上海大学低湍流度低速风洞及气动设计

通过对国内外现有低湍流风洞进行调研和分析,上海大学力学所建造了一座低湍流度低速风洞(以下简称SIAMM400).该风洞具有低湍流度、可变湍流度、低噪声等几个特色.在风洞的设计过程中,对其主要部件(包括斜流式风机、稳定段、收缩段、试验段等)进行详细的气动计算,给出了设计依据.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、流态观测等教学实验外,还可以利用该风洞从事航空航天、桥梁建筑、环境污染、汽车等工业空气动力学研究工作.

西北工业大学直流式低湍流度风洞设计中的几个关键问题

本文主要阐述西北工业大学直流式低湍流度风洞设计中的几个关键问题,如大收缩比、多层网、低噪声风扇以及抑制风扇噪声上传的一些措施.这座风洞的最低湍流度为0.01％～0.02％.这一湍流度已达到了国际上回流式低湍流度风洞的最高水平.通常直流式风洞由于进气及环境噪声的影响较回流式风洞为大,且风扇噪声的影响亦较大,故其湍流度常较回流式风洞大.西北工业大学的直流式低湍流度风洞由于在设计中对于降湍、减噪作了综合处理,故其湍流度达到了回流式风洞的最高水平.本文主要阐述西工大低湍流度风洞设计中的几个关键问题.

低湍流度风洞中湍流度对平板边界层转捩影响的试验研究

本文报告了在西北工业大学柔壁低湍流度风洞中进行平板边界层转捩试验研究的简况及初步结果。试验湍流度为０．０２％、０．１％及０．３３％，用恒温热线风速仪测量时均速度型，求得边界层沿流向的位移厚度分布，并用示波器观察速度脉动波形变化，从而确定起始转捩点和完全转捩点位置。结果表明，转捩的规律性和国外经典结果极为吻合。

低湍流度静声低速风洞及气动设计

建成了一座低湍流度静声低速风洞,该风洞选用了蜂窝器、损失系数适当的多层阻尼网,以及优良的大收缩比(14.8)收缩段曲线等先进的低湍流度设计和风洞管壁外隔声处理、风洞管壁内消声处理以及减振处理等降噪设计方法.流场校测结果表明:实验段最大风速可达到75 m/s,常用风速下湍流度可达0.04%~0.05%,背景噪声低,风洞流场品质达到了设计要求.风洞建成后,可以开展模型测力、测压和流动显示实验,还可以利用该风洞从事CFD数值计算验证.

声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究

采用热线风速仪对5.5m×4m低湍流航空声学风洞闭口试验段低湍流度流场进行测量,根据对干扰信号的分析,提出了高通惯性衰减滤波方法,并与一般数据处理方法进行了比较,给出了流场测量方案、方法和结果。采用功率谱方法和斯特罗哈数方法分析脉动速度信号中的干扰噪声,发现40Hz^10kHz频谱范围内同时存在电磁干扰噪声和支架干扰噪声。比较分析了0.5Hz^5kHz带通滤波方法、电磁噪声解耦方法和0.5Hz高通惯性衰减滤波方法对干扰信号的滤除效果,采用0.5Hz高通惯性衰减滤波方法获得了流场低湍流度数据,流场速度30~100m/s的湍流度平均值小于0.05%。实验结果表明,高通惯性衰减滤波方法可以有效控制干扰信号对测量结果的影响程度,为低湍流度流场信号处理提供了一种方法。

一座柔壁低湍流度风洞收缩段设计及主要工作特性

本文介绍了一座“柔壁低湍流度风洞”收缩段气动设计中的几个关键问題:合理选用较大的收缩比,恰当选定变湍流度网格位置和采用五次方壁型曲线。试验结果表明,这座雷诺数较大的、具有柔壁功能的低(变)湍流度风洞有优良的流场品质,尤其是湍流度可低达0.01%～0.02%,并具有大范围的变湍流度能力。

低湍流度风洞动力段振动源与传递路径研究

针对西北工业大学低湍流度风洞改造需求,构建动态频谱测量与分析系统对其动力段各组件的振动情况进行测试,通过讨论不同组合状态的结果,阐明各部件随电机转速变化的振动规律,定量地分析了风洞动力段的振动产生与传递路径关系,以及分列支撑和减震带等措施对降低振动传递影响的贡献。研究表明低湍流度风洞动力段的部件加工与安装符合设计预期振动指标,该套测试系统的高精度特性可以满足同类低速风洞部件和模型实验中振动与噪声频谱的测量分析应用。

