[CAD图纸全套]小型车1：5模拟风洞实验室设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 本设计是在市场的需求下，通过对国内外现有的汽车风洞进行调研和分析，设计一座具有低湍流、可变湍流度、低噪声等特色的小型车 1： 5 风洞实验室。在风洞的设计过程中，对其主要部件进行了详细的计算。风洞建成后，结合实验室内先进的测量手段，除了能满足模型的测压、测速、流态观测等教学外，还可以利用该风洞进行从事桥梁、环境污染等工业空气动力学研究工作。 进行汽车研究，汽车风洞是必不可少的试验设备。汽车风洞建设对汽车空气动力学发展意义重大，没有汽车风洞，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展。而汽车风洞的主 要任务是正确模拟气流流经汽车车体表面的流态以获得准确的实验数据，实验数据的精确与否决定了汽车气动外形设计的成败。因此，汽车风洞实验能促进汽车空气动力学研究，进行汽车空气动力学研究将能够给我国带来巨大的燃油节省，具有非常大的经济效益和社会效益。 关键词： 1： 5；小型车；风洞；低湍流；实验 黑龙江工程学院本科生毕业设计 is in of a of :5 in of of on on is an of is of o t of is of of to or of or in be to to 1： 5； 龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 . I . 1 章 概述 . 1 研究目的及意义 . 1 国内外研究现状 . 1 本课题设计研究内容、研究技术路线 . 2 第 2 章 汽车风洞设计研究基础 . 4 汽车风洞实验的目的 . 4 汽车风洞功能类型及设备 . 4 汽车风洞实验模型 . 7 汽车风洞实验的准则与规范 . 8 本课题采用的模型尺寸 . 10 本章小结 . 11 第 3 章 1： 5 小型 汽车风洞设计 . 12 风洞的类型结构确定 . 12 风洞试验段几何参数的确定 . 13 扩压段 . 15 拐角及其拐角导流片 . 17 迴流段 . 18 稳定段及整流装置 . 19 收缩段 . 20 风洞能量比、电机功率及风扇的确定 . 20 风洞结构设计校核 . 25 本章小结 . 26 第 4 章 计算机仿真风洞模型建立 . 27 概述 . 27 各部件建模 . 27 模型总装图 . 38 本章小结 . 39 第 5 章 结 论 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 43 黑龙江工程学院本科生毕业设计 买文档送全套 纸，扣扣 414951605 黑龙江工程学院本科生毕业设计 黑龙江工程学院本科生毕业设计 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 概 述 研究目的及意义 汽车作为人类交通工具，它的出现和发展给 人类社会带来了无可估量的经济效益和社会效益。伴随着汽车日益走向成熟，汽车产品的开发、设计生产等相关领域的发展也日臻完善，并不断推陈出新，而这一切都与汽车的实验研究密不可分。 随着汽车工业的发展，中国汽车工业走自主研发设计之路，迫切需要建立起自己的汽车风洞实验室，掌握和发展自己的汽车风洞实验技术。这样既可以节约开发成本，又可以快速完成风洞技术的发展和积累。同时也可以促进我国汽车空气动力学的研究。为人类、为社会、为中国汽车工业自主研发设计作贡献 在当前形势下，国家提出了“节能减排”的政策，号召大力开展推动提高能 源利用效率的科技创新。对于交通工具来说，改善汽车等交通工具的空气动力学特性，将是降低汽车燃油消耗，节省能源的重要方式。进行汽车研究，汽车风洞是必不可少的试验设备。