下载文档原格式
上海大学硕士学位论文可调低湍流度的低速风洞设计及低雷诺数下微型飞行器机翼绕流控制的数值模拟姓名：李强申请学位级别：硕士专业：流体力学指导教师：翁培奋;丁珏20060701同一个来源一翼型的拍扑；也不同于旋翼，因拍扑翼是一种三维运动，远远要比旋翼复杂。
由于要实现拍扑十分困难，不论大型还是微型的，目前为止，没有持续的飞行成功的扑翼式飞行器（目前，ｃａｌＴｅｃｈ所设计的扑翼式微型飞行器仅能飞行约４０秒）。
这种飞行器的设计采用仿生学原理，仿效了自然界中很多对象的飞行，如各类虫、鸟等都是利用它们翅膀做拍扑运动的同时产生推力和升力。
如图１．２中左图所示，图中给出的是爱普生公司研制的飞行机器人模型ｉＦＲ－ＩＩ。
这款机器人具有蓝牙无线控制独立飞行功能和“全球最小及最轻的陀螺仪传感器”，另外该机器人还带有一个可以捕获和将空中图像传输到地面监视器中的图像传感器。
这款机器人直径为１３６毫米，高８５毫米，不计电池重８．６克，其一次可以飞行大约３分钟【６】。
图１．１固定翼式ＭＡＶＳ［５】（自左向右，ＡｍＶ曲ｎ∞ｔ公司的‘＂ＢｌａｃｋＷｉｄｏｗ”，Ｍｕ｝的“Ｔｒｏｃｈｏｉｄ＂，佛罗里达大学的柔性机翼微型飞行器）图１－２旋翼式微型飞行器嗍（左）和扑翼式微型飞行科７１（右）微型飞行器与大型飞行器的空气动力学特性有着很大的区别【８】，这主要体现在以下几个方面。
§１．２．Ｉ低雷诺数大型飞行器的雷诺数很大，所受到的空气粘性影响很小，其作用在一般情况下可以忽略，所以大型飞行器凭借机翼升力可以很容易就飞起来；而微型飞行器由于尺寸微小，飞行速度又较低，所以相应的雷诺数也就很小，而且升阻比往往随着Ｒｅ数的降Ｑ，＝Ｇ＝Ｃｌ＝１４４００（ｍ３／ｈ）（４）斜流式风机的选取根据前面已经求得的风机的功率Ⅳ及风机的风量，选择一台合适的标准斜流式风机。
经广泛调研后，确定型号为￥１Ｇ低噪声斜流式风机７．Ｏｓ。
其风量为Ｑ，＝１８０００ｍ３／ｈ，噪声水平为６４ｄＢ，功率为Ｎ＝３．０Ｋｗ，风机内径７００ｍｍ。
气体在风洞中工作段流动是均匀场，即模拟了自然风场，气体流过“膜”表面，由于粗糙度不同，流场分布也变化，由于设备优良程度不同，对同一膜表面流场分布也变化。
通过查阅大量有关风洞实验装置的文献，现设计出了两种实验方案如下：
表1 两种方案性能表
方案阻力压力梯度流速、流场使用方法阻力特性备注
风洞无0 均匀场，稳定
流速
放在流场中间
基本上绝
对值
有阻塞
效应
双纽线传感器有有
流量场，平均
流速
贴在管壁上相对值
无阻塞
效应
两种方案的共同点：
1、都可以无级调速（不允许通过节流装置等改变机械尺寸方法）；
2、都是测量差压（计量标准）；
3、都可以获得低湍流稳定流场；
4、都需要进行温度、湿度、流速分布系数，阻塞系数，干扰系数的修正；
5、两种方案测出结果都是标准状态；
6、结构上有共同点，装置的左边不同，右边大致相同。
针对以上两种方案的自制风洞装置图如下所示：
②紊流网 ⑥工作段
③稳定段 ⑦扩散段
④集气段 ⑧风机
方案 A
① 双纽线式传感器
② 工作段
③ 扩散段
④ 风 机
方案 B
图1 风洞装置设计简图。
电力半导体热阻流阻测试风洞设计摘要本文设计了一套用于电力半导体热阻流阻测试的低速直流风洞。
介绍电力半导体的基本状况，及测试电力半导体热阻流阻的方法和测试系统，采用风冷系统，其中风洞是设计关键。
由风洞的使用要求，结合安装场地的安装条件建造了一座直流风洞。
文章中主要介绍了风洞的基本概况，风洞的基本设计理论,以及风力机实验的相关知识。
详细的计算了该风洞的压力损失，选择了合理的动力系统，并设计了风洞的图纸。
关键词：低速风洞；流动损失；散热器中图分类号：TH122Design Wind Tunnel Power Semiconductor Heat-sink ThermalResistance and Flow Resistance TestAbstract：This paper designed a thermal flow resistance for power semiconductors speed DC wind tunnel testing. Introduced the basic situation of power semiconductors and power semiconductor thermal flow resistance test method and test system that uses air cooling system, which is designed wind tunnel key. The use of the wind tunnel requirements, combined with the installation site conditions for the construction