吸气式二元翼型风洞的气动设计.pdf
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1、2023年4月Apr.,2023第39卷第2期Vo l.39,No.2滨州学院学报Jo u rn a l o f Bin zh o u Un iv ersit y【航空科学与工程研究】吸气式二元翼型风洞的气动设计魏德宸1,焦园圆2(1滨州学院机电工程学院;2.滨州学院航空工程学院,山东滨州256603)摘要:翼型是机翼等气动部件的二维截面,对于机翼乃至飞行器全机的气动性能都有着重 要影响,所以翼型研究是先进飞行器设计的基础和重点。翼型风洞是进行翼型实验的最适用风 洞,在翼型研究中发挥着不可替代的作用,但由于其专用性,目前关于翼型风洞设计的公开成果 并不多见。基于翼型实验的参数要求,综合运用空气
2、动力学知识,确定了一种吸气式二元翼型风 洞的气动设计方案。设计的翼型风洞包括动力段、扩压段、实验段、收缩段和稳定段等洞体,并配 有阻尼网、蜂窝器等内部整流装置。经过计算和分析,结果表明竝风洞具有结构紧凑、湍流度低、能量利用率高的优势,可以较好完成翼型实验,推动飞行器技术发展。关键词:翼型风洞;吸气式;风洞设计;空气动力学;航空中图分类号:V 211 文献标识码:A DOI:10.13486/j.c n k i.1673-2618.2023.02.003翼型又称为翼剖面或叶剖面,是机翼、尾翼、舵面、发动机短舱、螺旋桨和旋翼等飞行器重要气动部件 设计的核心要素一幻。目前,研究翼型的主要手段包括实验
3、、理论分析和仿真计算。其中风洞方法是翼型 实验最重要和最有效的手段,相比于理论分析和仿真计算,能够获得更准确的数据。翼型在进行风洞实 验时,需要将翼型放置在专用风洞中,研究翼型流动机理和分析流场品质。翼型风洞是一种专用于测试翼型气动特性的航空二元风洞,实验段中的流动情况需要保持二维性质,同时对于气流的低湍流特性有着更高的要求。科研人员基于翼型风洞对翼型的选择和优化开展了广泛研 究,如李治国等分析了压力滞后及边界层滞后对S809翼型动态失速性能的影响;耿延升等验证了优化 前后两种翼型的层流区域占比和升阻比变化旧;李鹏超等测量了两种现有翼型组合设计新翼型的升力系 数和阻力系数畑。相比于翼型风洞的使
4、用情况,对于翼型风洞设计方面的文献则相对较少,且不够系统全 面。高永卫等总结了国内外的著名翼型风洞,对基本参数进行了举例说明卬;樊艳红等对西北工业大学的 NF-3翼型风洞进行了介绍,给出了该翼型风洞的组成部分;解万川等分析了 NF-3翼型风洞的二元 实验段设计特点和模型安装方式;薛波等给出了中国空气动力研究与发展中心低速所的翼型风洞的基 本参数,并指出流场品质对翼型实验的重要性遡。本文以空气动力学知识为基础,结合二元翼型风洞的特点和需求,系统性地对二元翼型风洞进行了气 动设计,并对风洞的湍流度品质和压力损失系数进行了计算分析。该风洞具有结构紧凑合理、湍流度低、能量损失小等优点,可满足一般科研和
5、教学实验的需要。收稿日期:2023-03-14基金项目:教育部产学合作协同育人项目(202101224016,202102412020,220603221230153);国家级大学生创新创业 训练项目(202210449006X);山东省大学生创新创业训练项目(S202210449069)第一作者简介:魏德宸(1986-),男,江苏徐州人,讲师,博士,主要从事流体力学和空气动力学研究。E-ma il:w eimo v in g163.c o m18第2期魏德宸,焦园圆吸气式二元翼型风洞的气动设计1风洞总体设计规划1.1风洞设计需求实验段安装的翼型模型宽度为0.1 m,风速范围为220 m/s。
