风洞及风洞风机

风洞及风洞风机

摘要：本文介绍了空气动力学试验中最常用的风洞试验方法，较详细地说明了风洞的构造，风洞试验在飞行器设计和汽车设计方面的应用。对风洞风机系统作了概述，着重阐述了在风机设计中起关键性作用的叶轮和叶栅。

关键词：风洞试验；应用；风机；叶轮；叶栅

Wind Tunnel and Fan of Wind Tunnel

Abstract: In this paper, we introduced wind tunnel test method which is commonly used in air dynamics test, elaborated its structure and application of wind tunnel test in design of aircrafts and automobiles, and briefly accounted fan system of wind tunnel, then expounded impeller and cascade, which play an important part in fan design.

Key words: Wind tunnel test; Application; Fan; Impeller; Cascade

1 风洞及其应用情况

风洞是进行空气动力学试验的一项基本设备。空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。进行空气动力学试验有各种方法，例如利用自然风、旋臂机、火箭车、自由飞模型、携带试验、飞行器试飞以及风洞等。每种方法都有它自己独特的优点，但其中最主要的还是风洞试验，其他方法远不如风洞试验那样被普遍使用，只能是风洞试验的一种补充。

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1.1 风洞

风洞，是指在一个按一定要求设计的管道系统内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，根据运动的相对性和相似性原理对模型进行空气动力实验的一种设备。风洞设计的主要任务是在动力装置功率最小和成本最低的情况下，提供各种速度范围内模型试验所必需的气动力环境，即希望在一个简单的风洞中能够大范围地改变各种相似参数。

通常根据马赫数可将风洞分为四种基本类型：Ma≤0.4的低速风洞；Ma=0.4～1.4的跨声速风洞；Ma=1.5～4.5的超声速风洞及Ma≥5的高超声速风洞。目前世界上最大的低速风洞是美国国家航空航天局艾姆斯中心的国家全尺寸设备，实验段的尺寸为24.4×36.6平方米，足以实验一架完整的真飞机。雷诺数最高的大型跨声速风洞是美国兰利中心的国家跨音速设备，是一座实验尺寸为2.5×2.5平方米的低温风洞，采用喷注射液氮降温方法，使风洞实验的雷诺数接近或达到飞行器的实际飞行值。

风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。洞体，它有一个能对模型进行必要测量和观察的试验段。试验段上游有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管。试验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排气段或导回到风洞入口的回流段。

例如轴流风洞结构如图所示，由电机驱动轴流风机为动力，使气流进入蜂窝器、阻尼网，经过收缩段进入第一工作段，经扩压段进入第二工作段再经过扩压段的阻尼网、整流罩，流经风机排出到大气中去。

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1.2 风洞在各行业中的应用

风洞在气动力研究和飞行器气动设计中一直有着非常重要的作用。空气动力学中的许多重要理论，如空气螺旋桨理论、边界层理论都是在风洞试验中经过大量观测后提出来的，并且它们的应用又得到了风洞试验的验证。在飞行器的研制和发展中，风洞的作用更为明显。从1930年世界上出现第一架飞机以来，所有飞行器的研制都离不开风洞。很多气动布局的新技术，都是在大量的风洞试验中取得的。

随着工业科学技术的发展，风洞在非航空、航天领域的应用也日趋广泛。例如，气流测试仪器的标定，普通建筑、高层建筑、电视塔、高压电缆、大型塔架及其他各种建筑物的风载性能，汽车、火车及其他交通车辆的气动性能，大气污染现象，各种风力机械、防风林和防沙林、体育器械的性能等等，都需要利用风洞实验的技术，在风洞中进行各种试验。

例如湖南大学风洞实验室是用高科技手段在室内模拟各种自然风现象的实验场所。在民用设计领域，在桥梁、高层建筑领域或工业制造领域中有着广泛的应用前景，在工业产品的设计特别是交通工具的设计中也发挥着重要作用。此风洞管道长57米，由风源、高速实验段、低速实验段和转盘等部分组成。其中，风源是从直升飞机制造厂定做的直径4米的9叶大风扇，最高转速567转／秒，模拟最大风速为60米／秒，最小为1米／秒。高速实验段和低速实验段是人造风的两个通道，低速段4.5米的高度和高速段17米的长度，创造了国内同类型风洞的新纪录。由

