简易风洞及控制系统（专科组G题）
作者：王康、赵辉、张帅帅
赛前辅导教师：吉武庆
文稿整理辅导教师：吉武庆
摘要
本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案。本设计以STC89C52R单片机为主控芯片，利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。通过在风洞表面安装的8个光电式光线传感器来检测小球位置，而后通过PID 算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校. 从而形成一个完整的闭环控制系统。
关键词：PID算法，PW调速，闭环控制
Abstract
This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control system.
The design STC89C52RCmicrocontroller as the main control chip, using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball. To detect the location of the ball in a wind tunnel by surface mounted 8 photoelectric light sensor, and then through the exhaust volume PID algorithm flow fan on the shaft was further adjusted. So as to form a complete closed-loop control system.
Keywords: PID algorithm, PWM speed control, closed loop control
目录
1、系统方案
该简易风洞控制系统主要由控制模块，供电模块，显示模块，键盘输入模块，风机驱动模块和位置检测模块组成。小球的位置检测既可以采用超声测距又可以采用红外对管，超声测距结构简单稳定性高；红外对管结构相对复杂，但在一定情况下精度却比超声测距高。下面我们就测距模块的选型和风机控制算法选择进行简要的分析和对比。
测距模块选型：
方案一：超声模块测距法
采用安装在顶部的超声测距模块来直接获取小球的相对位置。很明显，此方
案最大的优点就是结构简单，使得整个系统更加稳定。但是由于超声模块的探
测距离S三2cm,但题中所规定的精度必须在2cm的范围内，故不采用此方案
方案二：多重红外对管相对测距
采用多个对管分别安装在风洞一侧，当小球经过不同的对管时即代表小球所达到的高度，因为红外对管在风洞上的位置是固定的，所以我们采用了定点检测的方法，即在A,D点各安装一对管，在BC段通过6对管来将10cm的距离5等份，使得在BC段各个相邻对管之间的距离小于2cm从而保证了小球的精度误差处于合理范围。
经系统分析与比较论证，我们采用精度高、误差小、性价比好的第二种方案，即：多重红外对管相对测距方案。
风机控制算法选择：
方案一：模糊控制
模糊逻辑控制简称模糊控制(Fuzzy Control) ，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制智能控制技术，它能简化系统设计的复杂性，且不依赖于被控对象的精确数学模型；它利用控制法则来描述系统变量间的关系；不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，使得模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。
但是模糊控制尚处于研究阶段，如何获得模糊规则及隶属函数，完全凭经验进行；对信息简单的模糊处理将会导致系统的控制精度的降低和动态品质变差。若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能进行实时控制；
方案二：PID 控制
PID 控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其
它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际
中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
其输入e (t )与输出u (t )的关系为：
u(t) = kp [ e(t) + 1/TI / e(t)dt + TD * de(t)/dt ]
因此它的传递函数为：G(s) = U(s) / E(s) = kp [ 1 + 1 / (TI*s) + TD * s ]
其中kp 为比例系数；TI 为积分时间常数；TD 为微分时间常数。
经系统分析与比较论证，风机的控制算法我们采用采用数学模型已知，参数
1）石家庄铁道大学风洞实验室参数
2）湖南大学风洞实验室 湖南大学风工程试验研究中心目前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(高速试验段)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。高速试验段有前后两个转盘，前转盘位置可模拟均匀流风场，通过在该试验段一定范围内布置边界层发生器，在后转盘位置可进行与边界层有
