xnjd 风洞实验室你了解多少?中国有几个?

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发布时间: 2020-12-13 11:47:43
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  虽然现在有CFD技术,但是CFD计算的许多参数,都需要通过风洞试验来确定!

  在学术界,风洞被喻为“飞行器的摇篮”,流传着“有什么样的风洞,才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。

  一、何为风洞

  风洞,wind tunnel,即风洞实验室,是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备,它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

  二、风洞何用

  它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,随着工业空气动力学的发展,在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法,流动条件容易控制。实验时,常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风,通过测控仪器和设备取得实验数据。

  三、风洞构造

  风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成,各部分的形式因风洞类型而不同。

  洞体是一个能对模型进行必要测量和观察的实验段。它的上游是收缩段或喷管,具有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速作用。实验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排出段或导回到风洞入口的回流段。有时为了降低风洞内外的噪声,在稳定段和排气口等处装有消声器。

  驱动系统共有两类:一类是由可控电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成。另一类是用小功率的压气机事先将空气增压贮存在贮气罐中,或用真空泵把与风洞出口管道相连的真空罐抽真空,实验时快速开启阀门,使高压空气直接或通过引射器进入洞体或由真空罐将空气吸入洞体,因而有吹气、引射、吸气以及它们相互组合的各种形式。

  测量控制系统,控制各种阀门、活动部件、模型状态和仪器仪表,并通过天平、压力和温度等传感器,测量气流参量、模型状态和有关的物理量。

  四、风洞试验要求

  做风洞试验,首先要满足相似律的要求。因为风洞尺寸和动力的限制,在一个风洞中不可能模拟所有的相似参数,通常需求选择一些影响最大的相似参数进行模拟。

  五、风洞分类

  这里按照气流速度分:

  1、低速风洞

  应用领域:航空航天飞行器起飞着陆阶段的空气动力性能;水中兵器的流体动力性能;汽车、列车的空气动力性能;风力机械的空气动力特性;单体或群体建筑构筑物在风场中的受力状态及其对风载的响应特性;桥梁的风载状态和风振规律等等。

  2、高速风洞

  气流马赫数为0.4~4.5的风洞。按马赫数范围划分,高速风洞可分为亚声速风洞、跨声速风洞和超声速风洞。

  2.1、亚声速风洞

  风洞的马赫数为0.4~0.7。结构形式和工作原理同低速风洞相仿,只是运转所需的功率比低速风洞大一些。

  2.2、跨声速风洞

  马赫数为0.5~1.3。第一座跨声速风洞是美国航空咨询委员会在1947年建成的。它是一座开闭比为12.5%、实验段直径为 308.4毫米的开缝壁风洞。此后跨声速风洞发展很快,到50年代就已建设了一大批实验段口径大于1米的模型实验风洞。

  2.3、超声速风洞

  洞内气流马赫数为1.5~4.5的风洞。风洞中气流在进入实验段前经过一个拉瓦尔管而达到超声速。第一座超声速风洞是普朗特于1905年在德国格丁根建造的,实验马数可达到1.5。

  3、高超声速风洞

  马赫数大于 5的超声速风洞。主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。主要有常规高超声速风洞、低密度风洞、激波风洞、热冲风洞等形式。

  3.1、常规高超声速风洞

  它是在超声速风洞的基础上发展起来的。常规高超声速风洞的运行原理与超声速风洞相似,主要差别在于前者须给气体加热。

  3.2、低密度风洞

  形成稀薄气体流动的高超声速风洞。它为研制航天器提供高空飞行的气动环境,也是研究稀薄气体动力学的实验工具。主要模拟克努曾数、马赫数、物面平均温度和滞止温度之比等参数,以及高温低压下的真实气体效应。

  3.3、激波风洞

  利用激波压缩实验气体,再用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。激波风洞的实验时间短,通常以毫秒计。它的发展与中、远程导弹和航天器的发展密切相关。它由一个激波管和连接在它后面的喷管等风洞主要部件组成。在激波管和喷管之间用膜片隔开,喷管后面被抽成真空。

  3.4、热冲风洞

  利用电弧脉冲放电定容地加热和压缩实验气体,产生高超声速气流的风洞。热冲风洞的实验气流是准定常流动,实验时间约20~200毫秒;实验过程中弧室气体压力和温度取决于实验条件和时间,与高超声速风洞和激波风洞相比大约要低10~50%。所以要瞬时、同步地测量实验过程中实验段的气流参量和模型上的气动力特性,并采用一套专门的数据处理技术。

