1.1 风洞在线视频

同学们大家好现在我们开始讲授

工程中的流动测试理论与方法这门课

今天我们讲授第一讲

空气动力学的实验设备风洞

我们分以下几个方面

第一先给大家介绍一下什么是风洞

通俗的讲风洞就是产生可控的

人工气流的空气动力学实验设备

这个是一个咱们国家的最大的风洞

也是亚洲最大的风洞它位于四川绵阳的

中国空气动力发展研究中心

二风洞的重要地位

风洞是航空航天工程的摇篮

航空航天飞行器的研发都离不开风洞的孕育

不仅如此风洞实验在国民经济的

其他很多工程技术领域

比如国防 交通 建筑 土木 能源 化工 机械

气象 环境 海洋等领域的科学技术进步中

发挥着重要的作用

那么我们看到这个图

这就是美国的在研发各种型号的飞机过程中

它的风洞所需要进行实验的时间

那么我们看到在1940年的时候

研发一个B17这样的飞机

那么需要大约一百小时的风洞试验

而到了研发波音737的时候

就差不多用到1万小时的风洞试验

三风洞的功能

风洞的功能第一部分

主要就是空气动力学和流体力学的基础研究

包括各种翼型的空气动力学性能

圆柱绕流 钝体饶流等流动特性和涡旋结构

大气扩散的规律还有湍流的基础研究

再有就是为理论流体力学和计算流体力学

提供实验的依据

风洞的第二个研究的作用

就是在工程性的实验项目

比如航空航天工程

飞行器或其他部件模型的升阻力实验

压力分布实验 流场的测量实验震颤的实验等等

来确定飞行器的气动力性能气动热性能

为飞行器的设计提供科学的依据

第二就是风工程高层建筑物

高大烟囱 电视塔 桥梁

大跨度的结构物的风力载荷

第三就是交通工具

比如我们的高铁C919的客机等等

这些交通工具的气动阻力和稳定性的实验

再有就是能源

那么随着这种可再生能源

风力发电流体机械叶轮的性能等

都需要进行测试

再有环保对于污染物的疏移扩散

环境的评价合理的布局等等

都需要进行风洞的实验

还有计量工程我们各种气体的流量仪表

都需要在风洞中进行标定

第四个方面就是介绍风洞实验的优缺点

风洞实验的优点

第一个就是风洞的实验条件是可控的

比如空气的压力温度密度速度等等

都可以精确的控制

第二就是风洞实验的它的利用率高可重复性好

第三就是在风洞试验中

它的实验模型和观测仪器都是固定不动的

便于流动现象的观测实验测量的精度比较高

第四就是可以将实验对象的各种部件

做成不同模型单独进行测试

风洞实验的局限性

风洞实验的第一个局限性

是不能保证合实际流场完全相似

因为风洞的尺寸是有限的

因此对风洞实验的模型的尺寸也有一定的限制

而且风洞试验的风速也是一定的

不能和实际的流动的风速完全相似

因此呢它的不能保证和实际流场的完全相似性

那么在低速风洞中主要满足Re数相等

在高速风洞中主要满足马赫数相等

就是要求在高速风洞中呢

我们来流的速度和当地声速的比值呢

要达到马赫数相似

那么风洞实验中呢洞壁会对流场产生干扰

也就是所谓的边界的干扰

另外支撑模型的支架也会对流动产生干扰等等

这些都是需要呢进行修正的

下面介绍风洞的分类

那么风洞的分类有很多种

第一种就是按照风洞试验段中

气流的速度大小来分类

那么可以分为低速风洞

气流速度如果小于一百米

也就是我们通常说的马赫数小于0.3

那么这时候呢我们可以不考虑气流的压缩性

那么这时候我们称为低速风洞

低速风洞那么还有回流式和直流式两类

再有一个就是高亚音速风洞

它的马赫数是在0.3到0.8之间

这时候就要考虑气流的可压缩性

第三类是跨音速风洞

它的马赫数在0.8到1.5之间

这时候风洞里会产生激波等可压缩性的现象

第四类是超音速风洞

它的马赫数在1.5到4.5之间

第五类是高超音速风洞

它的马赫数是在4.5到10之间

第六类就是极高速风洞它的马赫数一般大于10

相当于极高速的洲际导弹在高速飞行的状态

第二种分类就是按风动的特殊用途来分类

那包括低湍流度风洞 变密度的风洞

大气边界层的风洞 烟风洞 汽车风洞

桥梁风洞 计量风洞等等

那么我们看到的第一个图就是烟风洞

第二个图是边界层的风洞也叫环境风洞

第三个风洞是汽车风洞

第四个风洞是这个桥梁风洞

那么还有其它分类的方式

包括按照风洞的外形分

我们可以分为直流式风洞和回流式风洞

上面这就是一个直流式风洞的结构图

下面是一个回流式风洞的全景图

按照气流的工作方式分

可以分为连续式风洞和暂冲式风洞

按照实验段的构造来分

我们可以分为试验段是开口的

和外界气流接触的这种开口式风洞

以及试验段气流和外界气流

不接触的这种闭口式的风洞

按照实验段截面的几何尺寸

我们还可以分为二元风动和三元风洞等等