关的桥梁节段模型试验、局部构件抗风性能试验。试验速度相对较低的试验段(低速试验段)长15 m、模型试验区横截面宽5.5 m、高4.4 m，最大风速不小于16 m /s，可进行长大桥梁全桥模型抗风试验研究。 3）大连理工大学风洞实验室介绍 大连理工大学风洞实验室（DUT-1）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。 4）中国建筑科学研究院实验室介绍 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(宽×高×长)，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。 风洞采用先进的交流变频调速系统，试验段转盘和移测架均由微机控制，自动化程度较高。风洞压力测量系统包含美国Scanivalve公司的3台DSM主机和20个压力扫描阀，能够实现1280点的压力同步测量，可满足海量测点压力测试的要求。振动测量系统包括美国NI公司的动态信号采集系统、PCB和Dytran公司的超小型精密加速度传感器以及德国Polytec公司的四台激光测振仪，可进行建筑物模型气动弹性试验。此外实验室还配备了高频底座天平、
简易风洞及控制系统（G题） 摘要：本帆板控制系统由单片机ATMEGA328作为帆板转角的检测和控制核心，实现按键对风扇转速的控制、调节风力的大小、改变帆板转角θ、液晶显示等功能。引导方式采用角度传感器感知与帆板受风力大小的转角θ的导引线。通过PWM波控制电机风扇风力的大小使其改变帆板摆动的角度θ。风扇控制核心采用L298电机驱动模块，用ATMEGA328单片机为控制核心，产生占空比受数字PID 算法控制的PWM脉冲，实现对直流电机转速的控制，同时利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。MMA7455三轴加速传感器把角度输出信号传送给ATMEGA328单片机进行处理。 关键词：ATMEGA328，MMA7455，PWM波，PID算法
目录 1. 系统设计 1.1 任务与要求 1.1.1 主要任务 1.1.2 基本要求 1.1.3 说明 1.2总体设计方案 1.2.1 设计思路· 1.2.2 方案论证与比较 1.2.3 系统的组成 2. 单元电路设计 2.1 风速控制电路 2.2小球测距原理 2.3控制算法 3. 软件设计 3.1风速控制电路设计计算 3.2控制算法设计与实现 3.3程序流程图 4. 系统测试 4.1 调试使用的仪器与方法 4.2 测试数据完整性 4.3 测试结果分析 4.4 结束语 5. 总结 参考文献 附录1 元器件明细表 附录2 电路图图纸 附录3 程序清单
1.1任务与要求 1.1.1 主要任务 设计制作一简易风洞及其控制系统。风洞由圆管、 连接部与直流风机构成，如图所示。 圆管竖直放置，长度约40cm，内径大于4cm且内 壁平滑，小球（直径4cm黄色乒乓球）可在其中上下运 动；管体外壁应有A、B、C、D等长标志线，BC段有 1cm间隔的短标志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部的格栅。控制系统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。 1.1.2 基本要求 （1）小球置于圆管底部，启动后5s内控制小球向上到达BC段，并维持5s 以上。 （2）当小球维持在BC段时，用长形纸板（宽度为风机直径的三分之一）遮挡风机的进风口，小球继续维持在BC段。 （3）以C点的坐标为0cm、B点的坐标为10cm；用键盘设定小球的高度位置（单位：cm），启动后使小球稳定地处于指定的高度3s以上，上下波 动不超过±1cm。 （4）以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时。（5）小球置于圆管底部，启动后5s内控制小球向上到达圆管顶部处A端，且不跳离，维持5s以上。 （6）小球置于圆管底部，启动后30s内控制小球完成如下运动：向上到达AB段并维持3~5s，再向下到达CD段并维持3~5s；再向上到达AB段 并维持3~5s，再向下到达CD段并维持3~5s；再向上冲出圆管（可以
《实验流体力学》 风洞静态压力分布测量实验Ⅰ实验设计及数据处理程序编制Ⅱ数据采集与分析 姓名 学号 实验日期 指导老师
一、实验目的 风洞测压试验是一种在风洞中测量模型表面压力分布的试验。目的是通过测量飞行器及其部件，如机翼、机身、尾翼、操纵面、外挂物等表面上的压力分布，为飞行器及其部件结构强度计算提供气动载荷分布的原始数据。通过测压实验，能够给出定量化的结果，获得模型上的压力分布信息。因此，测压试验是研究模型气动特性、验证数值计算方法的一种重要手段。 本次实验内容是测定标准模型在不同实验状态下各截面测压点的压力值，并进行数据处理，最后得到各截面的压力分布曲线随风速及迎角的变化规律。 二．实验设备 1、风洞 风洞是产生人工气流的设备，本次实验所用风洞为开口回流式低速风洞，如图1所示。其主要组成部分为实验段、扩压段、拐角和导流片、稳定段、收缩段以及动力段。 D4 风洞 实验段 风 扇 图1 D4风洞示意图 实验段尺寸：长度3.5m ，宽度1.5m ，高度1.5m ，收缩比9；实验段风速：闭口最高风速为80m / s, 开口最高风速为60m / s ；实验段湍流度为0.08%。 2、风速控制系统 D4风洞采用可控硅控制无级调速；风速控制系统组成如图1所示。本文的工作是在系统的外层增加了稳风速的闭环控制系统。风洞风速的控制采用直接数字式闭环控制。首先通过PCL727进行D/A 转换，将数字量转换成模拟量4—20mA 驱动电流，经过西门子驱动器来控制可控硅的输出电流，从而控制电机转速，电机拖动风扇，产生气流，使试验段获得所需的速压0P P (其中0p 为气体总压，p 为气体静压)。由差压变送器将压差转换成1-5V 电压，再由压差风速转换公式计算得出风速值，经PCI1716进行A/D 转换，将数字量输入计算机，通过数字PID 控制器输出控制量，从而改变输出的驱动电流，达到控制风速的目的。 三、实验模型： 1、实验模型：非圆截面机身标准测压模型，如图2所示。