汽车风洞建设对汽车空气动力学发展意义重大，没有汽车风洞，既不可能很好地设计出最优的汽车，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展 因此，此次研究就是为了设计模拟汽车风洞实验室设计，以最少的费用，最优化的方法对汽车风洞实验室设计。这主要从两方面考虑：一是经济角度出发；二是社会角度出发。首先从经济角度出发：达到节约成本，用最简单的方法去做最复杂的实验。降低了昂贵的费用。为企业创造了更好地经济效益。同时也促进了老百姓的买车能力。为整个社会经济腾飞作贡献。其次从社会角度出发：为了满足行业的需要、为了汽车工业的发展、为了科学研究技术作贡献。 国内外研究现状 1、 国外研究 国外，汽车风洞建设较早。 1939 年，德国的斯图加特大学建立了第一座全尺寸汽车空气动力学试验的风洞。它的最高速度高达 270km/h，可以进行高速赛车空气动力学的研究。随后，不少汽车企业和研究机构陆续开始建设汽车风洞。近年来，不断有新的专业汽车风洞落成，如 车公司风洞。 汽 车风洞建设初期，大量借鉴了航空空气动力学的研究经验和理论。航空空气动力学试验规定风洞试验的阻塞比（ =A/中， A 是试验模型的正投影面积， 风洞的喷口截面面积。虽然航空风洞规定风洞试验时 , 要小于 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 是现在的汽车风洞阻塞比已经越来越大，甚至有阻塞比达到 右的汽车风洞。 为了使汽车风洞试验结果更加精确，国外陆续有专业的汽车风洞装备地面效应模拟设备。现在几乎所有的汽车风洞都引入地面效应模拟设备，特别是移动带地面效应模拟系统。 汽车风洞的建设，带 来了汽车风洞试验技术的变革和创新。为了适应汽车气动噪声的研究，大量的汽车风洞经过改进以便能进行气动噪声试验，部分新建的汽车风洞直接就定位建设低噪声的汽车风洞。 近年来，随着汽车风洞试验技术的提高，汽车风洞的试验设备也不断提高。这标志世界汽车研究又进入一个崭新的阶段。 2、国内研究 目前，我国汽车风洞建设较晚。 2002 年，吉林大学汽车风洞开工建设。 2005 年，同济大学上海地面交通工具风洞中心开工建设。现在，两座风洞的建设完成，标志着中国汽车研究进入一个新的阶段。 在国内，虽然建设了国内专业的汽车风洞，但是在汽 车风洞实验技术上还存在很多不足，国内还不能提供准确可靠的实验方法，制约了汽车技术的提升，不利于我国汽车工业的发展。为了我国汽车工业更好地发展，就必须对国内的汽车风洞实验设备进行充分掌握，改进试验设备，完善试验技术，提高试验精度。 本课题设计研究内容、研究技术路线 1、本课题设计研究内容： 1）进行 1:5 小型车模拟风洞实验室平面布局设计； 2）进行风机选择和校核，前后稳速仓栅设计，测试仓设计，测试台设计，环状风道设计， P 型引风口设计，台架支撑结构设计； 3）根据设计系统进行校核； 4）绘制设计系统总 图和上述部分的结构装配图、零件图。 2、研究技术路数： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 N 各环节技术的校核 Y 总体校核 N Y 图 技术路线图 调查研究、收集资料 总体布局设计 各环节布局、设计 总体修订 研究成果 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 汽车风洞设计研究基础 汽车风洞实验的目的 汽车风洞实验的目的在于得到准确的反映汽车行驶状态下的空气动力特性数据。汽车风洞实验研究下述几方面问题： （ 1）研究汽车空气动力特性，包括汽车的气动阻力特性和操纵稳定性等，即通过风洞实验研究汽车的流场作用在汽车上的力和力矩。 （ 2）通过汽 车表面的压力分布与流场性能的分析，研究汽车各部件的流场。如雨水的流动路径、污垢附着的作用原理、风噪声、挡风玻璃上的作用力等。 （ 3）发动机冷却气流的进气和排气特性。 （ 4）驾驶室内的通风、取暖及噪声等特性。 汽车风洞实验的类型及设备 车实验风洞 汽车风洞是进行汽车空气动力学实验的主要设备，它实际是一个按照一定要求建造的管道，并利用动力装置等设备在管道中产生可以调节的气流，使风洞试验段能模拟或基本模拟大气流场的状态，以供汽车进行空气动力学实验的研究。 目前世界上的汽车实验风洞很多，按照试 验段气流循环形式来分，可以分为回流风洞和直流风洞两种。图 回流型风洞，回流型风洞的特点是通过试验段的气流能经循环系统在返回到试验段，能回收气流的能量，电机的功率小，并且能保持恒定的空气温度和湿度，缺点是构造复杂，设备大，成本高。 (A) 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 （ B） （ C） (D) 图 回流型风洞 图 直流型 风洞。其特点是把通过试验段的气流排除在风洞外部。该风洞设备简单，成本低，缺点电机功率大，空气温度难以恒定，流场品质易受外界的干扰。直流型风洞又分为吸入式和吹出式，前者的风机在试验段下游的风洞中，后者的风机设置在试验段上游的风洞中。 （ A） （ B） 图 直流型风洞 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 按照试验段的类型分为开式风洞、闭式风洞及半开式风洞三种。图 示。 （ A） （ B） （ C） 图 洞试验段形式 A）开式 B)闭式 C)半开式 按照试验段尺寸分类，可分为试验段尺寸几十毫米的微型低速风洞，试验段尺寸为 1 小型低速风洞，试验段尺寸为 2 4m 的中型低速风洞，试验段尺寸 8 车风洞测量设备 （ 1）气动力天平 气动力天平是汽车风洞实验时用来测量模型或汽车的空气动力和力矩的测试仪器。 （ 2）气动力天平的选择原则 1）根据需要测量的模型或实车气动力 和力矩数目选择相应的气动力天平。 2）根据需要测量的模型或实车气动力和力矩的大小选择相应测量的范围和量程的气动力天平。 3）要有良好的线性关系，即气动力或力矩的读数随外载荷的变化关系接近或呈线性关系。 4）选择受外界干扰小的气动力天平。 5）选用灵敏度高、强度和刚度的天平。 6）选择精度、准确度较高的气动力天平。 （ 3）气流参数测量仪器 1）压强测量仪器 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 压强测量仪器主要是压强计、测压传感器及压强传导装置。常用的压强计是液压柱式压强计，有 U 型管压强计、单管压强计、斜管微压计及多 管压强计等。这些压强计大多数是以已知的参考压强作为比较对象进行测量的，参考压强多为大气压强。 目前较多的测压传感器有应变式、压阻式、电容式、电感式及压电式等。压强传递装置主要由压强传递导管和压强扫描阀组成。 2）压强测量 车身表面静压测量 通常在模型表面上沿其法向开小孔，以测量局部静压强。测压小孔直径 d 应在 2围内， h/d 2，测压孔轴线应尽量垂直壁面，孔内壁光滑，孔口无毛刺，表面五凹坑或凸起。 气流静压测量 在气流场中某一点处放置一静压管，就可以测出该点的静压强 。实验前，必须对静压管都进行校准。 气流总压测量 在流场中某一点处放置总压强管，就可以测出气流在该点处的总压强。 （ 4）温度测量仪器 由于雷诺数随温度变化的幅度很大，所以每次实验都要测量并记录风洞的温度。测量温度时通常使用大气温度计，把它放置在没有气流扰动的位置，就能准确地测量。 （ 5）气流速度测量 测量气流速度用风速管。它是由总压强管和静压强管组合在一起而构成的总静压强管。 （ 6）气流方向测量 采用五孔探头和恒温式热线风速仪测量试验段的气流方向。 （ 7）数据采集及处理系统 进行风洞试验时，使用低电平数据采集系统，它由信号调节器、多路开关、低电平放大器、采样 保持器、数 A/D）转换器、数据记录装置及微型计算机等组成。 