2022年低速风洞课程设计 .pdf

1 2015/2016 学年第一学期低速风洞设计课程名称：工程流体力学课程设计班级：新能源 1312 小组成员：指导教师：郭群超老师名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -2 目录一课程设计目的.3 二完成设计任务条件.3 三、完成的任务.3 四、具体设计.3 4.1 实验段.4 4.2 收缩段.5 4.3 稳定段.6 4.4 扩压段.7 4.5 其他部件设计.10 五能量比.11 六需用功率.15 七心得体会.15 八参考文献.16 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -3 一、课程设计目的综合运用在流体力学实验技术和其它课程中所学习的知识，完成简化了的低速风洞气动特性设计项目，达到培养和提高独立完成设计工作的能力。二、完成设计任务的条件（1）风洞试验段要求：闭口（2）实验段进口截面形状：矩形（3）实验段进口截面尺寸：2.5mX3.0m（4）试验段进口截面最大风速：100m/s（5）收缩段的收缩比：7 三、完成的任务（1）低速风洞设计图纸绘制（2）设计说明书：我们组设计的是小型低速风洞（3）风洞设计、研制与实验技术研究方面的综述报告四、具体设计名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -4 4.1 实验段为了使模型处于实验段的均匀流场之中，模型头部至实验段入口应保持一定的距离，以1l表示。1l的大小视实验段入口流场的均匀程度而定。如实验段直径为0D，则1l大致为 0.250.500D。因为后面我们会采用较多层的紊流网，故此处不用取得太大，选择100.35lD。模型的长度为2l表示，大约在 0.751.250D 之间，各类飞机的模型是不相同的。为了使风洞尽量满足一洞多用，取2l足够长选择201.25lD。模型尾部至扩压段进口也应保持一定距离，以3l表示，一方面是保证模型的尾流不过多影响扩压段的工作效率，另一方面也不使扩压段的流动影响模型尾部。这个距离大约为0.751.250D。选择300.8lD12302.46.55LlllDm，满足统计数据中，主要名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 16 页 -5 实验低速飞机02.0 2.5LD的情况。其中0D 为水力直径。且 S为矩形的面积,C为矩形的周长。04SDC由于本组的风洞实验段截面为矩形形状，而对于矩形实验段，可以采用的一种解决附面层影响的方法就是沿轴线逐渐减小切面的截角。此处我们参考 NH-2风洞模型。这样做使位流截面保持不变，可以消除纵向静压梯度。4.2 收缩段任务要求收缩比为7（即进口面积与出口面积之比）收缩段长度一般可采用进口直径的0.51.0倍。因为收缩比越大，长度与进口直径的比值越小。这样能减短扩压段长度，减少资金耗费。因为收缩比为7 较大，选择收缩段长度为0.6 倍进口直径00.674.3LDm名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -6 收缩段的在接近出口部分曲线应该比较平缓，以利于稳定气流。进口处的曲线应与稳定段保持连续。因为任务要求为矩形，选择在收缩段四角做成圆弧，防止气流分离。其收缩曲线方程如下：公式中的 a=中收缩段的长度L。222222321231111RRxaRRxa4.3 稳定段对于小收缩比的风洞，如收缩比小于5，稳定段长度为直径的1.01.5倍；对于大收缩比风洞，如收缩比大于5，则长度为直径的 0.51.0倍。稳定段长度引起的损失只占风洞总损失很小的一部分，所以经常使稳定段长度长一些，用以协调动力段和回流段的长度要求。又因为目前收缩比较大的风洞一般为710，参考大收缩比风洞稳定段长度，综合选定其长度为直径的0.8倍。00.875.8LDm蜂窝器的选择：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，形状如同蜂窝，故名蜂窝器蜂窝器的作用在于导直气流，使其平行于风洞轴线，把气流中的大尺寸漩涡分割成小尺寸涡，因而有利于加快漩涡的衰减。方形格子加工方便，最为常见，故设计中选用方形格子。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 16 页 -7 5 10;5 30L MMcm。