多風(fēng)扇主動控制風(fēng)洞

多風(fēng)扇主動控制風(fēng)洞是國內(nèi)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程界第一臺主動控制式強(qiáng)風(fēng)模擬器。它能更確當(dāng)?shù)哪M自然風(fēng)的湍流特性，也能模擬常規(guī)被動風(fēng)洞難以模擬的特異氣流的風(fēng)速特性。試制多風(fēng)扇主動控制式風(fēng)洞用于研究受強(qiáng)風(fēng)氣流影響時的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載對于提高結(jié)構(gòu)防災(zāi)水平，保障人民生命財產(chǎn)安全非常重要。 2100433B

平均風(fēng)速： 2m/s – 20m/s（暫定） 本風(fēng)洞通過主動控制121臺（暫定）小型軸流風(fēng)機(jī)來控制主流方向速度變化，通過控制氣流偏向翼（垂直方向以及側(cè)向方向暫定各11個）來控制垂直方向以及側(cè)向方向風(fēng)速變化。 通過控制送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)速。在測定部入口處風(fēng)速范圍為平均風(fēng)速1~20m/s（暫定，風(fēng)速上限要商量）。關(guān)于脈動風(fēng)速，與平均風(fēng)速12m/s，風(fēng)速變動 5m/s (7Hz)相當(dāng)?shù)娘L(fēng)速信號在風(fēng)洞內(nèi)實現(xiàn)時，風(fēng)機(jī)不能超負(fù)荷工作。 測試斷尺度為 1.5m(H)*1.8m(B)*10m(L) 詳細(xì)要求見技術(shù)要求書。

本書較系統(tǒng)地介紹風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇的氣動設(shè)計方法及應(yīng)用，內(nèi)容包括風(fēng)洞用軸流式風(fēng)扇的特點(diǎn)、基本設(shè)計理論、工程設(shè)計方法、性能分析和試驗測試。 重點(diǎn)介紹了目前工程上應(yīng)用成熟的自由渦和任意渦兩種設(shè)計方法，并給出了應(yīng)用實例。此外，作者還依據(jù)自身的工程實踐對風(fēng)洞中風(fēng)扇設(shè)計密切相關(guān)的問題進(jìn)行了探討和說明，包括設(shè)計點(diǎn)選取、非設(shè)計點(diǎn)性能評估、風(fēng)扇噪聲分析控制及風(fēng)扇設(shè)計新技術(shù)、新動態(tài)。本書可作為從事管道軸流式風(fēng)扇空氣動力學(xué)設(shè)計方向的相關(guān)技術(shù)人員、教師和研究生參考用書。