车风洞实验模型 型尺寸 风洞试验模型根据选用的风洞试验段尺寸采用 3： 8、 1： 5、 1： 4、 1： 10、 1： 1等比例尺寸。 型的外形和结构 (1) 外形模型 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 为了保证模型试验的流场与汽车行驶的流场相近，必须保证模型与实车几何相似。根据模型尺寸与实车尺寸之间的比例关系，能够把模型外部尺寸确定下来。对于进气口，驾驶室内流及附面层 等还不能用简单的几何相似来模拟，而应采用特殊的模拟方法进行模拟。 1）进气口与驾驶室内流的模拟 汽车行驶时，气流的一部分从前窗底部进入驾驶室，从出口排除，其余气流都均匀地从外表面绕过，通常不发生气流分离。进行风洞实验时，一般不模拟内流，把进、出气口都堵死，仅模拟外部流。如果简单地把进、出气口堵死，实验时气流将在进、出气口处产生分离。为此，在进气口前边加装一个流线型旋转体，既消除了气流分离，又使两个绕流流谱相似。 （ 2）模型结构 模型的结构与汽车结构差异较大，一方面模型结构要尽量简单，另一方面模型除 了用于测定整车的空气动力特性外，还用于测定各总成、部件对空气动力特性的影响，因此，模型最好采用可拆卸式的组合结构。模型的结构特点是：其拐角部位、前部和后部以及处于分离区附近的车灯、后视镜、空气进口、空气出口、空调装置、发动机罩和车门缝部位等细部的造型都应特别注意，模型应模拟车底细部，车底部后桥、传动系、排气管等的凸凹应能再现，车轮模拟可转动的状态。 此外，要求组合模型的各部分能方便而准确的安装。为此，要求模型安装系统必须具有足够的刚度，确保偏转力不能引起测量误差；必须在地板上按精确比例装配模型，使模型呈 现原型的姿势；安装时，模型与地板以及支架与地板都不能发生干涉；模型连接在气动力天平上时，不得产生太大的气流干扰。 型的材料与加工 风洞实验模型大多采用核桃木、楠木及红松等优质木材制造，对于小而薄的结构，也可以采用铝等金属制造。在风洞实验时，由于模型上承受的载荷较小，优质木材能满足强度要求，并且木材易于加工，便于局部修改，所以优质木材是较理想的制造模型材料。但是木材也存在缺点，易变形，因此加工前应对木材进行干燥处理，并且最好把木条加工成方条，用粘接剂把方条粘接在一起，作为毛胚。 汽 车风洞实验的准则与规范 车风洞实验概述 汽车风洞实验是将汽车或者汽车模型安置在汽车风洞中，开启风洞产生固定速度的风，采集固定风速下汽车受到的气动六分力数据，进过数据处理得到六分力系数；也可以采集汽车车身表面气动力等数据，获得车身表面压力分布；或者借助某些流动显示和测量手段，对汽车周围流动进行显示和测量。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 汽车风洞实验，有定量实验和定性实验。定量实验和定性实验相结合，是汽车空气动力学研究的有效方法。定量实验是指天平测力实验和压力分布实验等，可以直接测定作用在车身上的气动力、力矩和压力值。 定性实验是指流态显示实验，如烟流法、丝带法、油膜法、激光流态显示法等。通过流态显示实验能直接观察流场，对流场进行定性分析，再结合六分力测量和压力分布测量等定量实验结果，就能够了解流场的流动机理，如涡流、分离现象等。判断流场的气动特性。 车风洞实验准则 （ 1） 实验风洞应产生足够的均匀流场，其中包括均匀的风速分布和流向分布、低紊流度以及模拟路面的薄的边界层厚度。 （ 2） 实验模型与实际汽车几何形状相似，模型既要保证几何尺寸的精度，又要具有一定的刚度。模型按几何比例缩小，并具有足够精确的细部模拟， 以保证各个重要的局部流场的真实模拟。 （ 3） 雷诺数模拟。雷诺数主要影响模型表面的附面层状态，即影响附面层的层流、紊流、转捩点的位置以及分离点的位置，从而影响模型的最小气动阻力系数 此要求实验时的雷诺数尽量接近实车行驶时的雷诺数。 