  除上述风洞外,高超声速风洞还有氮气风洞、氦气风洞、炮风洞、长冲风洞、气体活塞风洞、膨胀风洞和高超声速路德维格管风洞等。

  六、我国的著名风洞

  其实,在国内,不少大学和研究院有自己的风洞实验室。但是由于风洞实验室是一种战略实验室,许多风洞实验室是带密级的。这里介绍公开的几个大型风洞实验室。

  6.1、中国空气动力发展与研究中心

  位于川西山区,装备有亚洲最大风洞群,累计完成风洞试验50馀万次,先后建成低速风洞和亚、跨、超和高超声速风洞52座,拥有8座“世界级”风洞设备。歼10战斗机、“神舟”飞船、磁悬浮列车等都在这里进行风洞试验。

  6.2、西南交通大学XNJD-3风洞

  2008年,作为西南交大十五、211重点建设项目,XNJD-3风洞建成,大大促进了西南交大风工程学科及土木工程学科的发展。XNJD-3风洞是目前世界最大的边界层风洞,试验段尺寸为22.5m×4.5m×36m,断面尺寸位居世界第一,风速范围为1.0~16.5m/s,主要技术指标均已达到世界先进水平。

  6.3、吉林风洞实验室

  吉林大学汽车风洞实验室是国内首家汽车风洞实验室,隶属于吉林大学汽车工程学院汽车空气动力学研究所。汽车风洞实验室筹建于1999年,2002年开工建设,实验室大楼于2003年完工投入使用。该实验室是目前国内唯一一个定位于进行专业汽车空气动力学试验研究的风洞实验室。

  6.4、汕头大学风洞试验室

  汕头大学风洞试验室是广东省普通高等学校唯一的建筑工业风洞实验室,于 1996 年 11 月通过由结构风工程领域著名院士和教授组成的专家组的正式验收。风洞主试验段宽 3 米 、高 2 米 、长 20 米 ,最高风速达 45 米 / 秒。实验室配备有当前先进水平的测试设备,是国内同类风洞中最早使用进口高速电子扫描阀和进口高频底座天平等仪器的研究单位之一。

  6.5、北京交通大学风洞实验室

  北京交通大学风洞实验室为双试验段回流式闭口风洞,具有先进的电子压力测量系统、控制系统和结构测振系统,隶属于国家级“985工程”优势学科创新平台。可用于建筑物、桥梁测压和风环境试验,以及其它工业空气动力学试验。风洞洞体平面尺寸为41.0m×18.8m,2010年年底正式投入使用。高速试验段尺寸为:3.0m× 2.0m× 15.0m,低速试验段尺寸为5.2m×2.5m×14.0m。高速试验段最大试验风速为40m/s。

  6.6、中国建筑科学研究院实验室

  风洞试验室建筑面积4665平米,拥有目前国内建筑工程规模最大、设备最先进的下吹式双试验段边界层风洞,风洞全长96.5m,高速试验段尺寸为4m×3m×22m,最高风速30m/s;低速段尺寸为6m×3.5m×21m,最高风速18m/s。拥有1280点同步电子扫描阀、多点激光测振仪、高频天平等先进的测试设备,可进行结构抗风和风环境的风洞试验、CFD数值模拟、风振分析等研究和咨询工作。

  6.7、大连理工大学风洞实验室

  建成于2006年4月,是一座全钢结构单回流闭口式边界层风洞,采用全自动化的测量控制系统。风洞气动轮廓长43.8 m,宽13.1 m,最大高度为6.18m;试验段长18m,横断面宽3m,高2.5m,空风洞最大设计风速50m/s,适用于桥梁与建筑结构等抗风试验研究。

  6.8、湖南大学风洞实验室

  拥有国内先进的大型边界层风洞实验室,风洞试验室占地2000m2,建筑面积3200 m2。该风洞气动轮廓全长53m、宽18 m,为低速、单回流、并列双试验段的中型边界层风洞,其试验速度相对较高的试验段长17 m,模型试验区横截面宽3 m、高2.5 m,试验段风速0~60 m /s连续可调。

  6.9、石家庄铁道大学风洞实验室

  在同等规模的边界层风洞中,功能全面,特色鲜明。低速试验段最大风速达到30.0米/秒,高速试验段最大风速达到80.0米/秒,假如这么大风速的风是从下往上吹的,可以让四个叠加起来的人在空中飘浮。“风洞”还引进了中科院的研究所研制的精确模拟降雨系统,可以模拟从毛毛雨到大暴雨的各级雨强的降雨。还可以进行风雪试验、污染扩散等风洞试验。

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