第1章風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇概述1

1.1風(fēng)洞及其動力系統(tǒng)1

1.1.1風(fēng)洞簡介1

1.1.2風(fēng)洞的組成及分類6

1.1.3風(fēng)洞動力系統(tǒng)12

1.2軸流式風(fēng)扇在風(fēng)洞中的應(yīng)用16

1.2.1工業(yè)風(fēng)機(jī)的分類及其用途簡介16

1.2.2風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)19

1.2.3軸流式風(fēng)扇概述24

1.2.4軸流式風(fēng)扇在風(fēng)洞中的位置27

1.2.5風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇的特點(diǎn)28

1.2.6風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇系統(tǒng)組成29

1.2.7風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇的幾何特性35

1.2.8風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇的主要性能參數(shù)38

1.2.9軸流式風(fēng)扇的性能調(diào)節(jié)方式38

1.3軸流式風(fēng)扇工程設(shè)計方法簡介39

第2章軸流式風(fēng)扇設(shè)計基本理論42

2.1流體力學(xué)基本理論42

2.1.1氣體的物理屬性42

2.1.2層流和湍流52

2.1.3邊界層54

2.1.4流動損失55

2.1.5一維流動55

2.1.6連續(xù)方程57

2.1.7動量方程61

2.1.8氣體等熵過程62

2.1.9氣體動力學(xué)函數(shù)63

2.1.10流體的模型化63

2.2基元級63

2.2.1基元級及速度三角形63

2.2.2基元級內(nèi)的氣體流動65

2.2.3基元級增壓原理及葉柵環(huán)量關(guān)系67

2.2.4基元級的反動度70

2.3葉柵及其流動特性72

2.3.1葉柵主要幾何和氣流參數(shù)73

2.3.2葉柵氣動力基本方程式75

2.3.3葉柵中的流動損失76

2.3.4葉片徑向流動特性及參數(shù)變化80

2.4葉型選擇和性能分析83

2.4.1葉型幾何和氣流參數(shù)83

2.4.2壓心、焦點(diǎn)及俯仰力矩84

2.4.3葉型的升力和阻力85

2.4.4葉剖面升力與氣流偏轉(zhuǎn)88

2.4.5葉剖面彎度與氣流偏轉(zhuǎn)的匹配89

2.4.6葉片干涉90

2.4.7葉片尾跡91

2.4.8雷諾數(shù)對葉型數(shù)據(jù)的影響93

2.5風(fēng)扇設(shè)計的主要影響因素95

2.6風(fēng)扇運(yùn)行功率預(yù)估97

2.6.1風(fēng)洞回路損失計算97

2.6.2能量比和風(fēng)扇運(yùn)行功率103

2.7風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇設(shè)計流程104

第3章軸流式風(fēng)扇氣動設(shè)計106

3.1總體參數(shù)確定106

3.1.1風(fēng)扇直徑106

3.1.2槳轂比107

3.1.3風(fēng)扇轉(zhuǎn)速108

3.2轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計方法-自由渦109

3.2.1設(shè)計假設(shè)109

3.2.2槳葉上下游的壓力關(guān)系110

3.2.3風(fēng)扇前后的能量關(guān)系111

3.2.4槳葉當(dāng)?shù)氐乃俣却笮〖胺较?13

3.2.5葉剖面的軸向力與切向力114

3.3轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計——任意渦設(shè)計方法115

3.3.1設(shè)計假設(shè)115

3.3.2槳葉上下游的壓力關(guān)系115

3.3.3旋轉(zhuǎn)系數(shù)與入口速度117

3.3.4槳葉軸向速度分布118

3.3.5止旋片軸向速度分布119

3.4導(dǎo)葉設(shè)計119

3.4.1預(yù)旋片設(shè)計119

3.4.2止旋片設(shè)計122

3.5其他部件設(shè)計124

3.5.1外殼體設(shè)計124

3.5.2整流罩頭罩設(shè)計124

3.5.3整流罩尾罩設(shè)計124

3.5.4整流罩和擴(kuò)壓段126

3.5.5支撐片設(shè)計127

3.6風(fēng)扇段壓力損失及效率計算127

3.6.1槳葉效率127

3.6.2導(dǎo)葉損失130

3.6.3下游損失131

3.6.4風(fēng)扇系統(tǒng)總效率133

3.7風(fēng)扇氣動載荷133

3.7.1軸向力133

3.7.2扭矩135

3.7.3切向力135

3.7.4頭罩及尾罩受力135

3.8風(fēng)扇氣動設(shè)計流程136

3.8.1風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇設(shè)計要求136

3.8.2風(fēng)洞軸流式風(fēng)扇設(shè)計流程136

第4章風(fēng)扇氣動性能分析及優(yōu)化139

4.1相似理論在軸流式風(fēng)扇設(shè)計中的應(yīng)用139

4.1.1相似定理139

4.1.2相似參數(shù)140

4.1.3性能相似換算143

4.1.4?；O(shè)計方法144

4.2風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和定子性能分析144