风洞风速与风量测试 校准系统 课程：热工计量技术 学院：计量测试工程学院 班级：10力学1班 姓名：林星驰 学号：100205126 指导老师：孙在 2013年6月20日
目录 一、风洞的介绍及概述 二、实验原理概述 （一）风速的测量校准 1、风速测量原理及装置 2、测量方法及步骤 3、风洞中风速的校准 4、误差分析 （二）风量的测量校准 1、风量测量原理与装置 2、测量方法与步骤 3、风洞中风量的校准 三、心得总结
一．风洞的介绍及概述 风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。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。这种方法，流动条件容易控制，可重要依据是运动的相对性原理。实验时，常将模型或实物固定在风复地、经济地取得实验数据。为使实验结果准确，实验时的流动必须与实际流动状态相似，即必须满足相似律的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。 流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。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
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、2 v 、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 E C ρ=
动态压力风洞实验数据处理软件 使用手册
目录 第一章绪论 (1) 1.1风洞数据采集系统特点 (1) 1.2风洞数据采集系统现状与发展 (2) 1.3本软件主要功能特点 (3) 第二章动态压力测量方法 (5) 2.1 测压导管的传递函数 (5) 2.2 两通道的传递函数 (6) 2.3 不同外径导管传递函数的模值比和相位差 (7) 2.4 动态数据处理技术 (11) 2.5 结论 (12) 第三章动态压力风洞实验数据处理软件的设计与实现 (13) 3.1 软件需求分析 (13) 3.2 软件功能设计 (14) 3.3软件流程设计 (15) 3.4 软件界面设计 (17) 第四章动态压力数据处理系统调试 (24) 4.1 动态线性度检定 (24) 4.2 动态误差限检定 (24)
第一章绪论 1.1风洞数据采集系统特点 风洞是进行空气动力学研究的重要试验装置。风洞试验装置包括测量系统、数据采集系统、模型姿态及控制系统、风速控制系统等。风洞试验中要采集大量的数据，主要有试验模型的升力、阻力、力矩、模型表面压、温度、洞体压力、模型角度等，这些数据依靠热线风速仪、压力扫描阀、应变天平、激光位移计、加速度传感器等进行量测。早期，风洞试验为人工读数和手动方式，试验周期长，数据量大，试验精度低，处理周期长。为了提高风洞试验效率、试验精度及试验水平，从20世纪70年代开始，各风洞逐步引入了数据采集系统。由数据采集系统负责将来自天平或压力传感器等测量系统的电信号转化成数据，通过多通道数据采集板，把传感器送出的模拟信号转化成数字信号送计算机存储。 风洞数据采集系统具有如下特点: (1)高速、高精度、具有强的抗干扰能力 风洞试验数据的精度直接影响到试验对象的空气动力学设计的正确性。风洞数据采集系统应具有高速、高精度、具有强的抗干扰能力。气动力系数中模型的阻尼系数△CX的试验精度要达到0.0001，风洞各参数测量精度要求为总压精度0.07%，静压精度0.07%，总温精度1%，法向力精度0.08%，轴向力精度0.08%，迎角精度0.01%。 目前计算机技术在速度和内存量等方面不断提高，为高速、高精度、多路并行采集以及实时数据传输等创造了必要的条件。单路A/D数据采集系统来分时采集的多路数据采集系统在风洞试验中己成为基本配置，但其不能满足真正的实时、同步采集的要求。并行动态数据采集系统已成为一个基本的发展趋势。它将多路A/D采集电路并行处置，用同一个触发信号同时启动各路A/D进行编码，保证了各路信号采集的严格同步性，对某瞬态时刻各路信号的分析具有十分重要的意义。同时由于不再使用模拟开关，使各路信号间的串模干扰减到了最小，系统精度可获得进一步提高。 (2)采集参数多，点数多
简易风洞及控制系统 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
简易风洞及控制系统(专科组G题) 作者：王康、赵辉、张帅帅 赛前辅导教师：吉武庆 文稿整理辅导教师：吉武庆 摘要 本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案。本设计以STC89C52RC单片机为主控芯片,利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。通过在风洞表面安装的8个光电式光线传感器来检测小球位置，而后通过PID算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校.从而形成一个完整的闭环控制系统。 关键词：PID算法，PWM调速，闭环控制 Abstract This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control system. The design STC89C52RC microcontroller as the main control chip, using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball. To detect the location of the ball in a wind tunnel by surface mounted 8 photoelectric light sensor, and then through the exhaust volume PID algorithm flow fan on the shaft was further adjusted. So as to form a complete closed-loop control system. Keywords: PID algorithm, PWM speed control, closed loop control
