CN102840960B - 一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法，包括如下步骤：（1）将网格的边界层的厚度δ均分为n+1等分，并且将风洞横截面进行边长为a的网格划分，同时依据边界层厚度δ确定边界层网格与非边界层网格，使用风速仪测出每一个网格中心点的风速v_ij；（2）将包围非边界层的网格确定为第一风速圈，包围第一风速圈为第二风速圈，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；（3）设第k风速圈的平均风速为从而有 （4）将设计好的拉法尔管安装在相应的网格内。本方法简单快捷，建设成本低，创新性强，能有效提高风洞实验结果的精确性，为今后相关风洞实验精确性提供重要的参考和依据。

Description

一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法

技术领域

本发明涉及空气动力技术，尤其涉及一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法。

背景技术

当今这个高速发展的社会，科学技术作为第一生产力越来越受重视，日新月异的各项技术都有了全面高速的发展。而空气动力学作为一门与人类息息相关的学科，其研究对试验指导具有非常重大的意义。要进行空气动力学的研究，就需要用风洞平台模拟大气环境，风洞作为空气动力学实验的一项基本设备，为空气动力学的研究试验提供所需的流场，是近代科学技术，尤其是气动力学、流体力学飞速发展的产物，风洞的诞生使大量气动实验得以顺利完成。现代人们用先进科技手段研制的各类风洞在航空航天、火箭导弹、环境污染、汽车工业、教学实验、建筑桥梁等诸多领域得到了广泛的运用。

为了满足科学领域研制的需求，尺寸不同、类型各异的风洞开始在世界各国大规模建设。风洞实验的主要任务就是正确模拟气流流过实物的流态并提供精确的实验数据，为进一步改进设计方案以及改善被测物体的空气动力学特性提供可靠的依据。所有风洞试验都要求风洞提供的流场品质良好，主要指气流参数在时间和空间上的均匀程度能达到实验要求。风洞的气流特性是评价实验风洞质量的重要指标,气流特性包括风速均匀性及稳定性,风洞实验段流场速度均匀性良好是保证气动实验正确的先决条件,其性能的好坏能够影响实验结果的可靠程度,直接关系到空气动力学研究的成败。

传统的风洞普遍采用扩散段、稳定段、过渡段、收缩段和拐角等设计模式，通过改变收缩段的长度和收缩比来实现气流的均匀控制，如国外的维也纳的铁路气候风洞、航天空气动力技术研究院的微型飞行器研究用极低速风洞、上海大学低湍流度低速风洞、同济大学的桥梁风洞等。上述风洞在湍流度、雷诺数、功率因数等性能指标上得到了很大程度的提高,但在流场的均匀性方面只能做近似评估，再根据技术需要做一定经验性的修正，缺少一套可靠、易行的控制方法。而实验风洞速度场良好的均匀性稳定性，能够保证在实验过程中实验条件保持一致，确保实验数据的正确性，从而大大减小实验工作量。所以，一套系统、可靠的控制方法对实验的成功有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于为了改善风洞内的气流特性，以便更好地对实验进行改进以满足技术需求，提供一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法，包括如下步骤：

（1）将网格的边界层的厚度δ均分为n+1等分，并且将风洞横截面进行边长为a的网格划分，同时依据边界层厚度δ确定边界层网格与非边界层网格，使用风速仪测出每一个网格中心点的风速v_ij；

（2）将包围非边界层的网格确定为第一风速圈，包围第一风速圈为第二风速圈，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；

（3）设第k风速圈的平均风速为从而有

（4）设计拉法尔管，拉法尔管包括稳定段L₀、收缩段L₁、喉部D_cr、扩张段L₂；

喉部的直径D_cr设计：将风洞内的主流速度定为基准速度U，在低风速下，有第k风速圈的拉法尔管的喉部直径D_crk，其中

稳定段设计：第k风速圈的稳定段L_ok=10×D_cr；

收缩段和扩张段角度设计：收缩段的锥顶角在30°～60°之间，扩张段的锥顶角采用4°～6°；在低风速下，取收缩段α=30°，扩张段β=5°；

收缩段和扩张段长度设计：收缩段和扩张段的长度计算公式：

L₁=（D₀-D_cr）/2×ctg（α/2）

L₂=（D₂-D_cr）/2×ctg（β/2）

a=D₀； $D_2=1.7*\mathrm{\π}*\frac{1}{4}*{D_{\mathrm{crk}}}^2$

其中，D0为拉法尔管的入口直径，D2为拉法尔管的出口直径；

收缩比：在低风速下，拉法尔管的稳定段和收缩段相当于普通的收缩喷管，所以计算收缩比C=a/Dcr，若C>=4则该网格不装收缩喷管；

喉部设计：拉法尔管的喷管流道断面形状为圆形，同时对于收缩段和扩张段均采用锥形喷管，喉部曲率半径等于或大于喉部半径Dcr；

（5）按以上步骤设计好每个风速圈所需的拉法尔管的各项参数，将拉法尔管安装在相应的网格内，安装时，各风速圈的拉法尔管的稳定段入口处于同一平面。

所述步骤（1）中n=[δ/v]，[δ/v]表示不超过δ/v的最大整数，a=δ/(n+1)。

与现有技术相比，本发明优点及效果在于：

故为了改善风洞内的气流特性，以便更好地对实验进行改进以满足技术需求，本发明提出了一种以风速均匀性、稳定性为指标，通过在风洞内划分不同的风速区，并根据不同风速区的风速配以不同规格的拉法尔管的方法，使出口处气流风速基本一致且扩散均匀，从而达到高效控制风洞内风场均匀性的目的。本方法简单快捷，建设成本低，创新性强，能有效提高风洞实验结果的精确性，为今后相关风洞实验精确性提供重要的参考和依据。