这是一个低速回流式风洞的结构图

我们下一节课要具体的讲

这是按照风洞的实验段的形式来分呢

还可以分为水平式风洞和立式风洞

那么这个右图就是一个立式风洞

立式风洞呢也叫垂直风洞

它产生垂直向上的气流

模型呢重力平行于实验段的轴线

那么可以进行飞行器的返回舱的实验

以及降落伞的实验还有直升机的实验等等

下面呢介绍几个世界著名的风洞

世界上第一座风洞

是英国人韦纳姆在英国建造的

它是一个很简陋的一个风洞

就是两个开口的木箱然后一端加上一个风扇

就组成了一个简陋的风洞

这是一个世界上第一座的风洞

那么这是埃菲尔风洞大家都知道埃菲尔铁塔

但是在埃菲尔铁塔的第三层

那么里边儿有一个埃菲尔风洞

它是一个直流式的开口式的风洞

所以我们现在都把直流式的开口式的风洞呢

叫做埃菲尔风洞

这是怀特兄弟的风洞

美国的怀特兄弟呢

在1900年的时候为了研制飞机

他们设计了一个风洞

这个风洞的截面有40厘米长是1.8米

能够产生五十千米每小时的这个风速

这是美国国家航空咨询委员会叫NACA

也就是现在的NASA第一座的风洞

这是1944年6月9日投入运行的

美国阿母斯实验室的全尺寸风洞

这个风洞宽24米高12米

内有六个直径12米的风扇

每个风扇有6000马力的电动机驱动

可以产生大约每秒一百米的风速

这是1936年美国兰利中心的高速风洞

它可以产生一倍音速的风速

这个风洞在1996年关闭并于2011年拆毁

这是美国宇航局兰利研究中心的全尺寸风洞

1980年加利福尼亚州

阿姆斯航空中心4.8米的高速风洞

这是1962年3月23日国家跨音速风洞中

x15模型实验室产生的这个冲击波

左边这个图是航天飞机

在Ф0.5米风洞中进行实验的照片

1931年清华大学组建工学院

校长梅贻琦亲自兼任工学院院长

在机械工程系内

设动力工程和航空工程两个专业组

成为中国大学创办航空学科的发源地

1933年顾毓秀与庄前鼎等教授

在清华筹建航空馆与飞机库房

自制5英尺实验风洞购买实习飞机

这个照片左三就是顾毓秀左四就是庄前鼎

左五是冯卡门的助手华敦德

当时他来到清华帮助清华建立航空工程系

这就是我国在1934年建造的第一座风洞

当时是由清华大学教授设计的

直径5英尺和1.5米

1936年在抗日战争爆发前夕

由清华大学在南昌建造一座

远东最大的大型风洞

实验段口径为15英尺和4.5米

1937年冯卡门第二次访问清华大学时

于7月9日来到南昌参观这座风洞

当时风洞主体施工基本完成

但是由于抗日战争日军的侵略

这个风洞最后被炸毁了

这是北京大学直流式大气边界层风洞

是由当时的北京大学校长周培源主持建造的

这是天津大学流体力学实验室的

低速回流式风洞建成于1964年

试验段由一级红松建造

是由时任天津大学校长张国藩主持建造的

这是同济大学的一号风洞

它采用直流闭口式

实验段1.8米乘1.8米乘14米长

风速为30米每秒

这个是上海东方明珠电视塔

在这个风洞中做实验的照片

同济大学的2号风洞

试验段高2.5米宽3米长15米风速67米

这是当时上海的金茂大厦

在风洞中做实验的照片

这是同济大学的3号风洞

实验段宽15米高2米长14米

其风速范围为17.6米连续可调

是国内最大的边界层风动

居世界同类风洞第二位

可以进行跨度超过2000米

超大跨桥梁的全桥气弹模型风洞实验

中国空气动力研究与发展中心的风洞群

是亚洲最大的风洞试验中心

中国空气动力研究与发展中心

是我国最大的空气动力学研究实验机构

主要用风洞试验数值计算

和模型飞行实验三大手段开展空气动力学

飞行力学和风工程领域的研究工作

这是全机低速风洞

对运8飞机模型进行吹风实验

这是庞大的4米乘3米风洞的菱形导流片

这是1.2米乘1.2米跨声速风洞

这是空天飞机气动外形的风洞实验

下面一个图是超声速飞行器气动性能实验

这是歼十在激波风洞中做试验

这是神舟号飞船救生舱在风洞中做实验

这是绵阳科技馆的体验娱乐风洞的自由漂浮

1958年在沈阳航空气动院

建立的我国第一座大型超音速风洞

这是直径3.2米的风洞试验段

在对战机模型进行气动实验

结束语

风洞是发展航空航天和很多重要的工程技术的

不可缺少的空气动力学实验装备

一个国家风洞建造和风洞实验水平的高低

直接体现了国家的综合实力水平

建国以来随着我国航空航天和国防事业的发展

以及综合国力的提升

我国的风洞建造水平也在不断提高

为了建设和保卫社会主义现代化强国

我们要大力发展航空航天和国防事业

更需要建造更高水平的风洞

不断提高我国的风洞试验技术和水平

这一讲我们就讲到这儿 谢谢大家再见