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于风洞高度越高，对高层建筑或大型桥梁模型受风情况提供的数据越精确；长度越长，越能精确地模拟风速的各种自然状态。因此，此风洞为相关研究提供了良好的实验条件。风洞的转盘在低速段和高速段各设一个，低速段转盘上可安放桥梁节段模型，高速段转盘上可安放桥梁节段模型和汽车模型。在实验过程中，风洞的大风扇将模拟出各种风力，通过蜂窝状的导流管，均匀地或者模拟自然风吹到被实验的模型上，从而为大桥、楼房、汽车的受风情况提供各种准确数据，为建筑设计提供可靠的科学依据。

根据试验的目的和任务的不同，飞行器的风洞试验各有其侧重点。例如，其一是飞行器的强度试验。它的目的是要对飞机整体或某一部件进行结构验证，以便获得飞机整体和部件结构在载荷和环境条件下的状态、耐受力等数据。这种试验又分为有具体针对性的静力试验、动力试验、热强度试验和疲劳试验。其二飞行试验的目的在于在真实飞行状态下，测试所有新飞机所使用的机上设备，进而检测这些新研制或经过技术改进的设备的性能。这种试验需要有专门的记录仪器，以及有遥测、遥控装置的模型飞机进行多次试飞。模型飞机既可以依靠自身动力从地面起飞，也可以由其他飞机投放，还可以用火箭动力发射。其三是用于测试飞机的整体和各结构部分，以及其他附属机、构件和辅助设置在各种环境条件下的性能。一般来说，这些环境条件应当包括寒冷地带，火热地带，高原地区，海洋空域等，以此来试验飞机的发动机在高温、低温、常温状态下的启动和运转，以及飞机的结冰防冰，雷击，腐蚀敏感性，电子抗干扰力和外物吞咽试验。

汽车风洞有模型风洞、实车风洞和气候风洞等，模型风洞较实车风洞小很多，其投资及使用成本也相对小些。在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行试验，其试验精度也相对低些。实车风洞则很大，建设费用及使用费用极高。目前世界上的实车风洞还不多，主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司。气候风洞主要是模拟气候环境，用来测定汽车的一般性能的风洞。国外的汽车公司在进行汽车开发时，其车身大都是先制成l:1的汽车泥模，然后在风洞中做试验，根据试验情况对车身各部分进行细节修改，使风阻系数达到设计要求，再用三维坐标测量仪测量车身外形，绘制车身图纸，进行车身冲压模具的设计、生产等技术工作。

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例如，法拉利风洞用于模拟赛车在赛道上所能遇到的真实场景。风洞配有金属轧制路，5米宽，功率为2,200kW的风机，能够根据紊流度、角度和均匀性生成极高质量的气流。风洞还具有世界最先进的数据获取系统和作用力及压力监控系统。可使用比例模型并结合由300多个传感器监控的复杂机构模拟任何一种设置或运动(滚动、侧滑、俯仰和过度转向)。

奔驰E级车的设计采用了新的风洞试验方法，首先制成一个原始模型经风洞试验，标出数据，同时注明要达到的空气阻力系数期望值，设计师再从大量的效果图中择优选取，然后再塑造20个1：5的新车身模型，优选其中10个再做风洞试验，继续优化。风洞试验的作用是模拟汽车道路试验，测量汽车行驶中的气流特性、通风和散热特性等。将汽车或模型置于可旋转的圆台上，可以测试阻力、升力、侧向力、俯仰力矩、侧倾力矩、横向力矩等6个分量，车身表面各点压力及气流场；风洞还可以模仿酷夏严冬，湿度、强光等环境，测量发动机、散热器、电气设备及空调设备、底盘制动件、车厢座椅等处的温度场随车速变化的特性等等。利用风洞进行汽车模型试验，数据准确而且费用低于汽车道路试验，因此是开发设计现代汽车的重要设施之一。奔驰的风洞功率高达4000千瓦，是全世界汽车风洞风机功率最大的一个。

2 风洞风机

2.1 风洞风机系统概述

低速风洞运转时，维持气流流动的能量是由电动机驱动风扇提供的。气流在风洞管道中的能量耗散，主要表现为压力的下降。风扇的作用正是提高气流的压力。当二者达到平衡时，风洞便能稳定运转。风洞起动时，风扇施加的能量大于气流在流动中的耗散，速度则增加。减速或关车时则相反。

风扇是在管道中工作的，称之为管道风扇，区别于螺旋桨。飞机的螺旋桨是使气流的速度或动量增加，因而获得气流的反作用力。对于管道风扇来说，由于风扇前后的管道截面不变，速度