4.2.1平均速度和壓力145

4.2.2變轉(zhuǎn)速性能分析146

4.2.3變槳距性能分析147

4.2.4失速及喘振性能分析148

4.2.5轉(zhuǎn)子葉剖面分析150

4.2.6轉(zhuǎn)子損失分析152

4.2.7葉片間的干涉153

4.2.8預(yù)旋片分析155

4.2.9止旋片分析156

4.2.10雷諾數(shù)對風(fēng)扇性能影響156

4.2.11真實氣體效應(yīng)對風(fēng)扇性能影響157

4.3設(shè)計優(yōu)化159

4.3.1風(fēng)扇部件損失159

4.3.2風(fēng)扇效率160

4.3.3無量綱壓升162

4.3.4設(shè)計優(yōu)化163

第5章風(fēng)扇噪聲分析及控制技術(shù)168

5.1軸流風(fēng)扇噪聲的基本概念168

5.1.1一般聲源的數(shù)學(xué)表達(dá)式169

5.1.2空氣動力性噪聲的形成及聲源類型170

5.1.3軸流風(fēng)扇噪聲173

5.2軸流風(fēng)扇噪聲的評價與標(biāo)準(zhǔn)174

5.3軸流風(fēng)扇噪聲的估算175

5.3.1估算方法一175

5.3.2估算方法二176

5.3.3評估方法三183

5.4風(fēng)扇氣動噪聲主動降噪方法183

5.4.1風(fēng)扇形式及管路設(shè)計183

5.4.2通道幾何參數(shù)設(shè)計184

5.4.3動靜葉數(shù)目對噪聲的影響187

5.4.4動、靜葉間距對噪聲的影響190

5.4.5不相等葉片間距對噪聲的影響191

5.4.6葉片穿孔對噪聲的影響192

5.5吸聲降噪設(shè)計198

5.5.1吸聲的主要物理量198

5.5.2吸聲材料200

5.5.3吸聲結(jié)構(gòu)205

5.5.4風(fēng)扇降噪設(shè)計212

5.6風(fēng)扇噪聲測量213

5.6.1聲學(xué)測量系統(tǒng)的組成213

5.6.2常用測量儀器217

5.6.3風(fēng)扇進(jìn)出口噪聲的測量219

第6章風(fēng)扇內(nèi)流場數(shù)值模擬220

6.1數(shù)值方法220

6.1.1控制方程220

6.1.2求解方法222

6.1.3計算域與網(wǎng)格生成222

6.1.4計算參數(shù)及邊界條件223

6.2風(fēng)扇性能預(yù)測225

6.2.1風(fēng)扇內(nèi)的流動模擬226

6.2.2風(fēng)扇內(nèi)部的流場分析229

6.2.3動、靜葉片間距對風(fēng)扇性能的影響230

6.2.4靜葉片后掠對風(fēng)扇性能的影響231

6.2.5靜葉片傾斜對風(fēng)扇性能的影響231

6.3風(fēng)扇氣流噪聲的數(shù)值模擬232

6.3.1氣動噪聲模擬方法233

6.3.2動、靜葉片間距的影響233

6.3.3靜葉片后掠的影響234

6.3.4靜葉片傾斜的影響235

第7章風(fēng)扇性能試驗及測試236

7.1力學(xué)性能試驗236

7.1.1轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)檢查236

7.1.2機(jī)械不平衡試驗237

7.2性能試驗測試方法及測量裝置239

7.2.1溫度測試239

7.2.2壓力測試240

7.2.3流量測試242

7.2.4氣流噪聲243

7.2.5轉(zhuǎn)速測試244

7.2.6功率測試245

7.3主要?dú)鈩訙y試數(shù)據(jù)處理方法246

7.3.1風(fēng)扇效率246

7.3.2噪聲數(shù)據(jù)249

第8章軸流風(fēng)扇設(shè)計實例251

8.1設(shè)計實例一251

8.1.1設(shè)計要求251

8.1.2設(shè)計主要過程和結(jié)果251

8.1.3性能測試結(jié)果254

8.2設(shè)計實例二256

8.2.1設(shè)計要求256

8.2.2設(shè)計主要過程256

8.2.3性能測試結(jié)果260

第9章軸流式風(fēng)扇設(shè)計新技術(shù)262

9.1不等距葉片設(shè)計技術(shù)262

9.2葉片彎掠技術(shù)264

9.3葉片反設(shè)計方法267

9.4自動優(yōu)化設(shè)計方法268

9.4.1葉片參數(shù)化268

9.4.2數(shù)值最優(yōu)化方法269

第10章風(fēng)扇葉片設(shè)計葉型數(shù)據(jù)271

10.1轉(zhuǎn)子葉片常用葉型氣動性能271

10.1.1RAF葉型271

10.1.2CLARK-Y葉型273

10.1.3Gottingen葉型276

10.1.4LS葉型276

10.1.5雙凸葉型278

10.2定子葉片常用葉型285

10.2.1C4葉型285

10.2.2圓弧彎板287

參考文獻(xiàn)289

風(fēng)洞種類繁多，有不同的分類方法。按實驗段氣流速度大小來區(qū)分，可以分為低速、高速和高超聲速風(fēng)洞。

風(fēng)洞低速風(fēng)洞

許多國家相繼建造了不少較大尺寸的低速風(fēng)洞。基本上有兩種形式，一種是法國人A.-G.埃菲爾設(shè)計的直流式風(fēng)洞；另一種是德國人L.普朗特設(shè)計的回流式風(fēng)洞，圖1是這兩種風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖?，F(xiàn)在世界上最大的低速風(fēng)洞是美國國家航空和航天局(NASA)埃姆斯(Ames)研究中心的12.2米×24.4米全尺寸低速風(fēng)洞。這個風(fēng)洞建成后又增加了一個24.4米× 36.6米的新實驗段，風(fēng)扇電機(jī)功率也由原來25兆瓦提高到100兆瓦。

