[科普中国]-模型风洞- · 科普中国网

模型风洞组成结构

风洞试验模型是在飞机型号研制过程中，根据相似理论设计生产的物理实验模型。其用途是测量飞行器各个部件的气动力特性。根据模型种类和用途的不同，一般把全机测力和测压模型称为常规实验模型，其余的种类称为特种实验模型。风洞模型按实验方法可分为全机测力、压力分布、半模型、进气道、通气模型、喷流模型、二元翼型、铰链力矩、投放模型、颤振、静弹等20余种。1

模型作为一种特殊的航空产品，在研制过程中，与通用航空产品相比有其特殊性，其几何外形必须与真实飞机完全相似，一般按飞机的理论外型进行缩比。模型设计必须满足风洞安装要求，并进行强度和刚度校核计算。模型的加工、装配精度要求较高。模型是一种高精密度的机械产品，无论是零部件，还是整机组合件，在研制生产过程中，都要求必须精准。一套典型的模型结构大致分为以下几部分：

（1）机身部分：是模型的承力部件，机身内有主要的受力构件，由于机身较为细长，要采用分段结构，根据需要一般由2~4段组成。

（2）翼面部分:是模型的承力部件，包括机翼、水平尾翼、垂直尾翼、弹翼等。

（3）活动操纵面部分:包括机翼前后缘襟翼、副翼、升降舵、方向舵、角度片、铰链机构等。

（4）动力及通气管路:包括唇口装置、通气管路、发动机舱、喷管和喷口等。

（5）连接与支撑装置:主要有与风洞连接的支杆、天平等部件。

制造模型的材料是比较严格规范的，高速风洞模型均由金属材料制造，模型的主要承力零部件，如机身、翼面、活动操纵面等选用高强度优质结构合金钢30CrMnSiA、钦合金等制造，部分试验次数较少或承载不大的零件可用钢45或铝合金LY12CZ。随着加工手段的提高和模型大型化的趋势，低速风洞模型越来越多地采用铝合金和复合材料。

模型风洞的要求风洞试验的要求材料通常采用木质(三合板)、有机玻璃或铝合金。模型的大小依具体的风洞尺寸而定，一般的风洞都不可能进行足尺试验，因此大部分的建筑风洞试验模型都是通过几何缩尺得到的。风洞的尺寸确定后，模型越大，风洞壁附面层对模型的影响也越大。为了使风洞壁附面层对模型的影响不会过大，风洞试验对模型进行了如下的规定:2

(1)模型的迎风面积不得超过试验段横截面积的5%，即模型在风洞试验段中的阻塞度不得超过5%；

(2)模型的宽度不得超过试验段宽度的70%；

(3)模型的长度应在风洞静压梯度比较均匀的区域内，以减小风洞试验段内沿风洞轴线方向的静压梯度影响。

在满足以上要求的基础上，试验的设计者可以根据具体需要采用一个相对比较合理的几何缩尺比进行试验。通常建筑风洞试验模型的几何缩尺比选大约在1/300-1/500之间。3

模型风洞的分类模型风洞试验根据不同的试验目的采用不同的模型种类。风洞试验的基本模型主要分为刚性模型和气动弹性模型两大类。

刚性模型所谓刚性模型就是在试验中只考虑风对模型的静力作用，而不考虑脉动风引起的结构动力效应。刚性模型为围护结构构件等的设计提供局部风压分布并用于确定建筑物周围的风场特性(包括风速、风向和建筑物周围的流线谱等)，也为确定总平均荷载提供平均压力。

刚性模型绝大多数由甲基丙烯酸甲酷薄板制成，此材料俗称为耐热有机玻璃。它比木质模型或铝合金模型有许多优点，如：易于精确地进行机械加工和钻孔，而且是半透明的，便于对模型内的装置进行观测。当加热至200度左右时，还易于成型为曲面。可用胶粘剂或埋头螺丝将模型板连接。4

对于目前建造的大多数建筑物来说尤其是钢筋混凝土结构，由于其具有足够的刚度，重量也较大，由风引起的振幅较小，从简化抗风设计的角度出发，其模型都可以认为是刚性模型。我国规范规定:对于高度在30米以下或高宽比小于1. 5的房屋可以不考虑脉动风压的影响。新的国际风荷载标准认为:在风载作用下，建筑物的挠度小于建筑物高度的1/1000时为刚性建筑。5

刚性模型是为高宽比小于5的建筑物提供适用设计数据的。虽然刚性模型研究的基本目的是得出局部压力的波动状态，但其试验结果仍可能外延，得出对气动弹性相互作用不敏感的刚性建筑整个结构体系的设计压力。利用其结果进行结构总体框架的设计己日益普遍。和空气动力学以及高频力平衡研究相比，在刚性模型研究中用于得出平均压力的方法似乎有些冗长乏味，但必须指出，刚性模型试验是提供局部压力波动资料的唯一试验，而波动资料是经济而良好地进行玻璃等围护结构设计的基础。尽管一些较先进的建筑法规试图建立考虑外形因素、紊流和建筑物动力特性的设计荷载，但是，求助于风洞试验己成为工程的实践。因为业主和开发者们通常感到风洞试验中得到的围护结构风载可信度大大超过了试验的耗费。在北美，如果没有围护结构压力的研究，许多幕墙供应商将犹豫是否承担这一任务。

