[科普中国]-矩形风洞

矩形风洞收缩段流场研究

收缩段是风洞的重要部件，它的主要作用是提高试验段的气流品质，即改善流场的均匀性、稳定性及降低湍流度。在没有分离和低速流动的条件下，收缩段中的流动可以用Laplace方程足够准确地加以描述。由于方程和几何形状相对比较简单，有可能用解析方法求解，在一段时期内收缩段流动成为理论工作者颇感兴趣的研究对象。从40年代至70年代，出现了不少关于收缩段流动的理论研究。这些研究注重于对二元或轴对称收缩段的流动进行数学求解，但是对于收缩段的实际设计问题则没有给予很多考虑。为了得到解析结果，大多限于分析某些特殊的理论收缩曲线。对设计要求的考虑也往往不切实际，如要求壁面上不存在逆压梯度以及出口截面速度完全均匀，导致了无限长的收缩曲线。在实际使用中理论曲线必须截断，又破坏了理论上的要求。

随着计算流体力学的发展，收缩段研究的侧重点发生了变化，从对理想流动的数学求解转变为根据真实条件对收缩段进行优化设计。近年来在这方面也已经有了不少研究。它们在以下几方面比原先的研究有所进步：

(1)采用数值方法计算收缩段流动，摆脱了解析方法的局限性，能够对给定形状和长度的收缩段进行分析研究，在满足收缩段设计的实际需要方面前进了一大步。

(2)归纳提出了比较符合收缩段实际流动情况的设计准则。主要是：(a)允许壁面上存在逆压梯度，但要求边界层不分离。实际上在人口和出口附近壁面上的逆压梯度是不可避免的，要求完全消除逆压梯度将导致无限长的收缩曲线，这既不可能也没有必要。(b)出口截面速度不要求完全均匀，但要求达到一定的均匀度。实际上在有限长度内要达到出口速度完全均匀也是不可能的。对均匀性的要求一般为±2%。

(3)寻求收缩段的优化设计。一般是以在满足设计准则的约束条件下使收缩段长度最短为最优设计。

这些工作把收缩段的研究水平推进了一步，按照这些方法，可以设计出至少是接近优化的收缩段。其中Morel的工作是具有代表性的，它不但给出了具体的设什步骤，而且提供了便于应用的曲线图表，方便了优化收缩段的设计。

但至今这些关于收缩段的研究基本上只限于二元和轴对称问题。在实际风洞中，除了少数圆极面风洞之外，绝大多数风洞收缩段是三元的，其中多数是矩形截面。至于二元收缩段本来就是一种理想情况，实际上并不存在。在实际的三元收缩段中，流动在横向发生变化，壁面的逆压梯度随着横向位置不同而改变，在角上变得特别陡峭。出口流动均匀性的情况也与轴对称及二元收缩段不同。为了得到能满足设计准则的良好设计，轴对称及二元的分析设计方法显然是不够的。

西北工业大学从1988年开始进行了2.5米×3.5米低速风洞的设计和建设工作。由于要求具有优良的气流品质,对收缩段的设计给予了足够的重视。设计中选择了三种常用的收缩曲线进行比较。为了检查这些收缩曲线是否满足设计准则和判断优劣，需要对矩形三元收缩段的流场进行计算。1

小尺度矩形截面风洞的壁湍流流场测试研究简介湍流是比层流更普遍的流体力学现象，但由于湍流运动的复杂性，自1883年雷诺发现湍流流动至今，人类一直未能完全认识湍流的物理本质，建立一套完善的湍流数学模型。这使得许多湍流控制技术(如壁湍流减阻、降噪技术等)的研究难度很大，需要开展大量的各类实验研究工作。这些湍流相关技术测试试验与大型工程测试试验侧重不同，前者需要根据试验目的的不同提供满足各种特殊需要的试验流场条件，而后者则侧重于精确测量航行体在外部高速低扰动稳定绕流过程中所受到的流体动力。因此，试验费用昂贵的大型低湍流度风洞、水洞等试验设备反而不便于直接应用于该类壁湍流测试试验。

为此，近年来不少学者开始尝试在小尺度风洞或水洞内开展该类特殊试验，如清华大学陈大融等人利用工作段直径为30 mm的小型水洞开展了大量的疏水表面减阻试验，天津大学周建和等利用小尺寸风洞完成了湍流流场的试验测试，并获得了较好的试验效果。为探索基于该种小尺度风洞/水洞开展湍流测试试验的合理可行性，该研究以西安交通大学流体机械国家专业实验室的吸式小型低速风洞试验段内湍流流场为例，开展了一系列不同风速下流场的测试及分析。2

研究结果(1)矩形截面试验段在较低风速下即可实现充分发展的湍流流动，且不同风速下矩形截面试验段内湍流特性均与充分发展壁湍流边界层基本一致。

(2)采用小尺度矩形试验段开展沟槽表面壁湍流流场研究科学可行，预计该项壁湍流试验研究方法还可以方便地应用于其他壁湍流相关技术的试验研究。2