雷诺数是表征流体粘性对其气动影响特征的无量纲参数，它代表流体所受惯性力与粘性力之比，其数学表达式为： (式中 p 流体密度； U 流体粘性； L 物体特征长度； V 速度； 由于风洞中的工作介质是空气，其温度与大气相差不大，因此空气密度 p、粘性 u 与大气也相差不多。由式 (知，要使实验时的雷诺数与实车行驶时相等，应使 v、 L 相等，即 模型的尺寸比实车缩小多少倍，应使实验风速增大增大多少倍。但是，由于风速的提高受到压缩性的限制，这就限制了雷诺数的提高。又由于风速的提高，气流的能量损失迅速增大，消耗的功率也急骤增大，因此一般的实验风洞很难做到实验时的雷诺数与实车行驶时的雷诺数相等。 为了满足雷诺数相似要求，该值被称为临界雷诺数。除雷诺数效应外，在高速气流试验的情况下，还黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 存在压缩性的问题，但对汽车风洞实验可认为不存在压缩性的影响，因此可在此条件下进行汽车空气动 力学实验。 （ 4） 尽量排除风洞实验中的支架及洞壁的干扰。为了限制洞壁干扰的影响，一般汽车模型在横摆角为零时的正面投影面积不超过试验段横截面积的 5 ，高度不超过试验段高度的 30，在有横摆角的情况下，模型的宽度应小于风洞宽度的 30 。如果超过其上述数值，则要对其洞壁干扰修正，以达到消除洞壁干扰的目的。 （ 5） 风洞流场的动态校准。模型放置在风洞之前，应对空风洞进行流场的动态校准。要测量试验段横截面的紊流度、地板上的静态压强、轴向静压梯度、横向气流偏角、纵向气流偏角、气流均匀性等流场特 性以及放置模型前缘位置的地板边界层厚度。 本课题采用的模型尺寸 根据实验需求，模型尺寸 1： 5 比例尺寸，实验车型选择长安轿车 “志翔”作为试验车，该车的基本参数如下表 示； 基本参数 长 /宽 /高 （ 4600/1800/1475 轴距 （ 2650 轮距 （ 前后 ） （ 1500/1487 最小离地间隙 （ 138 油箱容积 （ L) 58 表 龙江工程学院本科生毕业设计 11 对于本文的研究，空气密度 3/ ,大气压力为标准大气压，试验风速v=60ms,模型特征长度 L=920气粘度 210 1 9 4u ,则对应的雷诺数为： 603 . 7 2101 . 7 8 9 4109 2 0601 . 2 0 5u （ 本章小结 本章主要介绍了风洞实验的类型及其设备，风洞实验的准则与规范，汽车风洞试验模型。为以后的研究奠定了良好的基础。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 第 3 章 1： 5 小型汽车风洞设计 风洞的类型结构确定 1、类型结构确定 本文主要对汽车风洞实验室结构进行设计，经过前面的介绍及其对比，本课题采用 1： 5 模型结构，风洞的结构形式采用单回流闭式风洞实验室。采用该结构的风洞其特点比较优越。布局如图 （ 示： 图 风洞的各部件 下面对风洞的各个部件进行介绍： （ 1） 试验段。风洞中进行模型试验的部件，是整 个风洞的中心； （ 2） 扩压段，又称扩散段。是把气流的动能转变为压力能，以减小风洞的损失； （ 3） 拐角。共四个拐角，扩压段后为第一个拐角，依次是二、三、四拐角； （ 4） 拐角导流片。为了保证气流经过拐角时改变流动方向而不出现分离，四个拐角都必须安置拐角导流片； （ 5） 风扇； （ 6） 电机。电机一般装在整流罩内，但是也可以装在风洞外，用长轴传入而带动风扇旋转； （ 7） 整流罩。使风扇前后保持流线型，改善气流的性能，尤其是防止分离； （ 8） 迴路段。把空气导回到试验段上游的管道； （ 9） 稳定段。使气流保持均匀的稳定的管道。内装蜂窝器整流设备； （ 10） 蜂窝器。主要对气流起导直 的作用； （ 11） 收缩段。