低速風(fēng)洞實驗段有開口和閉口兩種形式，截面形狀有矩形、圓形、八角形和橢圓形等，長度視風(fēng)洞類別和實驗對象而定。60年代以來，還發(fā)展出雙實驗段風(fēng)洞，甚至三實驗段風(fēng)洞。

風(fēng)洞就是用來產(chǎn)生人造氣流(人造風(fēng))的管道。在這種管道中能造成一段氣流均勻流動的區(qū)域，汽車風(fēng)洞試驗就在這段風(fēng)洞中進(jìn)行。

在低速風(fēng)洞中，常用能量比Er衡量風(fēng)洞運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。式中v0和A0分別為實驗段氣流速度和截面積；ρ為空氣密度；η和N 分別為驅(qū)動裝置系統(tǒng)效率和電機(jī)的輸入功率。對于閉口實驗段風(fēng)洞Er為3～6。雷諾數(shù)Re是低速風(fēng)洞實驗的主要模擬參數(shù)，但由于實驗對象和項目不同，有時尚需模擬另一些參數(shù)，在重力起作用的一些場合下（如尾旋、投放和動力模型實驗等）還需模擬弗勞德數(shù)Fr，在直升機(jī)實驗中尚需模擬飛行馬赫數(shù)和旋翼翼尖馬赫數(shù)等。

低速風(fēng)洞的種類很多，除一般風(fēng)洞外，有專門研究飛機(jī)防冰和除冰的冰風(fēng)洞，研究飛機(jī)螺旋形成和改出方法的立式風(fēng)洞，研究接近飛行條件下真實飛機(jī)氣動力性能的全尺寸風(fēng)洞，研究垂直短距起落飛機(jī)(V/STOL)和直升機(jī)氣動特性的V/STOL風(fēng)洞，還有高雷諾數(shù)增壓風(fēng)洞等。為了研究發(fā)動機(jī)外部噪聲，進(jìn)行動態(tài)模型實驗，一些風(fēng)洞作了改建以適應(yīng)聲學(xué)實驗和動態(tài)實驗要求。為了開展工業(yè)空氣動力學(xué)研究，除了對航空風(fēng)洞進(jìn)行改造和增加輔助設(shè)備外，各國還建造了一批專用風(fēng)洞，如模擬大氣流動的速度剖面、湍流結(jié)構(gòu)和溫度層結(jié)的長實驗段和最小風(fēng)速約為0.2米/秒的大氣邊界層風(fēng)洞，研究全尺寸汽車性能、模擬氣候條件的汽車風(fēng)洞，研究沙粒運(yùn)動影響的沙風(fēng)洞等。

直流式閉口實驗段低速風(fēng)洞是典型的低速風(fēng)洞。在這種風(fēng)洞中，風(fēng)扇向右端鼓風(fēng)而使空氣從左端外界進(jìn)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段。穩(wěn)定段的蜂窩器和阻尼網(wǎng)使氣流得到梳理與和勻，然后由收縮段使氣流得到加速而在實驗段中形成流動方向一致、速度均勻的穩(wěn)定氣流。在實驗段中可進(jìn)行飛機(jī)模型的吹風(fēng)實驗，以取得作用在模型上的空氣動力實驗數(shù)據(jù)。這種風(fēng)洞的氣流速度是靠風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來控制的。中國氣動力研究和發(fā)展中心已建成一座開路式閉口串列雙試段大型低速風(fēng)洞，第一實驗段尺寸為12×16×25米3,最大風(fēng)速為25米/秒，第二實驗段尺寸為8×6×25米3，最大風(fēng)速為100米/秒。

回流式風(fēng)洞實際上是將直流式風(fēng)洞首尾相接，形成封閉回路。氣流在風(fēng)洞中循環(huán)回流，既節(jié)省能量又不受外界的干擾。風(fēng)洞也可以采用別的特殊氣體或流體來代替空氣，用壓縮空氣代替常壓空氣的是變密度風(fēng)洞，用水代替空氣的稱為水洞（見水槽和水洞）。

風(fēng)洞高速風(fēng)洞

實驗段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為0.4～4.5的風(fēng)洞。按馬赫數(shù)范圍劃分，高速風(fēng)洞可分為亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞。

