風(fēng)洞(wind tunnel)即風(fēng)洞實驗室,是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流,用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況,并可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設(shè)備,它是進行空氣動力實驗常用的、有效的工具之一。
風(fēng)洞實驗是飛行器研制工作中的一個*的組成部分。它不僅在航空航天工程的研究和發(fā)展中起著重要作用,隨著工業(yè)空氣動力學(xué)的發(fā)展,在交通運輸、房屋建筑、風(fēng)能利用等領(lǐng)域更是*的。這種實驗方法,流動條件容易控制。實驗時,常將模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)洞中進行反復(fù)吹風(fēng),通過測控儀器和設(shè)備取得實驗數(shù)據(jù)。
為使實驗結(jié)果準確,實驗時的流動必須與實際流動狀態(tài)相似,即必須滿足相似律的要求。但由于風(fēng)洞尺寸和動力的限制,在一個風(fēng)洞中同時模擬所有的相似參數(shù)是很困難的,通常是按所要研究的課題,選擇一些影響大的相似參數(shù)進行模擬。
此外,風(fēng)洞實驗段的流場品質(zhì),如氣流速度分布均勻度、平均氣流方向偏離風(fēng)洞軸線的大小、沿風(fēng)洞軸線方向的壓力梯度、截面溫度分布的均勻度、氣流的湍流度和噪聲級等必須符合一定的標準,并定期進行檢查測定。
風(fēng)洞的結(jié)構(gòu):
風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成,各部分的形式因風(fēng)洞類型而不同。
1、洞體它有一個能對模型進行必要測量和觀察的實驗段。實驗段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩(wěn)定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。實驗段下游有降低流速、減少能量損失的擴壓段和將氣流引向風(fēng)洞外的排出段或?qū)Щ氐斤L(fēng)洞入口的回流段。有時為了降低風(fēng)洞內(nèi)外的噪聲,在穩(wěn)定段和排氣口等處裝有消聲器。
2、驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)共有兩類。
一類是由可控電機組和由它帶動的風(fēng)扇或軸流式壓縮機組成。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)或壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使氣流壓力增高來維持管道內(nèi)穩(wěn)定的流動。改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速或葉片安裝角,或改變對氣流的阻尼,可調(diào)節(jié)氣流的速度。直流電動機可由交直流電機組或可控硅整流設(shè)備供電。它的運轉(zhuǎn)時間長,運轉(zhuǎn)費用較低,多在低速風(fēng)洞中使用。使用這類驅(qū)動系統(tǒng)的風(fēng)洞稱連續(xù)式風(fēng)洞,但隨著氣流速度增高所需的驅(qū)動功率急劇加大,例如產(chǎn)生跨聲速氣流每平方米實驗段面積所需功率約為4000千瓦,產(chǎn)生超聲速氣流則約為16000~40000千瓦。
另一類是用小功率的壓氣機事先將空氣增壓貯存在貯氣罐中,或用真空泵把與風(fēng)洞出口管道相連的真空罐抽真空,實驗時快速開啟閥門,使高壓空氣直接或通過引射器進入洞體或由真空罐將空氣吸入洞體,因而有吹氣、引射、吸氣以及它們相互組合的各種形式。使用這種驅(qū)動系統(tǒng)的風(fēng)洞稱為暫沖式風(fēng)洞。暫沖式風(fēng)洞建造周期短,投資少,一般[[雷諾數(shù)]]較高,它的工作時間可由幾秒到幾十秒,多用于跨聲速、超聲速和高超聲速風(fēng)洞。對于實驗時間小于 1秒的脈沖風(fēng)洞還可通過電弧加熱器或激波來提高實驗氣體的溫度,這樣能量消耗少,模擬參數(shù)高。
3、測量控制系統(tǒng)其作用是按預(yù)定的實驗程序,控制各種閥門、活動部件、模型狀態(tài)和儀器儀表,并通過天平、壓力和溫度等傳感器,測量氣流參量、模型狀態(tài)和有關(guān)的物理量。隨著電子技術(shù)和計算機的發(fā)展,20世紀40年代后期開始,風(fēng)洞測控系統(tǒng),由早期利用簡陋儀器,通過手動和人工記錄,發(fā)展到采用電子液壓的控制系統(tǒng)、實時采集和處理的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。