使气流均匀加速的收缩管道； 2、对汽车风洞性能的基本要求： （ 1） 气流的主流品质 要求纵、侧向速度的均匀性、紊流度和尺寸要模拟真实道路状况。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 （ 2） 限制试验段洞壁对流场的干扰 为了限制洞壁的干扰影响，美国汽车工程师协会制订了“汽车风洞试验准则规范”。 （ 3） 实验雷诺数与实际雷诺数相似。 （ 4） 试验模型与实车的几何形状相似。 风洞试验段几何参数的确定 1、试验段设计的基本要求 （ 1） 试验段的气流品质要达到要求。最基本的是气流必须是均匀的稳定的。 （ 2） 试验段的口径与截面形状。试验段的口径对圆截面是指它的直径，对非圆截面是指其截面特征长度。但是在满足试验要求的前提下，口径应尽量小。 （ 3） 试验段风速。对风速的要求主要来自雷诺数。风速大一些，风扇的效率比较高，风洞的能量比也高。但是驱动功率是与风速的三次方成比例。 （ 4） 装卸模型方便。 （ 5） 安装有关设备方便。 （ 6） 试验段必须安装门窗，一方面是为了实验人员和模型的出入；另一方面是为了观测和摄像等。在可能的情况下，门窗尽量大些。 2、试验段截面气动外形的选择 对于汽车实验 风洞，选择试验段截面气动外形的原则是：在满足试验要求的前提下，采用最小的截面面积，以减小风机驱动功率；在给定截面积的情况下，其截面特性应尽可能有利于复现汽车模型的绕流特性，以使风洞的洞壁干扰降至最低。以下是可供选择的风洞试验段截面形状，如图 示。截面 A 是航空风洞常用的截面外形，为对称的切角矩形；截面 B 为半圆形；截面 C 为非对称切角矩形。后者是参照汽车截面的轮廓线按照比例放大的，其截面面积与截面 B 的截面面积相等。这三种截面形状中， B、 C 两种截面形状较适宜汽车风洞实验。 图 试验段的截面形状 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 3、试验段几何参数的确定 （ 1） 截面的高宽比 考虑到实壁边界对汽车模型试验的影响，以 r=1/3 作为实壁试验段中参数选择的依据（ L/L 为垂直风洞中心线测得的模型水平方向的最大宽度， L/模型最高点距地板的距离， 地板与风洞顶壁间的距离，如图 示） 图 试验 段的截面尺寸 （ 2） 试验段长度 进行汽车风洞实验时，要将试验模型置于实验地板上，该地板的长度除了能容纳模型及其前方的流动均匀流场外，还应留出边界层控制装置所需要的长度。此外，在模型的下游，还要留有足够的长度，使气流在进入扩散段前，其尾流获得充分的发展。这样对提高风洞运转效率有利。一般地板的长度为模型长度的 5 7 倍，宽度至少为模型宽度的 2 倍。 （ 3） 非对称切角尺寸 汽车实验风洞多采用沿轴向呈线性变化的切角填块来消除洞壁边界层位移厚度对流场轴向压力梯度的影响。入口截面切角高度和出口截面下截角高度是固 定的，出口截面上切角高度是可以调节的，以便在流场校测中，根据不同的实验条件与要求来调节高度，直到获得满意的静压分布为止。 （ 4） 实验地板在试验段中的垂直位置 选择实验地板在试验段中的垂直位置的原则是：有用实验截面面积应尽可能大，以减弱顶壁的干扰；地板下部流动阻力应减至最小，以防止地板前缘流线弯曲；保证不同缩尺比例的模型均可置于试验段中心区进行试验。 所以根据第 （ （ 章节，就可以确定试验段的几何参数。已知试验车长黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 L=4600 B=1800 H=1475例尺寸 1： 5，所以则有模型尺寸长20 60 95 根据 r=1/3， L/L/： 312 9 53 6 0/ (所以有： 59216 （ 一般地：地板长度应为模型长度的 5 7 倍；宽度至少为模型宽度的 2 倍。