6、航空低速风洞的一般湍流度e=0.2%0.5%,而用作翼型实验的翼型风洞湍流度则应更低,需满足e 0.08%的低湍流指标。1.2风洞类型选择风洞类型选择是风洞设计的前提条件,需要根据实验目的、对象和条件来确定。考虑到翼型风洞对气 流品质的要求较高,选择吸气式设计方案。吸气式风洞利用负压对静止大气吸入加速,气源湍流度显著低 于吹气叶片的吹出气流。考虑到建造成本和空间需要,并且避免风洞洞体出现弯曲结构影响气流品质,选 择直流式方案。考虑到翼型实验的二元特性,在实验段不能采用开口式,选择闭口式方案。因此,风洞的 总体方案采用吸气直流闭口式翼型风洞。2风洞气动设计风洞气动设计是指综合运用空气动力学相关知
7、识,通过前期设计确定风洞方案,实现风洞预期性能指 标,确保风洞具有优良的流场品质,从而高效可靠地完成各种气动实验。风洞气动设计涉及驱动方式、风 洞类型、洞体形式、流场调节装置等多个方面。不同的风洞类型和实验目的对气动设计提出不同的要求和 挑战。根据二元翼型风洞设计需求及技术参数,经过方案可行性论证,确定翼型风洞的气动设计原理如图1 所示。该吸气式二元翼型风洞主要由动力段、扩压段、实验段、收缩段、稳定段、集流段和内部整流结构等 部分组成。2.1实验段气动设计实验段是整个风洞的中心,实验模型安装在此处进行实验,因此以实验段为设计起点进行翼型风洞气 动设计。风洞实验段截面形状通常有圆形、矩形、椭圆形
8、和八角形等,不同的截面形状适用于不同的实验 用途。如圆形截面常用于螺旋桨实验,高宽比在0.500.85的矩形截面常用于飞机整体模型实验。而为 了避免上下壁面对翼型的气流干扰,获得良好的翼型绕流,翼型风洞实验段常采用高宽比35的矩形截 面,因此实验段截面形状选择0.1 mX0.5 m(宽X高)的高窄矩形。为使模型处于实验段的均匀流场中,实验模型的前后都应留有一定距离。可以以实验段截面直径为 参考值选取实验段长度。本实验段为矩形,求解面积相等的当量直径约等于0.25 m;且0.3马赫数以下 的低速实验时,实验段长度一般为1.54.0倍的当量直径。因此,本翼型风洞的长度取为0.8 mo2.2收缩段气
9、动设计风洞收缩段位于实验段的气流上游,此段截面积逐渐减小,从而使气流加速。收缩比是收缩段进口截 面积与出口截面积的比值,是影响风洞气动性能的重要参数之一。风洞收缩比的确定要综合考虑流场品 质、能耗、安装空间等多方面因素。在收缩过程中,主流气流速度随面积减小而增大,而脉动速度基本保持 不变,气流湍流度得到降低,因此提高收缩比可以得到更均匀的流场。但是过大的收缩比会增加压力损失 19 滨州学院学报第39卷和壁面摩擦,导致风洞所消耗的能量过大,同时也增加了建造体积和成本。收缩比的取值范围通常为4 10,由于设计的翼型风洞对气流品质有更高的要求,需要取较大的收缩比,因此收缩比取811 o由2.1节知,
10、当收缩段出口尺寸为0.1 mXO.5 m时,收缩段入口面积为出口面积的8倍,入口截面尺寸确定 为0.5 mXO.8 m(宽X高)。收缩段的长度可取收缩段入口直径的0.5-1.2倍,入口当量直径可计算得 到约等于0.71 m,所以长度取为0.8 m12。风洞收缩段的入口尺寸、出口尺寸和长度确定后,如何得到合适的收缩曲线成为关键问题。收缩曲线 是指风洞收缩段轮廓,不同的收缩曲线会导致不同的气流分布和损失,从而影响实验段的流速均匀性、脉 动程度和静压梯度等参数。因此,选择合适的收缩曲线是风洞设计中的一个关键问题。常用的收缩曲线 主要有维氏曲线、双三次曲线、五次方曲线以及它们的改进形式等。这些曲线都有
