太大，選擇110.35D0。 模型的長度為表示，大約在0.751.25D0之間，各類飛機的模型是不相同的。為了使風洞

3、盡量滿足一洞多用，取匕足夠長選擇I21.25D。 模型尾部至擴壓段進口也應保持一定距離，以13表示，一方面是保證模型的尾流不過多影響擴壓段的工作效率，另一方面也不使擴壓段的流動影響模型尾部。這個距離大約為0.751.25D0O選擇I30.8D。LI1I2I32.4D06.55m,滿足統(tǒng)計數據中，主要實驗低速飛機L2.02.5D。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

4、收縮段長度一般可采用進口直徑的0.51.0倍。因為收縮比越大，長度與進口直徑的比值越小。這樣能減短擴壓段長度，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倍進口直徑L0.65D04.3m收縮段的在接近出口部分曲線應該比較平緩，以利于穩(wěn)定氣流進口處的曲線應與穩(wěn)定段保持連續(xù)。因為任務要求為矩形，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1下：公式中的a=4收縮段的長度L3x22a2X234.3穩(wěn)定段對于小收縮比的風洞，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洞總損失很小的一

5、部分，所以經常使穩(wěn)定段長度長一些，用以協調動力段和回流段的長度要求。又因為目前收縮比較大的風洞一般為710,參考大收縮比風洞穩(wěn)定段長度，綜合選定其長度為直徑的0.8倍。L0.8JD05.8m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直氣流，使其平行于風洞軸線，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，故設計中選用方形格子。L/M51QM5-30cmoL、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

6、。因為風洞不小，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L/M6時，圓形蜂窩格子的損失系數為0.30；方形蜂窩格子的損失系數為0.22；六角形蜂窩格子的損失系數為0.20.可見雖然六角形蜂窩格子最好，但施工較為復雜。因方形蜂窩格子與其損失系數相近而又加工方便，選用方形格子。紊流網的選擇：紗網作用是降低氣流的紊流度，故又名紊流網，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的設計主要包括網的層數和網的粗細選擇。網越細，層數越多，整流效果越好。設計中，最常用的網的層數為23層；粗細最常用為2430目/英寸。我們選用4

7、網，30目/英寸，兩層網間距25cm4.4 擴壓段入口面積D”出口面積D2。綜合考慮整個風洞的設計長度，取B/D21/1.5。因為設計任務為中型風洞，在0.006左右。在tan7”的情況下，其最佳擴散角為45,但從綜合角度考慮，這個幅值小一些，宜采用6左右。所以我們取32因為實驗段為矩形截面，而我們設計的擴壓段及后面的拐角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。通過耍211.5和萬3我們可以求得擴壓段的長度L14m,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，擴壓段有部分包含在過渡段中?；亓鞫危何覀冊O計的在風扇系統(tǒng)后至第三拐角的

8、回流段仍采用擴張管道，因而也為擴壓段。采用擴壓段的原因為：一是為了繼續(xù)把動能轉變?yōu)閴毫δ?，減小氣流損失，尤其是經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俣纫呀洷容^低了，因而損失不會大，為了縮短風洞的總長度采用較大的擴散角，89。與擴壓段相同，回流段中還需要設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。拐角及導流片：氣流經過拐角時很容易發(fā)生分離，出現很多旋窩，因而使流動不均勻或發(fā)生脈動。因而在拐角處設置拐角導流片，防止分離和改善流動。這里，為單回流風洞，在拐角處每排導流片數量一般為1020個，但為了使導流效果明顯，選擇24個導流片增強效果。導

9、流片的弦長為C，間距為D1。參考低速風洞設計表2-2旦0.4各種導流片的性能，采用最佳間距比C,其損失系數為0.11,并采用翼剖面型。雖然翼剖面型加工困難，但強度好。同時這種導流片有一定厚度，內部可以通過冷卻液，大中型風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，另外導流片的弦長取L220.4D,同時由于C,可以求得為24個導流片。因為此次設計的為低速風洞，拐角1、2和拐角3、4的風速都比較小，雖然損失系數隨導流片增多而增加，也不會太大。所以不需要取拐角1、2的導流片布置的比拐角3、4的稀。4.5 其他部件設計a）調壓孔/調壓縫a）為了使實驗段的靜壓等于風洞外的環(huán)境壓力，常在