实验空气动力学课程设计(风洞综述) .概念及原理 风洞(wind tunnel )，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是空气动力学实验最常用、最有效的工具。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。 原理: 用风洞作实验的依据是运动的相对性原理。为确保实验准确模拟真实流场，还必须满足相似律的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制，通常只能选择一些影响最大的参数进行模拟。此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。 .风洞发展简要回顾 风洞设备的发展大致经历了低速风洞发展阶段、超声速风洞发展阶段、跨声速风洞发展阶段、高超声速风洞发展阶段、风洞设备更新 改造和稳定发展阶段、风洞设备发展适应新需求、探索新概念风洞发展阶段。20世纪90年代，随着经济全球化和型号发展数量的减少，一方面，风洞设备在数量上呈现出过剩状态；另一方面，又缺少能满足未来型号精细化发展要求的高性能风洞。 三.近期风洞改造和建设 工业生产型风洞的更新改造最主要特点是风洞设计的多功能性、可扩展性、技术的先进性，风洞建设也呈现出创新的特点。主要包括：吸收试验段内的大部 分噪声, 提高风洞试验Re或模拟能力等。另外还有：感应热等离子体风洞（通
过高频电发生器以感应偶合的方式将亚声速或超声速射流加热到极高温度（5000C?10000C）,这种等离子风洞主要用于防热研究） 四.风洞发展的未来趋势 1）“安静”气流风洞 不仅气动声学风洞需要“安静”的风洞，高品质的任何类型风洞都 需要“安静”的风洞。 2）亚声速高升力飞行风洞风洞Re模拟能力直接影响试验数据的准确性。经过多年论证研究, NAS提出了高升力飞行风洞（HiLiFT ）的概念。它是利用磁悬浮推进技术推动试验模型在含有静止气体介质（空气或氮气）的管道中运动,
综合电子设计 小型模拟 风洞系统 刘石劬 22011231 尹哲浩 22011214 赵正扬 22011212 董元 22011207
一、引言 二、设计思路 2.1 整体功能设想 2.2 模块实现方式确定 三、设计内容及部分电路仿真 3.1 输入模块设计部分 3.1.1 按钮功能电路实现与仿真 3.1.2 控制输入电路实现与仿真 3.2 控制模块设计部分 3.2.1 硬件选型及论证 3.2.2 风扇控制信号的分析 3.3 整体原理图与PCB设计 四、整体实物图即测试结果 五、课程收获与心得 六、参考文献
一、引言 风洞是空气动力学研究的重要地面试验设备，通过对流体力学方法的计算，可以研究物体模型所受不同方向、不同大小的气动阻力影响，为汽车、高速列车等等的选型提供大量的参考依据。同时，风洞也是试验高速飞行器必不可少的一种设备，是保证一个国家航空航天处于领先地位的基础研究设施]1[。随着时代的发展，飞机研究制造业的竞争越加激烈，尤其在军事领域，现有风洞试验设备的模拟能力已经成为制约第四第五代战斗机的研制和未来高超声速飞行器发展的瓶颈。 这次课题设计，我们想以自己现有的能力和一些简单的器材来完成一个简易的小型风洞设计，用以模拟产生不同风力大小的气流。我们采用电脑CPU风扇作为风力的发生装置，以输入信号的占空比来调节风扇转速的大小，并可以根据风扇所发出的风力大小来实现结果的反馈。 二、设计思路 2.1 整体功能设想 风扇的输入信号可以控制风扇实现不同的转速，也可以让风扇的工作处于测试模式下，即风扇的转速按预定的延时变化，风力将由大至小，再由小变大循环往复。也可以通过键盘，让帆板到达指定高度。 2.2 模块实现方式确定 (1) 输入模块：使用者将通过按钮进行输入信号的控制，工作时不会存在两个按钮同时有效的情况。本模块的大体部分会以门电路的形式构成，功能上通过计数器不同的计数值来形成不同的输入信号，但必须保证信号的频率一致。最后，所有档位的信号必须以同一个输出端口输送至风扇，对风扇进行相应的控制。 (2) 控制模块：采用MSP430F6638作为主控芯片，它是由TI公司推出的16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。用LSM303作为检测角度的传感器，用AVC 8038风扇作为风力来源。
