[科普中国]-增压风洞

对于好的起飞着陆特性和高速性能所要求的高其截荷，使几乎所有的常规、军、民用飞机必须有复杂的前缘缝其、开缝襟其或吹气襟其，以便获得所儒要的升力系数。在给定长度的跑道上获得较好的起飞能力与从机场开始爬高期间获得较低的阻力(其中单发停车)的效益至少与改善飞行包线的高速部分一样值得往意。此外，对机场附近减少噪音的强调将导致对未来飞机设计的增升间题与低速特性间题引起更大的注意。

尽管飞行马赫数在这些条件下是低的，但是高的局部速度、特别在机其前缘附近产生了明显的压缩性影响。因此，在准确的马赫数下进行模型实验是重要的.而且要在现代的开缝增升系统的所有部件(其中一些部件可能仅仅是10%的基本弦长)上获得满意的雷诺数就更有必要取得比过去更高的试验雷诺数。同时，使用大模型是重要的，以便能正确地棋拟前缘缝其与襟其支架。只有当压缩性效应与尺度效应能够在模型试验结果中分离出来时，才能较准确地做出全尺寸性能的推断。这就要求有一座能进行这样研究的增压风洞。

1、提高压力从而提高雷诺数，可以节省风洞的驱动功率；

2、增压风洞可以区别雷诺数效应和马赫数效应的影响。即使在低速不可压流的范围，也有些气动特性与马赫数相关，例如：最大升力系数。这是由于机翼迎角很大，前缘附近的局部流速已经达到可压流的范围，因而表现出压缩性效应。

在常压风洞中，改变雷诺数是通过速度的变化达到的，但是改变雷诺数的同时，马赫数也随之改变了。因此不能单独试验雷诺数或者马赫数的影响。在增压风洞中，压力是可以控制的。若保持速度不变而增大压力，则可以在保证马赫数不变的情况下增加雷诺数。若在增加速度的同时，降低压力，则可以保持密度与速度的乘积不变，则可以保持雷诺数不变而增加马赫数。

3、在有的增压风洞中，压力可以调节到低于大气的值。保持风洞在低压下运转，相同马赫数下，功率将大大降低。当然，雷诺数也比较低。

1、模型及支架系统的强度问题。

风洞密度提高，导致动压增大，因而作用在模型上的气动载荷增大。模型设计将变得困难，模型支架也必须相应的增大尺寸，因而支架的干扰变得比较严重。据认为，若动压超过约200000Pa时，实验模型及支架的设计将遇到极大的困难。在低速范围内，普通模型的强度允许压力增加到3个大气压左右，所以，风洞压力不超过3个大气压，对模型设计是有利的。

2、要求风洞洞身具有足够强度承受压力。

压力风洞的洞身需要承受很大的压力载荷，其成本占风洞全部造价的三分之一左右，并几乎与材料重量成正比。减小风洞尺寸对节约材料是很重要的。对于一定的雷诺数，减小整个风洞的尺寸比为了承受更大的压力而增加壁厚的效果更加明显，所以宁肯采用风洞小而压力大的方案。1

英国皇家航空研究院（RAE）在法恩巴勒建造了一座大型增压低速风洞。

设计的主要特点之一就是采用了能保证容易地进出试验段的结构，此结构可与在大气压力下运行的大型低速风洞相匹配。两个同心的球体包围着试验段部分上游与下游末端的试验段壁能转动，因此内球体外边的压力门能在空气管道中横向摆动，并紧靠在内球体上。然后给风洞降压，使工作人员能进入试验段。

模型与试验所需要的所有仪表都安装在构成试验段地板的“车”上。该试验段能够绕球体的垂直轴旋转，一直到试验段与主进出管对齐为止。然后整个车由电力驱动，沿着铁轨走到转台，从那以后就停在四个没备间的一个中。

设备间的主地板大约比停在该房间中的车的底平面高一米。临时地板能方便地横放在设备间与主地板水平，以使模型直接出入，而不需要台阶和架子。

据估计要使风扇停止，压力门处于固定位置，模型能够使用，总共需要6分钟，从模型更换完成到处于工作状态，并准备测取数据需要同样的时间。

通路系统部分是由一个计算机程序装置控制的。这个装置提供了所有合适的保险连锁装置，包括人员进出试验段在内。一个单独的系统控制试验段的旋转和车在试验段与设备间之间的运动。2

