[科普中国]-亚音速风洞

基本概念

亚音速风洞是指试验段气流马赫数范围约为0.4-0.8的风洞，马赫数下限也可以低至0。亚音速风洞的构造与回流式低速风洞相近，驱动风扇的功率较同等尺寸的低速风洞为大，一般都采用两级或两级以上的轴流式风扇，并有防止气流温升过高的冷却器或换气装置。世界上这类风洞不太多，大都建于跨音速风洞、三音速风洞（运行范围包括亚、跨、超音速的风洞）诞生之前。1

亚音速风洞的冷却问题亚音速风洞的冷冻问题是风洞设计中一个十分重要的问题。风洞定常工作的时候，由动力装置补充给风洞的全部能量，通过摩擦、分离等等，全部转化为热能。这些热能除一部分传递到周围环境中以外，将使风洞气流及洞身设备的温度提高，直至达到一个平衡温度。如果不设法将这些热量散发掉，温度将随时间延续而增高，并且达到很高的平衡温度。这对风洞和试验都带来十分不利的影响。这些影响主要包括以下几个方面：

（1）如果其他试验条件不变，温度升高将使得空气的粘性系数变大， 因而降低试验的雷诺数，甚至引起模型附近的流动状态发生变化。

（2）过高的试验温度会使得模型表面上临时填补外形所用的材料，例如蜡等发生软化，因而改变模型外形。

（3）若采用内部应变式天平，则高温会引起天平本身的变形，并使天平内部电阻丝的工作条件受到影响。对于机械式天平，过高的温度变化也会引起天平的零读数发生漂移，因而影响测量精度。

（4）风洞结构会因温度升高而膨胀，因而引起结构内部的热应力，或者变形。如果设计中不考虑这个因素，变形甚至会引起结构破坏。

（5）若驱动风扇的电机装在风洞内部，而且电机本身没有专门的冷却设备，则温度升高会使电机的工作性能变坏，甚至引起破坏。

在以上的影响中，第（1）、（4）条尤其值得注意。由此看来，亚音速风洞的冷却问题是十分必要和重要的，一般希望试验段的温度为常数，保持在15-20℃之间，最高也不应超过45℃。

风洞冷却所采用的方法大致有三种：

（1）风洞内部冷却法；

（2）风洞管道表面冷却法；

（3）空气交换冷却法。

某个风洞究竟采用哪一种冷却方法，应该从多方面考虑。例如，风洞管道的结构材料以及传热情况，需要冷却的空气流量及风洞内外温度差，风洞的压力或密度是否变化，风洞所承担的试验，以及当地的施工条件等等。不管采用哪一种冷却方法，冷却系统都应主要设置在风洞管道的温度最高处，应该力求冷却器所带来的压力损失最小。2

亚音速风洞的结构问题在亚音速风洞中，由于一般都采用大扩散比，并且需要安装大型动力设备和冷却器等，因而风洞管道的直径都比较大，管道也比较长。风洞洞身的载荷以及受热都很严重，因此，在风洞结构设计时，必须考虑很多问题，这些问题与下述风洞气动力参数和状况有关。

（1）风洞是否改变压力以及改变的范围；

（2）风洞试验段附近的静压以及动压；

（3）风洞在工作以及停车时的内部空气温度和工作环境；

（4）由于风扇转动以及空气流动所引起的振动等等。3