极低湍流度下翼型近场尾流雷诺切应力的分布

简述了在西北工业大学低湍流度风洞中，用热线风速仪测量翼型边界层及近场尾流中速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等的简况；文中着重分析了极低湍流度下（０．０２％）试验所得近场尾流中雷诺切应力的分布规律。结果表明，在尾流宽度方向及流动方向均有明显的规律性，且与常规风洞湍流度下结果相比，其有关特征值明显偏低。

西工大低湍流度风洞的变湍流度技术

西工大低湍流度风洞实现宽范围变湍流度能力的技术途径：适当的变湍流度格栅位置；宽范围变化的变湍流度格栅结构尺寸；恰当处理好变湍流度格栅装置与风洞试验段上游气动轮廓的干扰问题。文中给出了变湍流度时对功率损失的影响及该风洞的变湍流度能力，综述了变湍流度时对部分试验结果影响的规律性。

LMS动态系统在低湍流度风洞动力段的振动测试应用

为了比较清晰地了解西北工业大学低湍流度风洞动力段的振动情况,在搬迁改造过程中,笔者采用比利时LMS公司的动态频谱测量设备构建动态测量与分析系统对其动力段各组件的振动情况进行了测试。通过讨论动力段壳体、电机本体、以及叶轮的不同组合状态下振动噪声的测试结果,系统地阐明了各部件随电机的转速变化的振动规律,定量地分析了风洞动力段的振动噪声产生的原因。根据以上分析得到的风洞动力段振动噪声产生的原因分别是:(1)电机转轴及内部轴承的配合存在着问题;(2)在电机前端加装叶轮后发现叶轮旋转过程中存在着不平衡;(3)在动力段加装壳体后发现由于叶轮存在不平衡和动力段壳体内壁有摩擦,同时叶轮的旋转形成的空气动力性噪声通过壳体以声辐射的形式向外传播。

低湍流度时尾流湍流切应力和湍流动能的相关

简述了在性能优良、湍流度极低（０．０２％）的西北工业大学低湍流度风洞中用热线风速仪测量翼型近场尾流及边界层速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等的简况，并着重讨论了极低湍流度下近场尾流中湍流切应力和湍流动能间的相关特性，表明相关值明显不同于常规湍流度的结果。

一种基于EMD的低湍流度信号处理分析方法

采用热线风速仪在3座典型低速风洞中进行了流场湍流度测量,这3座低速风洞包括1个低湍流风洞、1个常规闭口风洞和1个开口射流风洞。针对湍流信号通常受噪声干扰的问题,在湍流度值处理中引入了经验模式分解（EMD）自适应滤波和HHT时频谱分析方法。将EMD方法与其他几种湍流度值处理方法进行了比较,包括带通滤波方法（BP）、电磁噪声解耦方法（ENC）和高通惯性衰滤波方法（HPIA）。采用EMD方法测得低湍流风洞的湍流度值,在流场速度30～100m/s的范围内小于0.05%。采用HHT方法完成了脉动速度信号的时频分析,分析发现开口风洞试验段的脉动速度HHT时频谱有突出的低频信号。所构建的EMD自适应滤波器可以有效控制噪声对热线输出信号的影响,是一种有效的低湍流度信号处理方法。

低湍流度风洞中的斜置翼三维边界层测量试验研究

在西工大低湍流度风洞中，于不同后掠角和湍流度下，以４５°单丝热线探头，在斜置翼上测量三维边界层速度型并计算特征参数的情况表明：横流影响的规律性明显，三维速度型扭曲相当复杂；后掠角和湍流度增大时，速度型和厚度的发展、不同层次的流线偏移和特征参数的变化受横流影响更为明显。

微型低湍流度直流风洞的气动设计

风洞实验是进行空气动力学研究的重要手段。通过对低湍流风洞的调研分析,设计了一座具有先进指标的微型低湍流度低速风洞,设计过程中,对收缩段、稳定段等湍流主要影响部件给出了详细的气动设计依据。风洞建成后,配合其他设备可以进行航空航天、桥梁建筑、交通运输等专业的空气动力学教学实验。

