CN102840961A - 一种用收缩管均匀风洞风场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用收缩管均匀风洞风场的方法，在风洞的实验段前取风洞的一个截面，在此截面处按照边界层厚度δ均分为n+1等分，并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；测出每一个网格中心点的风速v_ij；将紧密包围非边界层的网格确定为第一风速圈，包围第一风速圈的为第二风速圈，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；通过在风洞内划分不同风速区，根据不同风速区的风速配以相应长度收缩管的方法，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。

Description

一种用收缩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，尤其涉及一种用收缩管均匀风洞风场的方法。

背景技术

21世纪作为人类发展的新时期，科学技术水平不断提高，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，确保实验数据具有代表性，从而大大减小实验工作量。所以，一套系统、可靠的控制方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种用收缩管均匀风洞风场的方法，该方法风速均匀、稳定。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用收缩管均匀风洞风场的方法，包括如下步骤：

（1）在风洞的实验段前取风洞的一个截面，在此截面处按照网格的边界层厚度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；则上文中的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，包围第一风速圈的为第二风速圈，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；

（3）收缩喷管的入口直径D₀＝2r₀＝a，收缩段长度l取0.5D₀至D₀

则在网格a_ij收缩喷管的喉部半径为

计算收缩喷管的收缩比C=r0/re，若C>=4则该网格不装收缩喷管，收缩喷管的收缩段型面设计为平滑过渡的曲线型面，采用维托辛斯基曲线，其公式为：

$r=r_e/{[1-(1-{r_e}^2/{r_0}^2)*{(1-x^2/l^2)}^2/{(1+x^2/3l^2)}^3]}^{\frac{1}{2}}$

（4）计算出每一个风速圈的收缩喷管的平均喉部半径r_ek，其中r_ek=第k个风速圈的所有收缩喷管的喉部半径r_e/第k个风速圈的所有的网格数；第k个风速圈中收缩喷管的出口比第k-1个风速圈中收缩喷管的出口往前的距离d=（D₀-r_ek-1-r_ek）/tan10°；从而使风通过收缩喷管后的风速都达到主流速度v，达到均匀风洞风场的目的。

与现有技术相比，本发明优点及效果在于：

本发明种用收缩管均匀风洞风场的方法，以风速均匀性、稳定性为指标，通过在风洞内划分不同风速区，并根据不同风速区的风速配以相应长度收缩喷管的方法，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。本操作方法简单快捷，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为本发明的风洞横截面处网格的划分图。

图2为本发明的收缩喷管截面设计图。

图3为本发明的相邻收缩喷管在风洞内的排布情况图。

图4为本发明的收缩喷管在风洞内的分布情况图，依次按字母排列为：

A设为实施时收缩比大于4区域，不装收缩喷管；

B设为实施时收缩比在1至4之间的区域，使用收缩喷管；

C设为非边界层网格区域使用等截面管；

D设为实施时收缩比在1至4之间的区域，使用收缩喷管；

E设为实施时收缩比大于区域4，不装收缩喷管。

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至图4所示，本发明用收缩管均匀风洞风场的方法，通过下述步骤实现：

（1）在风洞的实验段前取风洞的一个截面1，在此截面1处按照网格的边界层厚度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；如图1所示。使用风速仪测出每一个网格中心点的风速v_ij；则上文中的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）收缩喷管2的入口直径D₀＝2r₀＝a，收缩段长度l取0.5D₀至D₀

则在网格a_ij收缩喷管2的喉部半径为

计算收缩喷管2的收缩比C=r0/re(四舍五入取整)，若C>=4则该网格不装收缩喷管2，如图4所示。收缩喷管2的收缩段型面设计为平滑过渡的曲线型面，采用维托辛斯基曲线，其公式为：

$r=r_e/{[1-(1-{r_e}^2/{r_0}^2)*{(1-x^2/l^2)}^2/{(1+x^2/3l^2)}^3]}^{\frac{1}{2}}$

（4）计算出每一个风速圈的平均喉部半径r_ek，其中r_ek=第k个风速圈的所有收缩喷管2的喉部半径r_e/第k个风速圈的所有的网格数；第k个风速圈中收缩喷管2的出口比第k-1个风速圈中收缩喷管2的出口往前的距离d=（D₀-r_ek-1-r_ek）/tan10°；从而使风通过收缩喷管2后的风速都达到主流速度v，达到均匀风洞风场的目的。

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 (2)

1.一种用收缩管均匀风洞风场的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在风洞的实验段前取风洞的一个截面，在此截面处按照网格的边界层厚度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）将紧密包围非边界层的网格确定为第一风速圈，包围第一风速圈的为第二风速圈，依次类推得包围第k-1风速圈的为第k风速圈；

（3）收缩喷管的入口直径D₀＝2r₀＝a，收缩段长度l取0.5D₀至D₀

则在网格a_ij收缩喷管的喉部半径为

计算收缩喷管的收缩比C=r0/re，若C>=4则该网格不装收缩喷管，收缩喷管的收缩段型面设计为平滑过渡的曲线型面，采用维托辛斯基曲线，其公式为：

$r=r_e/{[1-(1-{r_e}^2/{r_0}^2)*{(1-x^2/l^2)}^2/{(1+x^2/3l^2)}^3]}^{\frac{1}{2}}$

（4）计算出每一个风速圈的收缩喷管的平均喉部半径r_ek，其中r_ek=第k个风速圈的所有收缩喷管的喉部半径r_e/第k个风速圈的所有的网格数；第k个风速圈中收缩喷管的出口比第k-1个风速圈中收缩喷管的出口往前的距离d=（D₀-r_ek-1-r_ek）/tan10°；从而使风通过收缩管后的风速都达到主流速度v，达到均匀风洞风场的目的。

2.根据权利要求1所述的用收缩管均匀风洞风场的方法，其特征在于；步骤（1中）的n=[δ/v]，[δ/v]表示不超过δ/v的最大整数，a＝δ/(n+1)。

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