【文章內(nèi)容簡介】 58 表 圖 對于本文的研究，空氣密度 3/ mKg?? ,大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，試驗風(fēng)速v=60m∕s,模型特征長度 L=920mm,空氣粘度 25 /10 1 .7 8 9 4u msN ??? ,則對應(yīng)的雷諾數(shù)為： 653 ??? ?????? ? ? ?? （ ） 本章小結(jié) 本章主要介紹了風(fēng)洞實驗的類型及其設(shè)備，風(fēng)洞實驗的準(zhǔn)則與規(guī)范，汽車風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?。為以后的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。 11 第 3 章 1： 5 小型汽車 風(fēng)洞設(shè)計 風(fēng)洞的類型結(jié)構(gòu)確定 類型結(jié)構(gòu)確定 本文主要對汽車風(fēng)洞實驗室結(jié)構(gòu)進行設(shè)計， 經(jīng)過前面的介紹及其對比，本課題 采用 1： 5 模型結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)形式采用單回流閉式風(fēng)洞實驗室。 采用該結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞其特點比較優(yōu)越。 布局如圖 （ ）所示： 圖 風(fēng)洞的各部件 下面對風(fēng)洞的各個部件進行介紹： （ 1） 試驗段。風(fēng)洞中進行模型試驗的部件，是整個風(fēng)洞的中心； （ 2） 擴壓段，又稱擴散段。是把氣流 的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以減小風(fēng)洞的損失； （ 3） 拐角。共四個拐角，擴壓段后為第一個拐角，依次是二、三、四拐角； （ 4） 拐角導(dǎo)流片。為了保證氣流經(jīng)過拐角時改變流動方向而不出現(xiàn)分離，四個拐角都必須安置拐角導(dǎo)流片； （ 5） 風(fēng)扇； （ 6） 電機。電機一般裝在整流罩內(nèi)，但是也可以裝在風(fēng)洞外，用長軸傳入而帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)； （ 7） 整流罩。使風(fēng)扇前后保持流線型，改善氣流的性能，尤其是防止分離； （ 8） 迴路段。把空氣導(dǎo)回到試驗段上游的管道； （ 9） 穩(wěn)定段。使氣流保持均勻的穩(wěn)定的管道。內(nèi)裝蜂窩器整流設(shè)備； （ 10） 蜂窩器。主要對氣流起導(dǎo)直的作用； （ 11） 收縮段。使氣流均勻加速的收縮管道； 對汽車風(fēng)洞性能的基本要求： 12 （ 1） 氣流的主流品質(zhì) 要求縱、側(cè)向速度的均勻性、紊流度和尺寸要模擬真實道路狀況。 （ 2） 限制試驗段洞壁對流場的干擾 為了限制洞壁的干擾影響，美國汽車工程師協(xié)會制訂了“汽車風(fēng)洞試驗準(zhǔn)則規(guī)范”。 （ 3） 實驗雷諾數(shù)與實際雷諾數(shù)相似。 （ 4） 試驗?zāi)Ｐ团c實車的幾何形狀相似。 風(fēng)洞試驗段幾何參數(shù)的確定 試驗段設(shè)計的基本要求 （ 1） 試驗段的氣流品質(zhì)要達(dá)到要求。最基本的是氣流必須是均勻的穩(wěn)定的。 （ 2） 試驗段的口徑與截面形狀。試驗段的口 徑對圓截面是指它的直徑，對非圓截面是指其截面特征長度。但是在滿足試驗要求的前提下，口徑應(yīng)盡量小。 （ 3） 試驗段風(fēng)速。對風(fēng)速的要求主要來自雷諾數(shù)。風(fēng)速大一些，風(fēng)扇的效率比較高，風(fēng)洞的能量比也高。但是驅(qū)動功率是與風(fēng)速的三次方成比例。 （ 4） 裝卸模型方便。 （ 5） 安裝有關(guān)設(shè)備方便。 （ 6） 試驗段必須安裝門窗，一方面是為了實驗人員和模型的出入；另一方面是為了觀測和攝像等。