of a DC installed wind tunnel. Article introduces the basic overview of the wind tunnel, the wind tunnel of the basic design theory and experimental knowledge of the wind turbine. Detailed calculation of the pressure loss of the wind tunnel, select a reasonable power system, and designed wind tunnel drawings.Keyword：Low speed wind tunnel，Flow loss ，RadiatorClassification:TH122符 号 表0A 实验段进口面积2m 0K 当量压力损失系数 1A 进口面积2m Re 雷诺数 2A 出口面积2m β 阻尼网的开孔率 e d 水力直径m λ 摩擦阻力系数 0V 实验段的进口速度m/s R E 风洞能量之比 α 当量扩散角° F 蜂窝器堵塞度 0P 大气压强Pa K 压力损失系数 ρ 气流密度3kg mμ 动力粘性系数 2NS m目次摘要 (I)Abstract： (II)符号表 (III)1.序言 (1)1.1课题背景和意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1 电力半导体发展 (2)1.2.2电力半导体热阻流阻测试 (2)1.2.3风洞实验 (3)1.3主要研究内容 (4)2设计方案 (5)2.1总体方案 (5)2.2风洞的主要组成部分 (5)2.2.1动力段 (5)2.2.2扩散段 (5)2.2.3稳定段 (6)2.2.4收缩段 (7)2.3 风洞气动外形设计 (7)2.3.1参数要求 (7)2.3.2风洞的气动设计 (7)2.4试验段设计 (8)2.4.1试验段口径与截面形状 (8)2.4.2试验段型式与长度 (8)2．5稳定段设计 (9)2.5.1稳定段直径和收缩比 (9)2.5.2蜂窝器 (10)2.5.3阻尼网 (11)2.6收缩段设计 (13)2.6.1收缩段长度 (13)2.6.2收缩曲线 (14)3 压力损失及风机选择计算 (15)3.1 风洞能量损失研究的意义 (15)3.2 压力损失计算原理 (15)3.3 风洞压力损失计算步骤 (16)3.3.1 气流密度和动力粘性系数 (16)3.3.2 动力段 (16)3.3.3 扩散段 (17)3.3.4 稳定段 (19)3.3.5 收缩段 (20)3.3.6 试验段损失 (21)3.3.7 进出口压力损失系数 (21)3.3.8 总的压力损失系数 (21)4总图与课题总结 (22)参考文献： (23)附录：学位论文数据集 (24)1.序言1.1课题背景和意义风洞指能够人工产生和控制气流来模拟飞行器或这模型周围气体的流动，可量度气流对物体的作用和观察物理现象的一种管道试验设备，也是航空航天飞行器研制，桥梁、车辆、建筑等的研制以及环境保护、发展体育等方面重要试验手段。
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：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)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4.1 实验段① 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0.25~0.500D 。
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100.35l D =。
② 模型的长度为2l 表示，大约在0.75~1.250D 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201.25l D =。
③ 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0.75~1.250D 。
选择300.8l D =④ 12302.4 6.55L l l l D m =++==，满足统计数据中，主要实验低速飞机02.0~2.5L D =的情况。
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)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4.1 实验段① 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0.25~0.500D 。