简易风洞控制系统设计 【摘要】本设计主要通过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞试验。风洞由圆管，连接部与直流风机构成，由单片机产生PWM控制直流风机的转速，通过红外对管阵列采集光强信息检测小球在圆管中的位置，同时由12864液晶显示小球的高度位置及维持状态的时间，从而实现小球在简易风洞中的位置控制。 【关键词】风洞;MSP430;控制系统 1.引言 风洞，是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备。最常见的是低速风洞。但由于风洞造价过高，导致对气流研究成本偏高。所以本次设计为一个简单的风洞，可以在导管中研究小球漂浮时气流对它的影响。 2.总体设计方案 本系统主要由主控板模块、测距模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成，系统方框图如图1所示。图中MSP430控制器模块为系统的核心部件，按键和液晶显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并通过控制器显示到液晶屏上。在运行过程中控制器产生PWM 脉冲送到风机驱动电路中，控制直流电机转速，同时控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速达到实时、准确控制的目的。 图1 系统总体框图 3.硬件设计 3.1 微控制器电路设计 MSP430是一个超低功耗的16位单片机，它处理速度快、运算能力强、功耗低、片内资源丰富、开发方便。其最小系统如图2所示。 3.2 传感器电路设计 传感器部分采用红外对管进行小球位置点信息的采集。红外分为两个部分，一个部分为发射，另外一部分为接收，每当小球穿过红外的时候，电路会给主控芯片送入低电平，从而达到判断小球位置的目的。电路图如图4所示。 图2 MSP430单片机最小系统电路原理图 图3 红外测距模块电路原理图
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。曾经发明了世界上第一座风洞的英国人更是不甘落后，除了政府加强对空气动力学的领导规划之外，充分利用大学进行基础学科的研究。据有关资料透露，在英国的46所大学里，至少有30个以上高水平的空气动力研究试验室。 日本在战后受到限制的情况下，航空工业曾有过长达8年的空白。但在此期间，其基础研究——空气动力学则进展神速。仅60年代，就先后仿制出11种飞机，自行设计8种飞机。
2）湖南大学风洞实验室 湖南大学风工程试验研究中心目前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(高速试验段)长17 m，模型试验区横截面宽3 m、高m，试验段风速0～60 m /s连续可调。高速试验段有前后两个转盘，前转盘位置可模拟均匀流风场，通过在该试验段一定范围内布置边界层发生器，在后转盘位置可进行与边界层有关的桥梁节段模型试验、局部构件抗风性能试验。试验速度相对较低的试验段(低速试验段)长15 m、模型试验区横截面宽m、高m，最大风速不小于16 m /s，可进行长大桥梁全桥模型抗风试验研究。 3）大连理工大学风洞实验室介绍 大连理工大学风洞实验室（DUT-1）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 m，宽m，最大高度为；试验段长18m，横断面宽3m，高，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。 4）中国建筑科学研究院实验室介绍 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，高速试验段尺寸为4m×3m×22m(宽×高×长)，最高风速30m/s；低速段尺寸为6m××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。 风洞采用先进的交流变频调速系统，试验段转盘和移测架均由微机控制，自动化程度较高。风洞压力测量系统包含美国Scanivalve公司的3台DSM主机和20个压力扫描阀，能够实现1280点的压力同步测量，可满足海量测点压力测试的要求。振动测量系统包括美国NI公司的动态信号采集系统、PCB和Dytran公司的超小型精密加速度传感器以及德国
试验技术中心节能环保室
汽车整车环境模拟（气候）风洞
摘自外网 汽车整车环境模拟风洞可以在实验室中复现自然条件，模拟环境温湿度、日照强度、车速、废气排放与新鲜 空气供给等功能，对汽车开发具有重要意义。本文介绍了汽车环境模拟风洞的构成，列举了国际上部分环境模拟风洞 的主要模拟参数，并就环境模拟风洞制冷空调系统的特点进行了分析和讨论。 关键词：汽车 环境模拟风洞 制冷空调系统
0 前言
汽车环境模拟试验装置可以模拟汽车在实际行驶中遇到的雨、雪、阳光、振动、冷热负荷、高低气压和行驶速 度等。在环境模拟试验装置中进行整车试验具有不受地区、季节及时间限制，可复现自然条件、模拟极值条件，可在 相同环境条件下多次重复试验，有利于评估和详细分析试验数据等优点[1]。
汽车环境模拟试验装置包括环境模拟风洞和环境模拟试验室两类。环境模拟风洞和环境模拟试验室之间有很多 相似之处，但又存在一个关键区别，即对车身周围气流组织及边界层速度分布的模拟精度要求不同。环境模拟风洞不 仅对温湿度、太阳辐射模拟精度有很高的要求，而且对流过车身的空气流组织和速度分布模拟精度要求也很高，而环 境模拟室则对车身周围气流组织状态无精度要求。而实际上，车辆在实际行驶过程中车身周围的气流组织必定会对车 辆及其零部件的性能产生影响,从这个角度讲， 环境模拟风洞试验的结果将更符合实际情况。 本文仅涉及环境模拟风洞 相关技术。
汽车环境模拟风洞通常可以分为高温、低温和高低温三种。根据试验车型及试验所需流场及温、湿度场品质要 求，可以确定环境模拟风洞的规模，然后相应地确定风洞的主要性能指标。
1 汽车环境模拟试验类型
环境模拟风洞可为汽车及其零部件进行舒适性、安全性和可靠性提供多种多样的气候试验研究平台。在汽车环 境模拟风洞中可进行下列试验：
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发动机冷却试验； 空调系统开发； 热燃料处理试验； 汽车城市循环工况分析； 冷、热排放试验；