11、各自的优缺点,需要根 据风洞的具体要求和条件进行选择。双三次曲线由两条三次曲线连接而成,在直流低速风洞等领域有广 泛的应用。已有研究表明,双三次曲线在后部收缩时主流区顺压梯度更大,因此附面层更薄,气流偏角更 小有利于提高风洞实验段内气流的均匀度、稳定性和质量,因此本次设计的直流翼型风洞选用双三次 曲线。双三次曲线的计算公式DDDiDa1 占(孝),(寻)工”,丄”厶 L7_-_ 口(为了,(为吗(1z”)L L其中:D为收缩曲线轴向各点的高度或宽度,卩、2为收缩起始端和结束端的高度或宽度丄为收缩段总 长,X为收缩曲线各点的轴向长度为两条三次曲线的连接点位置。计算得到的收缩段曲线如图2所示,气流
12、在截面收缩过程中实现稳定加速。收缩段入口收缩段曲线的多向视图2.3稳定段设计风洞稳定段的作用是使气流在进入收缩段前,具有良好的均匀性和平行性,从而保证实验段内气流的 质量。风洞稳定段内设置有蜂窝器和阻尼网,用于消除气流中的湍流,提高气流的稳定性和均匀性。稳定 段内部是等截面洞体,入口和出口的截面尺寸均为0.5 mX0.8 m,当量直径约等于0.71 m。稳定段的长 度可以根据气流下游的收缩段的收缩比数值来确定,当收缩比小于5时,稳定段长度为1.0-1.5倍的稳 定段当量直径;当收缩比大于5时,稳定段长度为0.5-1.0倍的当量直径词。由2.2节可知,本次设计风洞的收缩比为8,稳定段长度可以取为
13、0.5 mo2.3.1稳定段阻尼网阻尼网是一种用于风洞整流的装置,其作用是将气流中的大旋涡转化为小旋涡,从而降低湍流强度,改善流场品质。阻尼网开孔率是指阻尼网开孔面积与总面积之比,开孔率大小影响整 流性能和压力损失。在一定程度上,开孔率越大,整流性能越差,压力损失越小;反之,阻尼网开孔率越小,整流性能越好,压力损失越大。因此,在设计风洞时,需要根据不同的试验目的和要求,合理选择阻尼网开 孔率。对于本次设计翼型风洞,由于风洞低湍流度需求,开孔率应在0.50.6。故选择18目阻尼网,孔 宽度为1 mm,网丝宜径d=0.23 mm,计算可得开孔率为0.59,满足使用要求。多层阻尼网的整流效果要 好于
14、单层小孔径阻尼网,本翼型风洞选择2层阻尼网,由于气流经过阻尼网的细丝时会带来微弱的湍流,因此需要在多层阻尼网间留有一定距离以使湍流充分衰减,考虑到风洞低风速特性,间距选为0.12 m 20 第2期魏德宸,焦园圆吸气式二元翼型风洞的气动设计2.3.2稳定段蜂窝器风洞蜂窝器由多个小孔组成的蜂窝块拼接而成,可将风洞内的气流均匀化,减少 湍流和涡旋,提高流场质量。根据不同的风洞测试需求,风洞蜂窝器分为圆形、方形、六边形等类型。圆形 蜂窝器具有较好的抗弯曲能力和抗压能力,但是空隙率较低,气流阻力较大;方形蜂窝器具有较高的空隙 率和较小的气流阻力,但是易变形和损坏;六边形蜂窝器综合了圆形和方形蜂窝器的优点
15、,具有较高的空 隙率、较小的气流阻力、较好的抗变形能力和耐久性。蜂窝器的当量直径是指与蜂窝器孔相等截面积的圆形管道的直径,当量直径越小,气流越均匀、湍流 度越低,但也会增加压力损失匚迪。本翼型风洞采用20 mm边长的小孔径六边形蜂窝器,当量直径约等于 34.64 mm,可以较好地降低气流湍流度。风洞蜂窝器的一个重要参数是长细比,即蜂窝单元的长度与当 量直径之比。长细比反映了蜂窝器对气流的整流能力和压力损失程度。在一定范围内,长细比越大,整流 能力越强,但压力损失也越大。长细比通常取为510倍的当量直径,因此蜂窝器长度取为0.22 m 2.4集气段设计集气段是吸入式风洞的重要组成部件,作用是在压
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