L、M分别为蜂窝器的蜂窝长度和口径。长度L越大，整流效果越好，但损失增加。M值越小，蜂窝器对降低紊流度的效果越显著。这里选择6L M。因为风洞不小，所以尽量使L长一些，同时又要兼顾不能使得M过大，所以取15Mcm、90Lcm。当6L M时，圆形蜂窝格子的损失系数为0.30；方形蜂窝格子的损失系数为0.22；六角形蜂窝格子的损失系数为0.20.可见虽然六角形蜂窝格子最好，但施工较为复杂。因方形蜂窝格子与其损失系数相近而又加工方便，选用方形格子。紊流网的选择：纱网作用是降低气流的紊流度，故又名紊流网，它同蜂窝器均可以将较大漩涡分割成小漩涡，以利于衰减；还可以使气流速度分布更趋均匀紊流网的设计主要包括网的层数和网的粗细选择。网越细，层数越多，整流效果越好。设计中，最常用的网的层数为23 层；粗细最常用为 2430目/英寸。我们选用4 网，30 目/英寸，两层网间距 25cm 4.4 扩压段名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 16 页 -8 入口面积1D，出口面积2D。综合考虑整个风洞的设计长度，取121 1.5D D。因为设计任务为中型风洞，在 0.006 左右。在tan24.8的情况下，其最佳扩散角为4 5，但从综合角度考虑，这个幅值小一些，宜采用6左右。所以我们取32因为实验段为矩形截面，而我们设计的扩压段及后面的拐角 1、2 和回流段都为圆形的。所以这里，我们需要采用一个过渡段，使矩形截面过渡为圆形。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -9 通过1211.5D D和32我们可以求得扩压段的长度14Lm，因为采用过渡段，其长度要能使其能够加工，也不能过长，所以选择为6 米，扩压段有部分包含在过渡段中。回流段：我们设计的在风扇系统后至第三拐角的回流段仍采用扩张管道，因而也为扩压段。采用扩压段的原因为：一是为了继续把动能转变为压力能，减小气流损失，尤其是经过拐角和整流装置的损失；二是增加管道面积，以得到比较大的收缩比。回流段的平均速度已经比较低了，因而损失不会大，为了缩短风洞的总长度采用较大的扩散角，8 9。与扩压段相同，回流段中还需要设置一个过渡段让圆形截面再过渡到矩形截面，这里其长度取为8 米。拐角及导流片：气流经过拐角时很容易发生分离，出现很多旋窝，因而使流动不均匀或发生脉动。因而在拐角处设置拐角导流片，防止分离和改善流动。这里，为单回流风洞，在拐角处每排导流片数量一般为1020个，但为了使导流效果明显，选择 24 个导流片增强效果。导流片的弦长为C，间距为1D。参考低速风洞设计表2-2各种导流片的性能，采用最佳间距比10.4DC，其损失系数为 0.11，并采用翼剖面型。虽然翼剖面型加工困难，但强度好。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -10 同时这种导流片有一定厚度，内部可以通过冷却液，大中型风洞拐角处一般都采用翼剖面型。拐角处圆弧半径按0.1D来计算，另外导流片的弦长取2tD，同时由于10.4DC，可以求得为 24 个导流片。因为此次设计的为低速风洞，拐角1、2 和拐角 3、4 的风速都比较小，虽然损失系数随导流片增多而增加，也不会太大。所以不需要取拐角 1、2 的导流片布置的比拐角3、4 的稀。4.5 其他部件设计a)调压孔/调压缝a)为了使实验段的静压等于风洞外的环境压力，常在实验段与扩压段之间开一个调压缝，或在扩压段进口处开一排调压孔。这里我们采用调压缝，其宽度约为实验段直径的5%上下。b)并且，设计成可调节形式，风洞建成后通过实验调整再确定。b)风扇设计1.在风洞管道中，风扇系统应位于流速比较高而且流动又比较均匀的部位。2.我们设计的为回路风洞，将风扇安装在第二拐角之后。因为，此处直径不是很大，因而流速比较高。同时，因为经过了第二个拐角导流片，所以气流也名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -11 比较均匀。还能满足有足够的长度来安装风扇整流系统。3.风扇管道长度因尾罩具有相当的长度而一般比较长，其长度一般为直径的2.5 倍或者更长一些。我们这里选择4.2.510LDm五能量比能量比定义为：实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。