FL-9是我国建造的低速增压风洞。

（1）风洞洞体是一个具有气流流动的大型管道压力容器。具有风洞管道和大型容器两大特点。

（2）由于风洞在增压下运行，风洞管道内外压力差较大，存在密封问题需要特别考虑。

（3）风洞经常在大速压(常压 ;增压 )条件下工作，风洞和模型都将承受较大的载荷。

（4）风洞风扇电机功率为9500kW，在运转过程中对气流加热，要保持风洞在39~41℃条件下运转，因此存在冷却问题。

（5）为了节省能量，在更换模型及其部件时，不能采用全卸压方式，而是采用密封试验段两端，将试验段卸压的方式。

（6）为了提高风洞效率，不允许占用风洞做试验准备。为此采用可移出试验段(含驻室)。有四套模型架车，在洞外做试验准备，准备完毕后将模型架车推入试验段。

（1）做好风洞的总体气动布局设计工作

为了保证风洞具有良好的气流品质，必须使风洞每一部件的参数选择均满足参考标准的要求，并尽可能优化。

与F1风洞比较,FL-9风洞的气动布局有三点明显变化:

①收缩比由7.2增加到9;

②稳定段人口采用了大角扩散(最大扩散角17.2度);

③将冷却器置于稳定段内，以减小流动损失和导直气流。

（2）密封问题是结构设计的重要环节

风洞各段之间的密封采用充气橡胶圈，风洞备有专用的辅助气源供密封橡胶圈充气。此外，有两个重要环节:一是试验段密封门，由于它体积大(弧形半径6m)，重量大(每个重27t) ,使控制和密封都很难。二是动力系统的长轴(长10m)与洞体的密封，采用专门的密封结构。

（3）可移动的试验段和驻室

可移动的试验段和驻室是FL-9风洞特殊关键部件。试验段可移动段长8 . 5m，下壁与模型架车联在一起，每个模型车有一块底板，更换模型架车时，一起推入(出)试验段。可移动驻室内径8m,壁厚30mm。驻室可沿地面导轨移动，其移动速度为14m/min。

（4）压力试验

根据国标GB 150-89《钢制压力容器》规定，风洞承压壳体必须进行压力试验。压力试验通常有水压试验和气压试验两种。水压试验的优点是安全性较好，但随之带来的是洞体基础载荷增加太多。FL-9风洞容积约13000耐，如做水压试验，则基础承载要多加13000t，使基础造价增加几倍。所以FL-9风洞选用气压试验方案。按国家标准规定:对“不适宜作液压试验的容器，可以进行气压试验”。上述规定仅适用于低压容器（0.1MPa~1.6MPa），而且规定了气压试验的方法。FL-9风洞设有安全阀。一旦发现有泄漏可以放气降压。

（5）动力系统的调速方案和高效、低噪声风扇设计

动力系统的调速方案有两种:一种是在风洞运行中风扇转速不变，用改变风扇桨距的方法改变风速。F1风洞选用此方案。另一种是用交流电机驱动风扇，通过变频装置改变电机的频率，从而改变风扇转速，达到改变风速的目的。后一种方案是现代低速风洞(例如DNW )经常采用的方案。其优点是机构简单、运行可靠，维护方便，但投资较大。FL-9风洞最终选用了变频调速方案。

高效率和低噪声是风扇系统设计追求的两大目标。这两个目标是一对矛盾。为此，采用了多目标优化设计方法。通过对设计参数的调整、降低风扇桨叶工作载荷和冀尖速度、提高翼型在o}迎角附近的性能(阻力尽量小，升力系数在0.5左右，翼面尽量保持层流，避免分离)、适当地选择桨叶的升阻比（不小于40）和风扇的前进比（0.6~1.2）、调整风扇叶片数和止旋片数的匹配等措施，使风扇效率达到90%，并尽量降低风扇噪声。

（6）冷却系统

要求增压风洞在运行状态试验段温度保持在40土1摄氏度，为此需要设置冷却系统。采用水冷散热，保证风洞在试验段恒温状态下运行。3