在可能的情況下，門窗盡量大些。 試驗段截面氣動外形的選擇 對于汽車實驗風(fēng)洞，選擇試驗段截面氣動外形的原則是：在滿足 試驗要求的前提下，采用最小的截面面積，以減小風(fēng)機驅(qū)動功率；在給定截面積的情況下，其截面特性應(yīng)盡可能有利于復(fù)現(xiàn)汽車模型的繞流特性，以使風(fēng)洞的洞壁干擾降至最低。以下是可供選擇的風(fēng)洞試驗段截面形狀，如圖 所示。截面 A 是航空風(fēng)洞常用的截面外形，為對稱的切角矩形；截面 B 為半圓形；截面 C 為非對稱切角矩形。后者是參照汽車截面的輪廓線按照比例放大的，其截面面積與截面 B 的截面面積相等。這三種截面形狀中， B、 C 兩種截面形狀較適宜汽車風(fēng)洞實驗。 圖 試驗段的截面形狀 13 試驗段幾何參數(shù)的確定 （ 1） 截面的高寬比 考慮到實壁邊界對汽車模型試驗的影響，以 Br/Hr=1/3 作為實壁試驗段中參數(shù)選擇的依據(jù)（ Br=BL/B0,BL 為垂直風(fēng)洞中心線測得的模型水平方向的最大寬度， B0為試驗段兩側(cè)壁間距； Hr=HL/H0， HL 為模型最高點距地板的距離， H0 為地板與風(fēng)洞頂壁間的距離，如圖 所示） 圖 試驗段的截面尺寸 （ 2） 試驗段長度 進行汽 車風(fēng)洞實驗時，要將試驗?zāi)Ｐ椭糜趯嶒灥匕迳?，該地板的長度除了能容納模型及其前方的流動均勻流場外，還應(yīng)留出邊界層控制裝置所需要的長度。此外，在模型的下游，還要留有足夠的長度，使氣流在進入擴散段前，其尾流獲得充分的發(fā)展。這樣對提高風(fēng)洞運轉(zhuǎn)效率有利。一般地板的長度為模型長度的 5～ 7 倍，寬度至少為模型寬度的 2 倍。 （ 3） 非對稱切角尺寸 汽車實驗風(fēng)洞多采用沿軸向呈線性變化的切角填塊來消除洞壁邊界層位移厚度對流場軸向壓力梯度的影響。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調(diào)節(jié)的，以便在 流場校測中，根據(jù)不同的實驗條件與要求來調(diào)節(jié)高度，直到獲得滿意的靜壓分布為止。 （ 4） 實驗地板在試驗段中的垂直位置 選擇實驗地板在試驗段中的垂直位置的原則是：有用實驗截面面積應(yīng)盡可能大，以減弱頂壁的干擾；地板下部流動阻力應(yīng)減至最小，以防止地板前緣流線彎曲；保證不同縮尺比例的模型均可置于試驗段中心區(qū)進行試驗。 所以根據(jù)第 （ ）、（ ） 章節(jié)，就可以確定試驗段的幾何參數(shù)。已知試驗車長L=4600mm,寬 B=1800mm，高 H=1475mm，比例尺寸 1： 5，所以則有模型尺寸長L1=920mm，寬 B1=360mm，高 H1=295mm。 14 根據(jù) Br/Hr=1/3， Br=BL/B0， Hr=HL/H0 得： 31295360//B 000 000 ?????? BHHB HBHH BBH LLLLrr () 所以有： 59216HB00 ? （ ） 一般地：地板長度應(yīng)為模型長度的 5～ 7 倍；寬度至少為模型寬度的 2 倍。所以取 地板長度為模型長度的 5 倍，寬度為模型寬度的 5 倍。所以有： mm1 8 0 03 6 055BB 10 ???? ； mmB 49218002165921659H00 ????； （ ） mm4 6 0 09 2 055L1 1 ???? ； 擴壓段 擴壓段也稱擴壓器或擴散段。擴壓段的作用是把氣流的動能變成壓力能。在沒有分離的情況下，氣流在擴壓段的損失主要有兩種，一是摩擦損失。另一種是擴壓損失，但 本質(zhì)是摩擦損失。 設(shè)擴壓段的入口截面積的參數(shù)為 P1,V1,D1,出口截面的參數(shù)為 P2,V2,D2。擴壓段的幾何特性如圖 所示： 圖 擴壓段入口 截面參數(shù) 流經(jīng)擴壓段的總損失為： sf ppp ????? () 摩擦損失為： 15 ???????????????????42121 128121DDatgmkNp f 平均 () 擴壓損失為： ????????????????????42121 12 0 . 