10、實驗段與擴壓段之間開一個調壓縫，或在擴壓段進口處開一排調壓孔。這里我們采用調壓縫，其寬度約為實驗段直徑的5%上下。b）并且，設計成可調節(jié)形式，風洞建成后通過實驗調整再確定。b）風扇設計1 .在風洞管道中，風扇系統(tǒng)應位于流速比較高而且流動又比較均勻的部位。2 .我們設計的為回路風洞，將風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，因為經過了第二個拐角導流片，所以氣流也比較均勻。還能滿足有足夠的長度來安裝風扇整流系統(tǒng)。3 .風扇管道長度因尾罩具有相當的長度而一般比較長，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 .L2.5D10m五.能量比能量比定義為：實驗段氣

11、流的動能流率（即單位時間通過的動能）與通過動力系統(tǒng)輸入風洞的功率之比。DvDvD注明：在求雷諾數時，采用公式Re一,其中1.4607105m2/s實驗段損失：對實驗段來說，損失系數就是當量損失系數。因而有“L，一K。D,其中D0為水力直徑。D0vD”7可以求得實驗段的雷諾數Re1.8710此時，雷諾數比較小，因而附面層比較厚，實驗段可以認為是光滑管，摩擦損失系數僅與雷諾數有關，而與粗糙度無關。通過公式求得：0.00320.221Re0.2370.00738所以，可以求得K0.007386.55/2.730.0177D。擴壓段損失：4DD2氣流經過擴壓段的損失公式為：K0.6tan128tan-

12、2即為實由于損失系數K的參考動壓為擴壓段入口的值,驗段動壓，所以有K0K平均8tan一20.6tan124D17其中平均根據擴壓段中間剖面上的雷諾數求得。擴壓段中間剖面的速度為:2Dvv11001D22.733.464m/s所以RevD1.4951070.00320.221Re0.2370.0076進而求得K0K平均8tan-20.6tan124DD20.0398回流段損失:回流段也有擴散角，實際上也是一個擴壓段，所以其損失系數的計算公式為：K02KF0Fi平均8tan一20.6tan12422無D2Fi0.02346拐角損失:因為這里設計的風洞并非大型風洞，采用經驗公式近似計算，公式為:Ko

13、24.55Fo0.10雷三，其中F為拐角時風洞lgReF截面積第一、二拐角2D1速度為vVid1100D222.734.144.4m/s所以Re-vD1.7541062K。0.104.55258F00.0275902.58lgReF第三、四拐角2一Di速度為vviD-44.4D224.17.214.4m/svD6所以Re0.100106K。0.104.552.58lgRe0.0035蜂窩器損失:因為我們選用的蜂窩器長徑比為LM6,所以對應的方形蜂窩格子的損失系數K0.22。其當量損失系數:2K0K,其中F為穩(wěn)定段截面所以K°0.00449紊流網損失:我們可以求得穩(wěn)定段的速度:24.1

14、7214.4m/s2Divv-44.41D2因為其速度大于9米/秒，氣流流經紊流網的損失可以2按K計算，其中1d這里為了讓整流效果較好，采用了4層紊流網，所以其損失系數較大Ko0.0614收縮段損失：由于任務中只給出收縮段的收縮比為7,并沒有給定其他數據。參考低速風洞設計表2-4典型風洞各部件損失及能量比。我們預估其收縮段的損失系數K00.007總損失：Ko0.2160所以風洞能量比風洞4.63六.需用功率風洞所需功率：1111»«電機風扇風扇2v；F.根據設計書要求：電機效率d=9。、機械效率j=85%風扇效率產80%,所以1111»一2電機風扇風扇心_11190%80%4.63=1.38106W131.225100327.5七.心得體會低速風洞的設計充滿了挑戰(zhàn)與學習，小組通過最初的討論及確定方向一起努力合作，克服每一個困難，分配相