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没有变化，故风扇的作用是使气流的压力升高。

一般低速风洞的功率很大，中型风洞即达一千千瓦以上，大型风洞可达几千千瓦甚至上万千瓦。因此要求风扇系统的效率必须很高，否则能量损失太大。风扇系统的总效率定义为风扇系统对气流所做的功与电机供给风扇的能量比。一般要求风扇系统的效率达到80～85%，而单独风扇的效率应达到90%以上。风扇系统的效率不高，说明风扇的工作状况不佳，这不仅会浪费巨大的能量，而且未被利用的能量会使气流品质变坏，并出现巨大噪音，影响风洞的正常使用。

汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的，比如奔驰公司的汽车风洞，其风扇直径就达8.5m，驱动风扇的电动功率高达4000kW，风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270km／h。建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗资数亿美元，甚至10多亿，而且每做一次汽车风洞试验的费用也是相当大的。

目前，我国已研制出一种新型高效节能风机，它的效率可比国际规定值高出3～10%；噪音可比国际规定值降低3～8dB。它运用空气动力学原理，采用航空先进翼型、螺旋桨技术和最佳气动布局，以三元机翼形扭曲叶取代传统的钢板弯曲成型叶片，并对气流通道进行了优化设计，风机性能得到了大幅度提高，最高效率可达90%以上，噪声小于25dB。适用于工业及日常生活的广阔领域，如厂房、建筑物的通风换气、空气调节，矿山、隧道通风、大型锅炉鼓风、引风，冷却塔、化工脱粒塔通风，大型电机电枢和发动机的风冷，风洞风源、航空气垫船、砖瓦窑、陶瓷烧制、水泥生产等所用通风机。

2.2 风机叶轮及叶栅

叶轮是风机的核心部分。为确保获得最好的性能和尽可能低的能耗和噪声，选择正确的叶轮是至关重要的。为提高国内风机的技术水平和满足国内客户的需求，某公司引进国外公司的系列叶轮，配合多年从事风机行业的经验，精心设计了多系列的低噪声叶片可调轴流风机。该风机风

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筒的法兰和集风器部分采用旋压设备旋压而成，外观出色，叶轮采用系列叶片可调叶轮。

该风机具有以下特征：叶片采用准三元理论精心设计及制造，具有优良的空气动力性能，且噪声低、重量轻、耐腐蚀、并可按照用户需要做到耐磨、耐高温；根据需要可改变叶片数量和叶片角度，使风机性能达到系统设计的要求；轮毂均采用压模铸铝合金材料，叶片材料有PPG(玻璃纤维加强聚丙烯)，PAG(玻璃纤维加强聚酰烯)，PAG.AS(防静电)，压模铸铝合金(耐高温)，重力铸铝合金等材料；维修方便，如果叶轮中个别叶片损坏，只需将损坏的叶片拆下，换上好叶片后就可以，而不必 更换整个叶轮；采用计算机优化选型：所有叶轮的性能参数均来源于国外公司的风洞实验室，该风洞依据美国标准建立，并得到美国国际空气运动及控制协会(AMCA)的认可。同时在风洞实验的基础上编制了风机优化选型软件，只需输入所要求的风量、风压、温度、转速及叶轮直径等条件，计算机程序即可输出叶轮的性能曲线、数据表格和各项技术参数。根据这些数据，用户可以找出最高效率、最低能耗，最低噪声或价格最低的叶轮，或这些结果的综合。

该系列风机可广泛应用于冷却塔、气体冷凝器、蒸发器、辐射器、干燥设备及工矿企业、仓库、办公楼、体育文化场馆、宾馆、饭店等工业及民用建筑的通风换气，也可安装在管道内使用。该风机同时可用于消防高温排烟，其采用压模铸铝合金叶轮及专用耐高温电机，结构简单紧凑、流道顺畅宽阔、性能优良、效率高、寿命长。

此外，由实验中可得风机桨叶的安装角对轴流风机的流量、全压力和功率影响较大，当安装角选取在较小的合适角度之间时，风洞的流量，全压力与实测数据的最大误差小干6%，风机的效率较高．但当安装角度增大时，风洞流量、全压力显着降低，与实测数据的误差增大。此时，电机功率消耗明显增加，风机效率急剧下降。分析其原因，主要是由于随着安装角度的增加，相应气冲角增大，气流通过桨叶逐渐出现脱体现象，以致引入叶栅理论气流的环量计算及茹可夫斯基等值速度的假设与实际流动差距较大造成的。也由于气流绕流的脱体局部产生旋涡大量损失能量，造成风机效率迅速下降．在实际应用中若设计可调的浆叶安装角，选取最佳的角度，即可使

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风机效率达到最高。

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