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共1页，G-1 2014年陕西省TI 杯大学生电子设计竞赛题 G 题：简易风洞及控制系统（高职） 1. 任务 设计制作一简易风洞及其控制系统。风洞由圆管、连接部与直 流风机构成，如右所示。圆管竖直放置，长度约40cm ，内径大于 4cm 且内壁平滑，小球（直径4cm 黄色乒乓球）可在其中上下运动； 管体外壁应有A 、B 、C 、D 等长标志线，BC 段有1cm 间隔的短标 志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管 的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部的格栅。控制系 统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。 2. 要求 （1） 小球置于圆管底部，启动后5秒内控制小球向上到达BC 段，并维持5秒以上。（20分） （2） 当小球维持在BC 段时，用长形纸板（宽度为风机直径的 三分之一）遮挡风机的进风口，小球继续维持在BC 段。（10分） （3） 以C 点的坐标为0cm 、B 点的坐标为10cm ；用键盘设定小球的高度位置（单 位：cm ），启动后使小球稳定地处于指定的高度3秒以上，上下波动不超过±1cm 。（10分） （4） 以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时。（10分） （5） 小球置于圆管底部，启动后5秒内控制小球向上到达圆管顶部处A 端，且不跳 离，维持5秒以上。（10分） （6） 小球置于圆管底部，启动后30秒内控制小球完成如下运动：向上到达AB 段 并维持3~5秒，再向下到达CD 段并维持3~5；再向上到达AB 段并维持3~5，再向下到达CD 段并维持3~5；再向上冲出圆管（可以落到管外）。（20分） （7） 风机停止时用手将小球从A 端放入风洞，小球进入风洞后系统自动启动，控制 小球的下落不超过D 点，然后维持在BC 段5秒以上。（10分） （8） 其他自主发挥设计。（10分） （9） 设计报告。（20分） 项 目 主要内容 分数 系统方案 方案比较，方案描述 5 设计与论证 风洞控制实现方法 电路设计及参数计算 8 测试 测试方法与测试结果 5 设计报告结构及规范性 摘要，正文结构完整性、内容规范性 2 小计 20
毕业设计（论文）任务书 学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级 指导教师姓名职称教授从事 专业 车辆工程是否外聘■否 题目名称小型车1：5模拟风洞试验室设计 一、设计目的、意义 全面训练资料查询能力和专业知识综合运用能力，综合训练独立设计能力和工程设计软件的应用能力，提高独立工作能力和素质。 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。因此，本课题设计研究内容对于全面提高学生工程设计能力和素质，研究风洞试验室设计问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。 二、设计内容、技术要求（研究方法） 主要技术指标、要求或生产纲领： 测试仓截面尺寸：宽1200×高1000(mm)；环状风道截面尺寸：宽800×高600(mm)； 最大稳定风速60m/s；采用P型循环风洞；前后仓栅稳速；弯道内半径400 mm；材料选用镀锌铁皮；测试台面高度600 mm；测试车模固定方便，现场风速可测，多点压力测试。 风力利用系数为0.8。除风速外，以上参数为初定。根据实际而定。 设计主要内容及分析、校核： 1、进行1：5小型车模拟风洞试验室平面布局设计； 2、进行风机选择和校核，前后稳速仓栅设计，测试仓设计，测试台设计，环状风道设计，P型引风 口设计等； 3、根据设计系统进行校核； 4、绘制设计系统总图和上述部分的结构装配图、部件图； 三、设计完成后应提交的成果 1、设计完整的整体装配图，零、部件图，折合 A0图纸至少3.5张； 2、设计计算说明书：1.5～2.0万字； 3、相关设计资料应齐全。
风洞实验 科技名词定义 中文名称：风洞实验 英文名称：wind tunnel testing 定义：在风洞中进行模拟飞行器在大气中运动时的空气动力学现象。 应用学科：航空科技（一级学科）；飞行原理（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。 目录
编辑本段原理 风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。根据相对性原理，飞机在静止 风洞实验 空气中飞行所受到的空气动力，与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来，两者的作用是一样的。但飞机迎风面积比较大，如机翼翼展小的几米、十几米，大的几十米(波音747是60米)，使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来，其动力消耗将是惊人的。根据相似性原理，可以将飞机做成几何相似的小尺度模型，气流速度在一定范围内也可以低于飞行速度，其试验结果可以推算出其实飞行时作用于飞机的空气动力。[1] 编辑本段优点 风洞实验尽管有局限性，但有如下四个优点：①能比较准确地控制实验条 风洞实验 件，如气流的速度、压力、温度等；②实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便；③实验项目和内容多种多样，实验结果的精确度较高；④实验比较安全，而且效率高、成本低。因此，风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面，以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中，都有广泛应用。 编辑本段要求