621 DDatgvP ?? () 所以總的損失為： ????????????????????????????????42121 2821PDDatgatgv?? 平均 () 壓力損失系數(shù)為： ???????????????????????????????421128K DDatgatg? 平均 () 從以上公式可知，當(dāng)擴散比一定時，隨擴散角 a 的增大，擴壓損失增加而摩擦損失減少?？倱p失先減小后增大（如圖 ）所示：有一個最小值。即最佳擴散角： ??atg （ ） 圖 擴壓段損失系數(shù) （ 2/1/ 21 ?DD ） 影響擴壓效率的主要因素是擴散角。管道的截面形狀、擴散比以及壁面粗糙度等 16 也有影響。如果擴散角過大，雖然可以縮短擴壓段長度，但在洞壁上容易發(fā)生氣流分離，造成很大的氣流損失，不僅使擴壓效率降低，而且會影響氣流品質(zhì)。但是擴散角又不能過小，小了會使整個風(fēng)洞的造價提高。所以要選擇適當(dāng)?shù)臄U散角。 拐角及其拐角導(dǎo)流 片 在回流風(fēng)洞中，氣流沿洞體循環(huán)一次轉(zhuǎn) 360，在單回流風(fēng)洞中，氣流需要通過四個 90 拐角。在有些高壓的環(huán)形回路風(fēng)洞中，氣流通過二個 180 的拐角。 拐角是風(fēng)洞的一個重要部件。氣流在四個拐角的全部損失可以占風(fēng)洞總損失的40～ 60﹪。氣流經(jīng)過拐角是容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多漩渦，因而使流動不均勻或發(fā)生脈動。因此必須裝拐角導(dǎo)流片，目的是防止分離和改善流動。 沿風(fēng)洞轉(zhuǎn)角對稱線上布置一排垂直的導(dǎo)流片，稱為拐角導(dǎo)流片，是減少損失的一個很有效的措施。加導(dǎo)流片后，相當(dāng)于保持當(dāng)?shù)氐霓D(zhuǎn)彎半徑 R，以及風(fēng)洞高度 W 不變，從而大大 的減少流動的寬度 D。從物理意義上看，加導(dǎo)流片后，氣流轉(zhuǎn)彎的離心力作用于導(dǎo)流片上，避免了氣流的壓力增加，同時也是流動更加順暢。 單回流風(fēng)洞的每個 90 拐角都必須設(shè)置拐角導(dǎo)流片，每排導(dǎo)流片的數(shù)量為 10～20 個，有時多至 40 個左右，導(dǎo)流片之間的相互位置應(yīng)保持以下的關(guān)系：設(shè)導(dǎo)流片的弦長為 C，間距為 D1。 D1/C 值常在 ～ 之間。 W/D1 值大于 6。 下圖為導(dǎo)流片改善流動狀態(tài)的情況如圖 所示： （ a）沒有導(dǎo)流片 （ b） 有導(dǎo)流片 圖 拐角流動的速度分布 下圖為導(dǎo)流片的剖面形狀及其導(dǎo)流片的性能如圖 、表 所示： （ a） 圓弧型 （ b） 圓弧帶直線型 （ c）翼剖面型 圖 導(dǎo)流片的剖面形狀 表 各種導(dǎo)流片的性能 17 剖面形狀 最佳間距比 （ CD ） 損失系數(shù) K Re（ C 為特征長度） 圓弧型 左右 40000 左右 圓弧帶直線型 左右 40000 左右 翼剖面型 左右 40000 左右 此外，在選擇導(dǎo)流片時，要根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的導(dǎo)流片。 迴流段 在風(fēng)洞管道中，風(fēng)扇系統(tǒng)后至第三拐角和第一二拐角之間的迴流段，經(jīng)常仍采用擴張管道，因此也是一個擴壓段。之所以要繼續(xù)擴張：一是為了繼續(xù)把動能轉(zhuǎn)變成壓力能，減少氣流損失 ，尤其是經(jīng)過拐角和整流裝置的損失；而是增加管道面積，以得到比較大的收縮比。迴流段的平均速度比較低了，因而損失不會大，若為了縮短風(fēng)洞的總長度，可以采用比較大的擴散角，如 a=8～ 9。但是也可以采用 6 的擴散角，以減少氣流分離的可能性。 穩(wěn)定段及整流裝置 穩(wěn)定段又稱安定段。整流裝置為蜂窩器，目的是使氣流均勻或降低紊流度，所以為整流裝置。收縮段的設(shè)計，以均勻來流為前提。如果來流不均勻，則收縮段出口的氣流也是不均勻的，紊流度也比較高，甚至可能存在大的漩渦。因此，氣流進入收縮段之