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100.35l D =。
② 模型的长度为2l 表示，大约在0.75~1.250D 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201.25l D =。
③ 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0.75~1.250D 。
选择300.8l D =④ 12302.4 6.55L l l l D m =++==，满足统计数据中，主要实验低速飞机02.0~2.5L D =的情况。
小型车1：5模拟风洞试验室设计摘要本设计是在市场的需求下，通过对国内外现有的汽车风洞进行调研和分析，设计一座具有低湍流、可变湍流度、低噪声等特色的小型车1：5风洞实验室。
在风洞的设计过程中，对其主要部件进行了详细的计算。
风洞建成后，结合实验室内先进的测量手段，除了能满足模型的测压、测速、流态观测等教学外，还可以利用该风洞进行从事桥梁、环境污染等工业空气动力学研究工作。
进行汽车研究，汽车风洞是必不可少的试验设备。
汽车风洞建设对汽车空气动力学发展意义重大，没有汽车风洞，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展。
而汽车风洞的主要任务是正确模拟气流流经汽车车体表面的流态以获得准确的实验数据，实验数据的精确与否决定了汽车气动外形设计的成败。
因此，汽车风洞实验能促进汽车空气动力学研究，进行汽车空气动力学研究将能够给我国带来巨大的燃油节省，具有非常大的经济效益和社会效益。
关键词：1：5；小型车；风洞；低湍流；实验ABSTRACTThis design is in the demand of the market , Through the domestic and international existing automobile wind tunnel research and analysis , Design with a low turbulence, variable turbulence intensity, low noise characteristic of small cars 1:5 wind tunnel laboratory . The design process in wind tunnel , Its main parts made detailed calculation. Wind tunnel after the completion of the , Combining the indoor advanced measuring method , Besides can satisfy model of speed, measure pressure, flow pattern observation on teaching outside , Still can use on the wind tunnel in Bridges, environmental pollution and other industrial air dynamics research work。
低速风洞实验在气动优化中的应用随着现代科技的快速发展，气动设备在各个领域中的应用越来越广泛。
在航空、汽车、船舶、建筑等方面，气动优化的需求也越来越高。
对于气动优化来说，通过低速风洞实验进行模拟分析是一种较为常见的方法。
低速风洞实验可用于测试、观测、分析各种流体力学现象，从而对气动设备进行优化。
一、低速风洞实验及其原理低速风洞实验是评估机翼和其他航空器构件性能的主要方法之一，同时也是各种共振结构、车辆和建筑物外形模型的优化形状设计的工具之一。
低速风洞实验的原理是通过使用一个加速气流来模拟现实中的行车、飞行和流体运动。
风洞内的模型是按照实际大小和比例制造，通过调整风洞的参数来模拟不同的外部条件，例如空气流动的速度、温度、湍流等信息。
通常，低速风洞实验的流速范围为30 m/s至飞行速度以下。
为了达到低速风洞实验的目的，风洞室内必须具有恒定气流、无湍流、无旋转流等特点。
为了进一步确保实验过程中的稳定性，风洞室内还需要对气流流向控制、气象环境进行管理等。
二、低速风洞在气动优化中的应用在各种气动设备中，低速风洞实验的应用尤其重要。
通过低速风洞实验，气动设备的设计和制造过程可以更加准确和高效。
在飞机和汽车的气动优化、建筑物外形设计中，低速风洞实验特别常见。
1. 飞行器气动特性优化飞行器受空气流动的影响非常大，因此在航空器的设计、制造及测试阶段，气动参数的优化至关重要。
低速风洞实验是评估机翼和其他航空器构件性能的主要方法之一。