简易风洞及控制系统（专科组G题） 作者：王康、赵辉、张帅帅 赛前辅导教师：吉武庆 文稿整理辅导教师：吉武庆 摘要 本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案。本设计以STC89C52R单片机为主控芯片，利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。通过在风洞表面安装的8个光电式光线传感器来检测小球位置，而后通过PID 算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校. 从而形成一个完整的闭环控制系统。 关键词：PID算法，PW调速，闭环控制 Abstract This paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control system. The design STC89C52RCmicrocontroller as the main control chip, using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball. To detect the location of the ball in a wind tunnel by surface mounted 8 photoelectric light sensor, and then through the exhaust volume PID algorithm flow fan on the shaft was further adjusted. So as to form a complete closed-loop control system. Keywords: PID algorithm, PWM speed control, closed loop control
风洞试验与数值模拟 ――北京大学在数值模拟方面的技术进展 一．科学研究的方法： 人类在认识自然、认识科学的过程中，曾经创造出了两种方法，即：理论研究和实验研究。理论研究得出的结论，要经过严格的论证，这是十分必要的，但在工程实践中却难以应用。实验研究，结论清晰、直观，也就是俗话说的“看得见，摸的着”，但它的局限性太大，因而应用范围有限。 上世纪四十年代，电子计算机的横空出世，改变了人类的生活和思想。随着近年来计算机软硬件技术的突飞猛进，以前大量无法解决的工程实际问题，已经可以用新的计算方法来加以解决了。因此，第三种科学研究的方法发展出来了，那就是计算科学的方法（或称为数值模拟、数值计算）。它不仅具有理论研究的严谨性，又具有实验研究的直观性，更加具备极其广泛的应用范围。如今，计算科学在科学研究中所占的比重越来越大，并必将成为今后科学技术发展的主流。 二．什么是“风洞试验”： 风洞，从外观上看酷似一座洞，它是通过产生出可人工控制的气流，对试验模型周围的气体的流动进行模拟，并可量度气
流对物体的作用，以及观察流动现象的一种管道状试验设备。 而风洞试验，是实验研究工程问题的一种方法。它是依据运动的相对性原理，将试验原型同比缩小的模型固定在风洞中，人为制造气流流过，获取各测试点的试验数据，并以此寻找出工程问题的解决方案。 风洞试验主要针对相似模型进行测力试验、测压试验和布局选型试验。 三．风洞试验在“挡风抑尘墙”工程实践中的局限性： “挡风抑尘墙”的作用就是降低露天堆场上方的风速，以达到抑尘效果。这是属于流体力学范畴的一类问题。流体力学是物理学的一个分支，是主要研究流体（包括气体和液体）与其中的物体相互作用的一门科学。 研究流体力学的方法同样有理论研究和实验研究。 在理论研究中，以理论流体力学的基本控制方程组和基本定律为出发点，采用适当的前提假设(如空气的不可压缩性假定)，经过严格的数学推导，求解出方程中的未知量(如压力，速度等)。 鉴于理论流体动力学的基本控制方程组及其边界条件的强烈的非线性特性，只能在几种简单的情况下得到方程组的解析解，在复杂的情况下(如三维流场，复杂外形等)就无法获得解析解，这就决定了理论研究方法在“挡风抑尘墙”研究中具有很多的局限性，工程实践中很难采用这种方法。
一、试验名称： 低速风洞全机模型气动力和力矩测量试验 二、试验目的及要求 通过试验，深化对空气动力学理论的理解，初步掌握空气动力低速风洞试验技术：常规测力试验设备的使用，了解使用工业控制机对风洞风速和模型姿态角控制和信号采集及处理的基本方法。了解风洞试验数据的修正和处理方法，初步掌握低速风洞测力的空气动力特性的规律和分析方法，试验数据曲线的绘制软件的应用。 三、试验设备 本次试验采用沈阳航空工业学院SHDF低速闭口回流风洞（见图1）： 1、风洞主要几何参数 风洞试验段：闭口宽×高×长= 1.2m×1.0m×3m，四角切角。 风洞收缩段：收缩比n = 8，长1m。 风洞稳定段：圆形，截面尺寸直径4m，总长2m。蜂窝器为正六角形孔，对边距20mm，深300mm。阻尼网共6层，20目。 图1 SHDF低速风洞平面图 2、风洞动力系统 变频器驱动三项异步交流电机带动螺旋桨工作。变频器功率75kW；电机为四极，功率75kW。桨叶翼型为RAF-D, -E，共6叶。