低(变)湍流度风洞设计再探讨

在资料调研与总结国内约20年来成功研制低(变)湍流度风洞的基础上,介绍了这类风洞设计思想中几点有新意的方法,供设计者参考。对减湍起决定作用的稳定段布局设计给出了一组综合性图线;对减湍起重要作用的收缩段设计提出了通用便捷的方法;对全系统起优化作用的风扇动力段及拐角导流片设计研制等有一定的新见解。

一座新的低湍流度风洞

回顾了低湍流度风洞发展概况，简介了西北工业大学低湍流度风洞总体布局及主要性能，说明了低湍流度风洞研制的技术进步点，简述了该风洞研制成功的作用和意义。

低湍流度水洞的水动力学设计与流场校测

中国空气动力研究与发展中心建成了低湍流度水洞流动显示实验室,以满足边界层转捩、湍流结构与控制及旋涡与分离流结构特性等基础研究需求,同时为开展新概念、高性能飞行器布局绕流结构及复杂流场特性研究提供流动显示实验平台。为满足低湍流度、速度场均匀、流场稳定性好和流场调节过程高效等核心指标需求,该水洞的水动力学设计过程打破了常规设计理念,注重理论与经验密切结合,提出并使用了三个方面的关键技术:一是使用消能孔板保证洞体回路全程低流速,综合迭代优化收缩段剖面结构、收缩比、稳定段蜂窝器、阻尼网和拐角段的拐角导流片结构形式等关键技术降低湍流度,将收缩比控制在9.3的状态下使湍流度达到0.1%,大幅节约了建设成本;二是在试验段下游使用等直下沉段释放能量、稳定流速和抑制回波,这种动力段与试验段之间的液位差,对消除轴流泵运行带来的水激振动扰动和抑制因流场调节带来的回波扰动作用重大;三是试验段上洞壁为敞开式槽体结构,保证试验段流体液面压力稳定,速度均匀,依据水动力学及轴流泵运行理论,上洞壁敞开式槽体结构对试验段速度场的稳定性及均匀性是有益的。流场校测试验结果表明水洞流场具有湍流度低(优于0.1%)、空间速度场均匀、流速稳定、流场调节高效和使用便捷等特点,该水洞的低湍流度水动力学设计方法值得推广。

基于改进的低雷诺数湍流模型的软性磨粒流加工仿真与实验

针对模具结构化表面软性磨粒流精密加工中壁面特性求解困难的问题,基于改进的低雷诺数湍流模型提出了一种对软性磨粒流壁面特性进行分析的方法.该模型仿真的湍流可以从充分发展的高雷诺数湍流到低雷诺数湍流,所以,对于壁面区域的求解精度更高.以机械加工中常见的U形沟槽为仿真对象,数值模拟了其内部流场,尤其是壁面区的流场特征参数.分析结果表明：当初始压力p0在2.5～4.5MPa之间时,流道的内部流动是不完全发展的湍流,详细分析了p0为4.5MPa时渐变截面流道的内部流动,压力与速度分布均是中心高、两侧低,而且越靠近U形底部,压力值和速度值越高;磨粒流速度一直增大,磨粒受到的驱动力增大,使得单位时间内颗粒与壁面的碰撞增加.通过碰撞观测实验发现磨粒对壁面的碰撞速度与仿真结果相符,加工实验进一步验证了仿真结果.

基于车身绕流的低雷诺数湍流模型改进研究

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键.在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度.针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及响应阈值引入LRN k-ε(low Reynolds number k-ε)模型,获得了一种能够更准确预测转捩的改进低雷诺数湍流模型(modified LRN k-ε),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析RANS/LES混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的LRN k-ε湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象的转捩LRN CLES模型.分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过Ansys Fluent求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.

后掠机翼低速流动转捩位置的升华法测量

报导了在西北工业大学低湍流度风洞中采用升华法测量后掠翼上表面流动转捩位置及其随攻角变化而改变情况,并参照后掠翼压力分布的实验结果进行分析。本文涉及的升华法,是根据边界层的层流区和湍流区流态差别来判断边界层转捩的一种测量方法。升华法的测量结果表明:在小攻角范围内,转捩位置逐渐提前,当达到某一攻角时,转捩快速接近前缘。这一结果和压力分布的实验结果相吻合,说明升华法能够较准确地显示转捩线位置。由于影响后掠翼转捩位置的因素较多,诸如边界层内横流的不稳定性、壁面的干扰、后掠翼的三维流动效应等,致使出现了攻角为4°时转捩位置呈现出一条斜线的现象。