例如，对于飞机机翼的气动优化，可以通过低速风洞实验控制风速和风向等参数来进行气动力测试，以寻找更优秀的翼型和气动表现。
2. 汽车气动特性优化在汽车制造过程中，低速风洞实验主要用于汽车外形的风险分析和优化设计。
通过低速风洞实验对汽车外形进行测试，可以掌握汽车在行驶时的风阻及其产生的气动力特性，从而优化整车的设计。
3. 建筑外形设计在现代建筑设计中，建筑外形设计不仅要注重美观、时尚，也要考虑到气动力学因素。
低速风洞内气流速度较低，可按不可压缩流动来设计计算，设计的主要问题是合理组合收缩比与整流装置，使风洞具有高的能量比，低的湍流度，低的造价；设计高效率的风扇装置；设计没有气流分离的的收缩曲线以保证流动品质。
可遵循现有的性能良好的风洞所建立的准则进行设计。
相似准则：一个在静止空气中运动的物体或者在气流中保持静止的物体，其受到的空气动力R 取决于一系列有关气流与物体的参数，即R=f （L 、v 、ρ、h 、α、β、E 、n s 、m 、P 、μ、2v 、Cp 、Cv 、λ、V ）L ——物体的特性长度（m ）V ——物体的运动速度（m/s ）ρ——空气的密度（kg/m 3）h ——物体表面粗燥度的特性尺寸（m ）α——运动的迎角（°）β——运动的偏航角（°） E ——模型的体积弹性系数，V V p E /∆=（Pa ）n s ——运动部件的频率或转数（1/s ）m ——物体单位长度的质量（kg/m ）P ——空气的压力（Pa ）μ——空气的粘性系数（Pa ∙s ）2v ——空气平均脉动速度的平方（m 2/s 2）Cp ——空气的定压比热（J/（kg ∙K ））Cv ——空气的定容比热（J/（kg ∙K ））λ——空气的热传导系数（W/（kg ∙K ））V ——物体体积（m 3）以上影响气动力的参数共15个，根据量纲理论，由于这15个参数的单位中包括4个基本单位，则气动力系数C R （2221L v R C R ρ-=）将取决于12个无量纲参数，这些无量纲参数就称为相似准则。
)k e a m a (2P F R M S L C F C R 、、、、、、、、、、、ερβ∆=∆——物体表面相对粗糙度，L h =∆C ——表征物体弹性形变的相似准则，2v EC ρ=S ——斯特罗哈数，L n v S s =Ma ——马赫数，a v Ma =Re ——雷诺数，μρvL =Reε——湍流度，v v 2=εF ——佛劳德数，gL v F 2= K ——比热比，v p C C K =P r ——普朗特数，λμpr C P =a ——声速，m/s事实上，在一定的速度范围内，对于一定的研究对象，影响风洞实验的一般只有一二个主要的相似准则，即便是对于这些主要的相似准则，有的情况也不需要完全满足，只要达到一定的程度，再通过必要的修正就可以得到相当可靠的实验数据。
低速风洞气动特性设计（2）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、课程设计要求能正确运用有关学科的基本理论解决工程实际问题。
图纸符合规范，清楚，整洁。
设计说明书中文字、数字和插图表达清晰正确。
设计中对工艺性、经济性作了考虑。
工作态度认真负责，按时、独立完成指定的设计任务。
三、设计风洞任务要求 1) 风洞实验段要求：开口2) 实验段进口截面形状：椭圆形 3) 实验段进口截面尺寸：1.5m4) 实验段进口截面最大风速：50m/s 5) 收缩段的收缩比：5四、风洞设计说明书根据实验段进口截面尺寸判断：我们小组所设计风洞为小型风洞1、实验段设计实验段是整个风洞的中心，模型装在此处进行实验。
衡量风洞气动力设计及施工的质量主要从两方面来看：实验段气流的流场品质；风洞工作的效率。
实验段的气流品质是风洞各部分工作的集中体现。
实验段截面形状选择选择剖面形状的原则是在满足实验要求下最有效地利用全部气流切面积，因而可以减少风洞的驱动功率。
实验段截面形状有圆形、方形、八角形、椭圆形及长方形等。
在相似的稳定段情况和相同的收缩比下，椭圆形截面的气流最为均匀，即均匀区所占的比例最大，圆形次之，长方形再次之；从洞壁干扰的情况来看，对于相同的模型展长洞宽比，椭圆形的升力干扰最小，长方形次之，圆形再次之。
因此，我们所设计实验段椭圆形截面有流场均匀、气流品质好、洞壁干扰小的优点。
但，从施工和安装来讲，椭圆形不方便，这也是弊端所在。
实验段截面尺寸选择椭圆截面按照长轴短轴比3:2设计，则长轴长1.5m ，短轴长1m 。
设长半轴为a ，短半轴为b ，则a=0.75m,b=0.5m定义椭圆截面水力直径椭圆椭圆C S D ⨯=40，且)(4b 2,b a C ab S -+==ππ椭圆椭圆求得：m D 14.10=实验段开口式、闭口式的选择本实验任务要求采用开口式，优点在于：安装模型及进行实验方便；在相同的模型和风洞尺寸关系下，开口实验段的边界层干扰要小得多。