3、控制和数据采集系统 风洞的控制系统是由计工业控制计算机（研华610H）、风速传感器（DCXL-10D）和变频器（SPF-75）组成，用VB语言开发的控制程序，对风速进行闭环控制，风速的控制精度为±0.2m/s。模型姿态控制由计算机、步进电机驱动器（BQH-300Y）和步进电机（110BF003）分别带动模型支撑系统（尾撑和腹撑）做垂直面内转动（称为迎角α）。迎角α转动范围为-15°~+25°，侧滑角由转盘涡轮蜗杆手动控制，β转动范围为-180°~+180°。由旋转编码器实施测量转动角度。数据采集系统是通过数据采集处理程序驱动，将杆式应变天平受力（或力矩）变形感应到的电压变化信号和压力传感器输出的电压信号，通过信号调理器（XL 2102E）及高精度稳压电源（XL 2101）对信号进行滤波、放大后，送入12位数据采集卡（PCL－818L）变为数字量，进入计算机中央处理器处理。 4、DFD风洞流场的主要技术指标 5、DBM-4041标准模型 试验采用的模型为4041标准模型，为全钢制模型，模型比例1:3。该模型是国际、国内通用的低速风洞标准模型，具有气动力在较大雷偌数范围内变化不敏感的优良特性，而且有国内外多个风洞的试验数据可作比较参考。主要参数如下：
两自由度风洞实验运动装置机械结构 总体设计 专业：机械设计制造及其自动化 学生： 指导教师： 完成日期：2014年5月30日
摘要 风洞试验设备是一个国家航空航天事业发展的基础设施 ,对国家的航空航天事业、武器装备研制以及国民经济的发展发挥着非常重要的作用。风洞试验是研制新型飞行器必不可少的重要环节。每一种新型飞行器的研制都需要在风洞中进行大量的试验。 串联机构的发展曾经带动了空间机构学的发展，近20年来并联机构的发展再次促进了空间机构学的发展。今天，为了我国的科技进步，自主创新性及在一些新兴产业和领域开辟自己独特的道路，基于串联机构与并联机构的特点，混联机构成为各种高端技术应用一个新的热点。 本文对两（少）自由度机构的现状和发展趋势以及风洞试验进行了简略的阐述，在此基础上进行两自由度运动机构的结构设计；介绍SolidWorks软件和对所设计的两自由度运动机构装置进行的三维造型过程；对所设计的运动机构的主要节点进行的强度校核和力学性能的分析；在校核的基础上选择了合适的电机；最后对本课题做一个总结和展望。 关键词：串联，两自由度，风洞试验，三维造型。
Abstract Wind tunnel testing facilities are infrastructures for the aeronautics and astronautics of a nation ,which are important for aviation and spaceflight career ,weapon development and national economy. It is an important and indispensable part of the development of new types of aircraft for the wind tunnel test. Development of each new aircraft needs carry out a large number of tests in a wind tunnel. The development of the series mechanisms have contributed to the study of space mechanism ,and nearly 20 years of the parallel mechanism have promoted the development of the space mechanism again. At the present,in order to advance of science and technology of China,independent innovation and open up the unique way in some new industries and fields,based on the characteristics of series mechanisms and parallel mechanism,parallel-series institutions become a hot new area of all high-end technology applications . In this paper, a brief description of current situation and development of two (few) degree of freedom mechanism and wind tunnel experiment, further for structure design to the two degrees of freedom motion mechanism; introduction of SolidWorks software and process for the design of two degrees of freedom movement mechanism unit for three-dimensional modeling ; strength check and mechanical properties analysis for the main nodes of movement mechanism, based on that select suitable motor; finally this project makes a summary and prospected. Key words:Series, Two degree of freedom, wind tunnel, Three-dimensional modeling.