气动弹性模型由于大气紊流的冲击作用，高、细、柔的建筑物受到动力荷载。风引起的振动又由于建筑物的动力反应而明显增大。由建筑物动力反应引起的增大可达总反应的50%或50%以上。6风亦引起水平加速度增大，因而要求考虑用户的舒适感和对运动的感觉。和刚性模型研究一样，用分析方法确定风载的动力效应不能作为常规的设计程序，因此必须进行风洞试验以模拟建筑物的独特特性和所处的具体场所。二十世纪六十年代，在对纽约世界贸易中心大厦的风载试验中，气动弹性模型首次被应用于高层建筑研究，并在此后得到了不断的发展。

虽然将刚性模型研究得出的局部压力沿全表面累加可以很好地估算出建筑物的总风荷载，但局部风压峰值的不相关性排除了这种由累加得出动力荷载峰值的可能性。而且，要对适当的阵风持续时间(该持续时间可使结构充分承受阵风的全部效应)选用适当的阵风荷载系数，这个阵风系数的选择常常不是容易做到的。正确的阵风系数应考虑平均风载的平均周期；与建筑物高度有关的场地粗糙度；与建筑物自振频率有关的峰值阵风系数：紊流效应和建筑物的临界阻尼。虽然许多有关风和结构相互作用的效应可以定性的加以描述，但在实践中却不可能将这些效应进行精确的分析并量化。7

在考虑建筑物或结构的运动影响风荷载时，利用气动弹性模型可以直接去量测风洞中的动力荷载(总荷载、位移和加速度)，从而摆脱了阵风系数的计算。

除提供风的总平均荷载和动力荷载外，气动弹性模型研究基本上是检验风引起的摆动反应。此试验对于那些对空气弹性或人体运动有重大效应的细而柔，并对动力敏感的结构十分重要。气动弹性模型试验是预测建筑物对风反应的最可靠的方法之一。

模型风洞的应用模型风洞，也称为模型参考，模型校准（法语：maquettes d'étalonnage）或测试检查标准是相对简单和精确定义的形状的对象，具有已知的空气动力特性，在风洞中进行测试。使用标准模型，通过比较风洞试验结果与先前公布的结果，验证风洞中的完整测量链，包括风洞结构，气流质量，模型定位，换能器和力平衡，数据采集系统和数据简化软件8。

更具体地说，模型风洞用于：

（1）通过与其他风洞设施的结果相比，确认新风洞数据的可靠性;

（2）提供不同风洞结果相关性的基线;

（3）随着时间的推移检查数据重复性;

（4）在修复或修改风洞结构后检查数据重复性;

（5）评估墙壁干扰效应;

（6）识别风洞运行中的问题和故障;

（7）验证新的测量技术或设备;

（8）培训风洞人员。

此外，将标准模型的风洞试验结果用作验证计算流体动力学（CFD）计算机代码的测试用例。

在大多数风洞中，标准型号在设备的调试和校准期间进行了测试。这有时会产生不幸的影响，测试结果并不如以前那样好，因为风洞及其测量系统在测试时尚未得到最佳调整。然而，一些实验室每几年都采用了对标准模型进行定期测试的做法，以便对其风洞中的测量可靠性提供持续的信心。

标准风洞模型通常（但不总是）用于基本风洞测量类型之一，例如用力平衡的力和力矩的测量或压力分布的测量。这些模型的风洞试验结果通常以无量纲空气动力学系数的形式出版（因此独立于模型尺寸），并且可用于风洞社区，通常在包含数据的设施间比较的审查报告中讨论了观察到的结果分散，不同的测试条件，模型之间的生产差异。9

由于大部分风洞试验与航空有关，大多数标准风洞模型类似翼型，飞机或导弹的简化形式。对于静态测试，NACA 0012和CLARK Y（具有典型翼型的2D翼段模型），AGARD-B / AGARD-C（通用三角翼飞机形状），ONERA-M（通用运输飞机形状），HB-2（超高速弹道模型2，类似于折返体的形状）。对于动态测试，经常使用的标准模型是：SDM（标准动态模型，类似于F-16的类似战斗机型飞机形状）），BFM（基本翼型模型，具有四个翼片的通用圆锥形导弹后端）和MBFM（改进的基本细节模型）。还存在许多其他标准模型。

随着越来越多的风洞在道路车辆的测试中被使用，定义了几种标准车型，如艾哈迈德身体，MIRA参考车等。

一些风洞实验室使用内部定义的标准模型进行定期检查，这些模型选自先前在设施中测试的模型库。10

相对于一些容易识别的参数来定义标准风洞模型的几何形状。身体直径或翼和弦几何体由提出模型的机构发布。除了模型本身，通常还定义了与模型一起使用的标准模型支持（如刺）。实际模型的建造尺寸适合于特定风洞试验段的尺寸，特别注意模型的正面阻塞（模型横截面积与风洞试验段面积的比例）保持不变远低于1%（除了墙体干扰研究，模型可能更大）。