注明：在求雷诺数时，采用公式RevDvD，其中521.460710/ms实验段损失：对实验段来说，损失系数就是当量损失系数。因而有00LKD，其中0D为水力直径。可以求得实验段的雷诺数7Re1.8710vD此时，雷诺数比较小，因而附面层比较厚，实验段可以认为是光滑管，摩擦损失系数仅与雷诺数有关，而与粗糙度无关。通过公式求得：0.2370.00320.221 Re0.00738所以，可以求得名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -12 000.007386.55/2.730.0177LKD扩压段损失：气流经过扩压段的损失公式为：4平均120.6 tan128 tan2DKD由于损失系数 K的参考动压为扩压段入口的值，即为实验段动压，所以有4平均1020.6 tan128 tan2DKKD其中平均根据扩压段中间剖面上的雷诺数求得。扩压段中间剖面的速度为：22112.7310064/3.4Dvvm sD所以7Re1.49510vD0.2370.00320.221 Re0.0076进而求得4平均1020.6 tan10.039828 tan2DKKD回流段损失：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 16 页 -13 回流段也有扩散角，实际上也是一个扩压段，所以其损失系数的计算公式为：242平均01001210.6 tan10.0234628 tan2FDFKKFDF拐角损失：因为这里设计的风洞并非大型风洞，采用经验公式近似计算，公式为：2002.584.550.10lg ReFKF，其中F为拐角时风洞截面积第一、二拐角速度为221122.7310044.4/4.1DvvmsD所以6Re1.75410vD2002.584.550.100.02759lg ReFKF第三、四拐角速度为221124.144.414.4/7.2DvvmsD名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 16 页 -14 所以6Re0.10010vD2002.584.550.100.0035lg ReFKF蜂窝器损失：因为我们选用的蜂窝器长径比为6L M，所以对应的方形蜂窝格子的损失系数0.22K。其当量损失系数：200FKKF，其中F为稳定段截面所以00.00449K紊流网损失：我们可以求得稳定段的速度：221124.144.414.4/7.2DvvmsD因为其速度大于9 米/秒，气流流经紊流网的损失可以按21K计算，其中21dl这里为了让整流效果较好，采用了4 层紊流网，所以其损失系数较大00.0614K收缩段损失：由于任务中只给出收缩段的收缩比为7，并没有给定其他数据。参考低速风洞设计表2-4典型风洞各部件损失及能量比。我们预估其收缩段的损失系数00.007K名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 16 页 -15 总损失：00.2160K所以风洞能量比风洞4.63六需用功率风洞所需功率：3总00电机风扇风扇1111=2Nv F根据设计书要求：电机效率d=90%、机械效率j=85%、风扇效率f=80%，所以3总00电机风扇风扇361111=21111 =1.2251007.590%80%4.632 =1.3810Nv FW七心得体会低速风洞的设计充满了挑战与学习，小组通过最初的讨论及确定方向一起努力合作，克服每一个困难，分配相关任务做到每人都能参与并贡献自己的力量，在做的过程中发现平时所学需要灵活运用，而且巩固了所学的知识，在这过程中发现各个部分的设计需要仔细揣摩把握有些难度，公式也难理解并准确运用，但通过我们不畏困难的精神还是努力克服了。真正学到可以受用一生的知识，也深刻体会到一个人的力量是有限的，团结才是力量，齐心协力才能发做好事，同时非常感谢老师的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 16 页 -16 悉心指导与帮助。八参考文献1.风洞设计原理、2.低速风洞实验：查找风洞实验技术相关文献资料。3.百度相关资源名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 16 页 -