所以取地板长度为模型长度的 5 倍，宽度为模型宽度的 5 倍。所以有： 0 03 6 055； 9218002165921659H 00 ； （ 092055 ； 扩压段 扩压段也称扩压器或扩散段。扩压段的作用是把气流的动能变成压力能。在没有分离的情况下，气流在扩压段的损失主要有两种，一是摩擦损 失。另一种是扩压损失，但本质是摩擦损失。 设扩压段的入口截面积的参数为 1,口截面的参数为 2,压段的几何特性如图 示： 图 压段入口截面参数 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 流经扩压段的总损失为： sf (摩擦损失为： 42121 128121f 平均(扩压损失为： 42121 12 (所以总的 损失为： 42121 平均 (压力损失系数为： 平均 (从以上公式可知，当扩散比一定时，随扩散角 a 的增大，扩压损失增加而摩擦损失减少。总损失先减小后增大（如图 示：有一个最小值。即最佳扩散角： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 图 扩压段损失系数 （ 2/1/ 21 影响扩压效率的主要因素是扩散角。管道的截面形状、扩散比以及壁面粗糙度等也有影响。如果扩散角过大，虽然可以缩短扩压段长度，但在洞壁上容易发生气流分离，造成很大的气流损失，不仅使扩压效率降低，而且会影响气流品质。但是扩散角又不能过小，小了会使整个风洞的造价提高。所以要选择适当的扩散角。 拐角及其拐角导流片 在回流风洞中，气流沿洞体循环一次转 360，在单回流风洞中，气流需要通过四个 90 拐角。在有些高压的环形回路风洞中，气流通过二个 180 的拐角。 拐角是风洞的一个重要部件。气流在四个拐角的全部损失可以占风洞总损失的40 60。气流经过拐角是容易发生分离，出现很多漩涡，因而使流动不均匀或发生脉动。因此必须装拐角导流片，目的是防止分离和改善流动。 沿风洞转角对称线上布置一排垂直的导流片，称为拐角导流片，是减少损失的一个很有效的措施。加导流片后，相当于保持当地的转弯半径 R，以及风洞高度 W 不变，从而大大的减 少流动的宽度 D。从物理意义上看，加导流片后，气流转弯的离心力作用于导流片上，避免了气流的压力增加，同时也是流动更加顺畅。 单回流风洞的每个 90 拐角都必须设置拐角导流片，每排导流片的数量为 1020 个，有时多至 40 个左右，导流片之间的相互位置应保持以下的关系：设导流片的弦长为 C，间距为 值常在 间。 W/大于 6。 下图为导流片改善流动状态的情况如图 示： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 （ a）没有导流片 （ b） 有 导流片 图 拐角流动的速度分布 下图为导流片的剖面形状及其导流片的性能如图 示： （ a） 圆弧型 （ b） 圆弧带直线型 （ c）翼剖面型 图 导流片的剖面形状 表 各种导流片的性能 剖面形状 最佳间距比 （ 损失系数 K C 为特征长度） 圆弧型 右 0000 左右 圆弧带直线型 右 0000 左右 翼剖面型 右 0000 左右 此外，在选择导流片时，要根据实际情况选择相应的导流片。 迴流段 在风洞管道中，风扇系统后至第三拐角和第一二拐角之间的迴流段，经常仍采用扩张管道，因此也是一个扩压段。之所以要继续扩张：一是为了继续把动能转变成压力能，减少气流损失，尤其是 经过拐角和整流装置的损失；而是增加管道面积，以得到比较大的收缩比。迴流段的平均速度比较低了，因而损失不会大，若为了缩短风洞的总长度，可以采用比较大的扩散角，如 a=8 9。但是也可以采用 6 的扩散角，以减少气流分离的可能性。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 稳定段及整流装置 稳定段又称安定段。