附图说明

图1为本发明风洞横截面处网格的划分图；

图2为本发明拉法尔管结构示意图；

图3为锥形喷管结构示意图；

图4风洞内拉法尔管的排布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示，在实验段前取风洞11的一个截面，在此截面处按照边界1的厚度δ依次将边界层1均分为n+1段。然后将整个风洞11截面划分为大小相同的正方形连续网格，其中网格的边长为a=δ/(n+1)。

如图2所示，根据离边界层1相同距离处风速相同且不同规格的拉法尔管2对风速有不同程度的加速作用，可分别设计与网格大小相同的进风口而其他参数不同的拉法尔管。非边界层不加拉法尔管，收缩比大于或等于4的地方也不加拉法尔管这样就可以使风通过拉法尔管后的风速都达到主流速度v达到均匀风洞11风场的目的。

以下结合图1～图4具体说明，本发明用拉法尔管均匀风洞风场的方法步骤：

（1）将网格的边界层1的厚度δ均分为n+1等分，并且将风洞11横截面进行边长为a的网格划分，同时依据边界层1厚度δ确定边界层网格与非边界层网格，使用风速仪测出每一个网格中心点的风速v_ij；n=[δ/v]，[δ/v]表示不超过δ/v的最大整数，a=δ/(n+1)；

（2）将紧密包围非边界层的网格确定为第一风速圈1-1，包围第一风速圈1-1的为第二风速圈1-2，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；

（3）设第k风速圈的平均风速为从而有

（4）拉法尔管的设计图如图2所示，拉法尔管2包括稳定段2-1（L₀）、收缩段2-2（L₁）、喉部2-3（D_cr）、扩张段2-4（L₂）；

喉部2-3的直径D_cr设计：将风洞11内的主流速度定为基准速度U，在低风速下，有第k风速圈的拉法尔管2的喉部2-3直径D_crk，其中

$D_{\mathrm{crk}}=2-\sqrt{[(a^2*\stackrel{\‾}{{\mathrm{vk}}^2})/(\mathrm{\π}*U)]}$

稳定段2-1设计：第k风速圈的稳定段L_ok=10×D_cr；

收缩段2-2和扩张段2-4角度设计：收缩段2-2的锥顶角在30°～60°之间，扩张段2-4的锥顶角采用4°～6°；在低风速下，取收缩段2-2α=30°，扩张段2-4β=5°。

收缩段2-2和扩张段2-4长度设计：收缩段2-2和扩张段2-4的长度计算公式：

L₁＝（D₀-D_cr）/2×ctg（α/2）

L₂=（D₂-D_cr）/2×ctg（β/2）

a=D₀； $D_2=1.7*\mathrm{\π}*\frac{1}{4}*{D_{\mathrm{crk}}}^2$

其中，D0为拉法尔管2的入口直径，D2为拉法尔管2的出口直径；

收缩比：在低风速下，拉法尔管2的稳定段2-1和收缩段2-2相当于普通的收缩喷管，所以当计算收缩比C=a/Dcr，若C>=4则该网格可不装收缩喷管；

喉部2-3设计：拉法尔管2的喷管流道断面形状为圆形，同时对于收缩段2-2和扩张段2-4也可采用如图3所示的锥形喷管3。另外，喉部2-3曲率半径等于或大于喉部2-3半径Dcr；

（5）风洞11中拉法尔管的排布方式如图4。首先按以上步骤设计好每个风速圈所需的拉法尔管的各项参数，将拉法尔管安装在相应的网格内，安装时，各风速圈的拉法尔管2的稳定段2-1入口处于同一平面。

如上所述，便可较好地实现本发明。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用拉法尔管均匀风洞风场的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将网格的边界层的厚度δ均分为n+1等分，并且将风洞横截面进行边长为a的网格划分，同时依据边界层厚度δ确定边界层网格与非边界层网格，使用风速仪测出每一个网格中心点的风速v_ij；

(2)将包围非边界层的网格确定为第一风速圈，包围第一风速圈为第二风速圈，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；

(3)设第k风速圈的平均风速为从而有＝第k风速圈上所有网格的风速之和/第k风速圈上的网格数；

(4)设计拉法尔管，拉法尔管包括稳定段L₀、收缩段L₁、喉部D_cr、扩张段L₂；

喉部的直径D_cr设计：将风洞内的主流速度定为基准速度U，在低风速下，有第k风速圈的拉法尔管的喉部的直径D_cr，其中

稳定段设计：第k风速圈的稳定段L_ok＝10×D_cr；

收缩段和扩张段角度设计：在低风速下，取收缩段α＝30°，扩张段β＝5°；

α表示收缩段的锥顶角，β指扩张段的锥顶角；

收缩段和扩张段长度设计：收缩段和扩张段的长度计算公式：

L₁＝(D₀-D_cr)/2×ctg(α/2)

L₂＝(D₂-D_cr)/2×ctg(β/2)

a＝D₀； $D_2=1.7*\mathrm{\π}*\frac{1}{4}*{D_{\mathrm{crk}}}^2$

其中，D0为拉法尔管的入口直径，D2为拉法尔管出口直径；

收缩比：在低风速下，拉法尔管的稳定段和收缩段相当于普通的收缩喷管；

喉部设计：拉法尔管的喷管流道断面形状为圆形，同时对于收缩段和扩张段均采用锥形喷管，喉部曲率半径等于或大于喉部半径Rcr；

(5)按以上步骤设计好每个风速圈所需的拉法尔管的各项参数，将拉法尔管安装在相应的网格内，安装时，各风速圈的拉法尔管的稳定段入口处于同一平面；

所述步骤(1)中n＝[δ/v]，[δ/v]表示不超过δ/v的最大整数，a＝δ/(n+1)；

其中，v指风洞中的主流风速。