实验流体力学4.风洞.ppt
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《桥梁风工程》之——风洞试验技术主要内容简介第一章风洞试验的理论基础——相似性(概述、相似性基本要求、无量纲参数的来源、基本缩尺考虑)1.1 概述理论流体力学——物理实验——数值模拟(风工程研究的“三大手段”);桥梁、建筑结构在结构设计方面,只要求结构在风荷载作用下具有足够的强度、刚度和稳定性即可,即确保桥梁结构、建筑结构的安全性、舒适性和耐久性即可;(这区别于航空器的设计——力求其周围运动空气对其的阻力最小),主要关注绕尖角的流动和分离流动,因此,称为“钝体空气动力学”。
个别建筑、桥梁已开展了实际结构的实测。
Fig.1 Research methods of Wind Engineering of Bluff Body1932年,Flachsbart O.“建筑物气动特性的模拟应当在具有与自然风相似的风洞气流中进行”。
几何缩尺——经济性和方便性由于缩尺几何引出了物理相似的一系列问题,相似性准则是风洞试验的理论基础。
应该说明的是,由于模型的几何缩尺,导致部分物理现象不能准确反映,如雷诺数效应。
因此,在实际设计模型试验时,需要进行一系列权衡,确保主要问题能模拟即可。
(科学与艺术结合!)1.2 模型相似性在分析一切物理问题,特别是需要通过实验进行研究的问题时,通常需要确定一组无量纲的控制参数。
该组无量纲参数通常是根据描述所研究物理系统的偏微分方程得到的,用一个具有对应量纲的参考值遍除所有关键变量,使之无量纲化,于是得到大量的无量纲组合参数,它们就是控制系统的物理特性的因子。
如果这些控制参数组从一种情况(原型物)到另一种情况(模型)保持不变,则自然保证了相似性。
具体风洞试验相似性无量纲参数推导见下。
假设一个物体浸在流动的流体中,在物体上某处形成的作用力F 只是下列六个参数的函数:即密度ρ、流速V 、某个特征尺寸D 、某个频率n 、流体粘性系数μ和重力加速度g 。
即ξεδγβαμρg n D V F d= (1)式中:ξεδγβα,,,,,为待定指数。
什么是风洞风洞一般称之为风洞试验。
简单地讲,就是依据运动的相对性原理,将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,以此模拟空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据。
这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。
简单的说,风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。
至于我们国家的风洞为什么会选择建在大山深处,那是历史原因造成的。
发达国家如何发展空气动力学空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。
世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视,不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。
美国早在80年代中期出台的震撼全球的超级跨世纪工程——“星球大战”计划中,就曾把作为基础学科的空气动力学放在非常突出的重要位置上。
的确,如果不先在空气动力学上获得重大突破,这个将耗资1万亿美元的超级工程,很多关键技术将无法解决。
紧接着在1985年发表的“美国航空航天2000年”中,也把空气动力学列为需要解决的七个问题中的第一个。
而剩下的六个问题中还有四个与空气动力学有关。
这使美国花费巨额投资研制了每秒20亿次的超级计算机专门为空气动力学研究服务。
前苏联在“十月革命”胜利后的第二年,列宁就下令组建了国家空气动力研究机构——中央流体动力研究院,并任命“俄罗斯航空之父”茹可夫斯基担任院长,这一决策为前苏联成为世界上另一个航天大国奠定了坚实的基础。
二次大战之前,斯大林曾下令建造了世界上第一座可用于进行整架飞机试验的全尺寸风洞。
与美国相比,前苏联在空气动力学的整体水平上毫不逊色,甚至在许多方面都领先于美国,它在航空航天领域取得的一系列成就足以说明这一点。
英、法两国在二次大战前均为名列前茅的老牌航空先进国家,然而战后他们突然发现自己比美、苏等国落后了一截,于是两国重振旗鼓、奋起直追。
在战后第二年,法国政府便决定把因战争和被占领分散到全国各地的研究机构组织到一起,组建了国家空气动力研究机构,并在阿尔卑斯山腹地开始创建莫当试验中心,堪称世界一流的大功率空气动力试验风洞设备。