整流装置为蜂窝器，目的是使气流均匀或降低紊流度，所以为整流装置。收缩段的设计，以均匀来流为前提。如果来流不均匀，则收缩段出口的气流也是不均匀的，紊流度也比较高，甚至可能存在大的漩涡。因此，气流进入收缩段之前，必须经过一个稳定段，以及蜂窝器等 ，使气流变得均匀，从而保证试验段流场的品质 （ 1） 稳定段 稳定段通常是一个等截面管道。稳定段对气流的影响是由于它的长度。相当长度的等截面管道对气流有稳定作用。如果稳定段中不设置任何整流装置，它就必须足够长，使得气流在流动的过程中有足够的时间调整运动方向、速度分布并衰减紊流度。实际上一般稳定段都设有整流装置。 稳定段的长度首先要保证安装蜂窝器，其次还必须要有一段长度，使气流经过后逐渐稳定。因此为满足要求，稳定段的长度一般按一下数据确定：收缩比小于 5，稳定段的长度为直径的 ；如果大于 5， 则长度为直径的 。收缩比定义为收缩段入口面积与出口面积之比，即稳定段与试验段面积之比。这样有利于改善气流性能有好处。 （ 2） 蜂窝器 蜂窝器由许多方形、圆形或六角形的等截面小管道并列组成，蜂窝器的作用是是在于导直气流，使其平行于风洞轴线。同时，蜂窝器对气流的摩擦还有利于改善气流的速度分布。 蜂窝尺寸一口径 M 和长度 l 表示，如图 示，图 几种比较常见的蜂窝格子以及长径比 l/M=6 时，各种蜂窝格子的损失系数 K。 图 窝器尺寸 图 见的蜂窝器格子及其损失系数 影响蜂窝器性能的主要参数是蜂窝器长度 l 和口径 M。长度 l 越大，整流效果越好，但损失增加。 M 值越大，蜂窝器对降低紊流度的效果越显著。一般的参数范围为 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 l/M=5 10； M=5 30体尺寸应该根据稳定段大小及气流的性能要求而确定。 收缩段 收缩段是风洞中至关重要的部分。收缩段的作用是加速气流，使其达到实验所需要的速度。收缩段应满足以下要求。 （ 1） 气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离。一般说来，气流在加速过程中是不易分离的。只要壁 面收缩不太剧烈，分离是可以避免的。 （ 2） 收缩段出口的气流要求均匀、平直而且稳定。 （ 3） 收缩段不宜过长。收缩段过长，会使风洞建设投资增加，而且能量损失也增大。收缩段的性能主要取决于收缩比。即收缩段进口面积与出口面积之比。 此外，收缩段长度一般可采用进口直径的 。收缩比越大，长度与进口直径的比值越小。 风洞能量比、电机功率及风扇的确定 气流在风洞管道内流动时必然会有能量损失。这种损失来自几个方面。一是气流与固体边界包括洞壁、拐角导流片、蜂窝器以及各段等的摩擦；一是物体表面的气 流分离，引起漩涡，紊流等。在相同的试验段流动条件下，气流经过风洞的回路的损失越小，则需要风扇补充的能量就越低。风扇和电机的效率就越高，消耗的电能就越低。因而存在一个风洞效率问题，而度量风洞效率的参数就是能量比。 能量比定义为试验段气流的动能流率（即单位时间通过的动能）与通过动力系统输入风洞的功率之比。由于计量输入功率的范围不同，可以有三种不同的能量比。 (1) 以电网输给风洞电机的功率作为输入功率，包括电机在内的能量比： 机 (式中， p, F 分别为气流的密度，速度和试验段截面积。 E 和 I 为输入电机的电压和电流。 （ 2） 以电机输给风扇的功率作为输入功率，包括风扇在内的能量比： 扇 （ 式中， N 为电机的输出功率，即输给风扇的功率。 N,电机为 电机功率。 （ 3） 以风扇输给气流的功率为输入功率的风洞能量比： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 3021 （ 式中风扇为风扇系统的效率。由以上定义可得下式： 风洞风扇风扇 （ 风洞风扇电机风扇电机电机