[科普中国]-风洞流场品质

流场

流场是指在一个流场里，速度、压强等都会发生变化。在飞行的情况下，是由飞行器的运动造成的；在风洞实验里，则是因为在均匀直线气流里放进了模型，模型对气流产生扰动所造成的。是用欧拉法描述的流体质点运动，其流速、压强等函数定义在时间和空间点坐标场上的流速场、压强场等的统称。 某一时刻气流运动的空间分布。

对于流场特性分析，常涉及到涡的概念。对于流场的涡分析中，涡常包含涡量场和涡旋两个方面，从涡形态上可以认为：涡量场指涡量的空间分布，涡旋指涡量集聚的涡结构，也常用涡指流场流线图中的漩涡形态(比如旋翼涡环形态)。涡量场通常和粘性流动存在着对应关系。流体粘性应力的大小由应变速率决定，尤其是剪切应变速率的大小。而涡量和应变速率都是由流场的速度梯度造成的，速度梯度越大，应变速率和涡量一般也越大。

定义风洞流场品质是指用来说明风洞试验段中模型区流场优劣的程度。1

流场品质要求所谓流场品质，主要是指风洞试验段内的气流参数在时间和空间上的均匀程度。根据一些成功的风洞统计数据以及《高速风洞和低速风洞流场品质规范》(中华人民共和国国家军用标准GJB 1179-91)，验段气流的各种特性应达到以下一些指标：

（1）气流稳定性。气流的稳定性是指气流的动压或速度随时间脉动的情况。气流稳定性可以用动压稳定性系数表示。根据国家规范测量方法为：在模型区中心处装标准风速管，在常用动压下，在一分钟内连续测量动压值，测量次数不少于120次，按照下式计算动压稳定性系数。

式中为 一分钟内最大动压， 为一分钟内最小动压。一般动压稳定性系数要求小于等于0.005

（2）速度均匀性。速度的均匀性是指气流速度在空间的分布情况，现阶段主要运用动压场系数从来反映气流速度在空间的分布情况。测量试验段各截面的动压分布，测量截面不少于5个(在模型区不少于3个)。对通过模型区中心的截面，要在常用动压、最大动压以及最小动压下进行测量;其他截面只在常用动压下进行测量。

（3）方向均匀性。要求试验段模型区各个截面内任何一点的气流方向与风洞轴线之间的夹角要不超过0.5度，要求试验段平均气流偏角不超过0.2度。

（4）轴向静压梯度。对于闭口试验段，由于洞壁附面层顺气流方向发展，若不采取其他措施，会使有效流动截面缩小，气流速度增加，因而使静压沿气流方向不断降低，形成轴向静压梯度。在流场中的物体受到一个沿轴向的附加压力，这种情况在大气飞行中时不存在的。一般为试验段设计微小的扩散角，使轴向静压梯度尽可能减小。国家规范要求在模型区内，轴向静压梯度不超过0.005。

（5）气流温度。风洞稳定运转输入的能量最终会转化为热变化。而气流温度的变化会引起空气密度和勃性系数的变化对试验造成不利的影响。，使气流温度发生导致雷诺数的变化。回流式风洞要求在常用动压下，气流温升每小时不超过15摄氏度，最高温度不超过45摄氏度。

（6）气流湍流度。气流中存在着微小的旋涡运动，因而试验段里任何一点的气流速度总存在着微小脉动。某一点气流速度的瞬时值可以看作时均值和脉动值之和。通常以脉动速度的均方值表示脉动程度，湍流度定义为x、y、z三个方向脉动均方值的平均值。湍流度的大小对于流场的影响较大，为了保证风洞试验数据不受湍流度的影响，试验段湍流应该较低。对于较好的风洞，湍流度应低于0.2%~0.4%。

改善流场品质的方法一座新建的风洞，必须保证精心设计，精心施工，才能保证流场有良好的品质。对于已经建成的风洞，如果流场品质很差，不能满足气动力试验的要求，要改善它的流场品质，则是非常困难的事。因为要找到流场品质不良的原因就不容易，往往需要在风洞内进行长期的探索才能找到问题所在。例如，如果试验段内气流存在明显涡旋，就必须找出产生涡旋的根源。它究竟是拐角导流片设计不合理，还是收缩段设计不合理，或者是风扇尾迹没有消除。只有找到了造成流场品质差的原因，才能采取相应的改进措施。一般对于小型风洞若流场品质极差，可以重新设计建造一个，但是对于大型风洞，只能尽力进行改善。所以，最好的办法是在风洞设计阶段就对影响流场品质的各种因素给予足够的重视。

蜂窝器是低速风洞必不可少的整流部件，它对直流式风洞尤为重要，它能导直气流，有效切割大涡旋，减小气流横向流动，使气流速度趋于均匀。它在改善气流脉动、减小气流湍流度方面有特殊的作用。蜂窝器对风洞流场品质的改善作用是阻尼网无法替代的。

阻尼网是低速风洞另一个重要的整流部件。它可以把大涡旋切割成小的涡旋，使它的能量易于耗散，从而降低气流的湍流度。同时，阻尼网也可以使气流轴向速度趋于均匀。

增大风洞收缩段的收缩比可以改善试验段气流的均匀性和降低湍流度。因为在收缩过程中，气流速度增加，但是脉动速度基本不变，因此气流湍流度就降低了。

回流式风洞不受外界自然风的影响，但是气流通过转弯半径很小的90。拐角时，会在拐角处的外壁和拐角后的内壁发生分离，产生涡旋，破坏流动的均匀性。因此，回流式风洞必须在四个拐角处安装精心设计的拐角导流片，以防止气流分离。

风洞试验段后的扩散段，具有使气流减小流速、减小能量损失的作用。但是如果扩散段设计不合理，使静压恢复过快，产生很大的逆压梯度，就会导致气流间歇性分离或定常分离，从而引起振动、风扇载荷振荡以及试验段气流速度振荡。扩散段的扩散角一般为5度~6度。2