風(fēng)洞亞聲速風(fēng)洞

風(fēng)洞的馬赫數(shù)為0.4～0.7。結(jié)構(gòu)形式和工作原理同低速風(fēng)洞相仿，只是運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率比低速風(fēng)洞大一些。

風(fēng)洞跨聲速風(fēng)洞

風(fēng)洞的馬赫數(shù)為0.5～1.3。當(dāng)風(fēng)洞中氣流在實驗段內(nèi)最小截面處達(dá)到聲速之后，即使再增大驅(qū)動功率或壓力，實驗段氣流的速度也不再增加，這種現(xiàn)象稱為壅塞。因此，早期的跨聲速實驗只能將模型裝在飛機(jī)機(jī)翼上表面或風(fēng)洞底壁的凸形曲面上，利用上表面曲率產(chǎn)生的跨聲速區(qū)進(jìn)行實驗。這樣不僅模型不能太大，而且氣流也不均勻。后來研究發(fā)現(xiàn)，實驗段采用開孔或順氣流方向開縫的透氣壁，使實驗段內(nèi)的部分氣流通過孔或縫流出，可以消除風(fēng)洞的壅塞，產(chǎn)生低超聲速流動。這種有透氣壁的實驗段還能減小洞壁干擾，減弱或消除低超聲速時的洞壁反射波系。因模型產(chǎn)生的激波，在實壁上反射為激波，而在自由邊界上反射為膨脹波，若透氣壁具有合適的自由邊界，則可極大地減弱或消除洞壁反射波系。

為了在各種實驗情況下有效地減弱反射波，發(fā)展出可變開閉比（開孔或開縫占實驗段壁面面積的比例）和能改變開閉比沿氣流方向分布的透氣壁。第一座跨聲速風(fēng)洞是美國航空咨詢委員會(NACA)在1947年建成的。它是一座開閉比為12.5%、實驗段直徑為 308.4毫米的開縫壁風(fēng)洞。此后跨聲速風(fēng)洞發(fā)展很快，到50年代就已建設(shè)了一大批實驗段口徑大于1米的模型實驗風(fēng)洞。

風(fēng)洞超聲速風(fēng)洞

洞內(nèi)氣流馬赫數(shù)為1.5～4.5的風(fēng)洞。風(fēng)洞中氣流在進(jìn)入實驗段前經(jīng)過一個拉瓦爾管而達(dá)到超聲速。只要噴管前后壓力比足夠大，實驗段內(nèi)氣流的速度只取決于實驗段截面積對噴管喉道截面積之比。通常采用由兩個平面?zhèn)缺诤蛢蓚€型面組成的二維噴管。

噴管的構(gòu)造型式有多種，例如：兩側(cè)壁和兩個型面裝配成一個剛性半永久性組合件并直接與洞體連接的固定噴管；由可更換的型面塊和噴管箱側(cè)壁組成噴管，并將噴管箱與洞體連接而成的固塊噴管；由兩塊柔性板構(gòu)成噴管型面，且柔性板的型面可進(jìn)行調(diào)節(jié)的柔壁噴管（圖3）。實驗段下游的超聲速擴(kuò)壓器由收縮段、第二喉道和擴(kuò)散段組成(圖4),通過喉道面積變化使超聲速流動經(jīng)過較弱的激波系變?yōu)閬喡曀倭鲃樱詼p小流動的總壓損失。第一座超聲速風(fēng)洞是普朗特于1905年在德國格丁根建造的，實驗馬數(shù)可達(dá)到1.5。

1920年A.布澤曼改進(jìn)了噴管設(shè)計，得到了均勻超聲速流場。1945年德國已擁有實驗段直徑約 1米的超聲速風(fēng)洞。50年代，世界上出現(xiàn)了一批供飛行器模型實驗的超聲速風(fēng)洞，其中最大的是美國的4.88米×4.88米的超聲速風(fēng)洞。

建設(shè)的許多風(fēng)洞，往往突破了上述亞聲速、跨聲速和超聲速單一速度的范圍，可以在一個風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行亞聲速、跨聲速和超聲速實驗。這種風(fēng)洞稱為三聲速風(fēng)洞。中國氣動力研究與發(fā)展中心的1.2米×1.2米跨聲速、超聲速風(fēng)洞（圖5）是一座三聲速風(fēng)洞。

60年代以來，提高風(fēng)洞的雷諾數(shù)受到普遍重視?？缏曀亠L(fēng)洞的模型實驗雷諾數(shù)通常小于1×109，大型飛行器研制需要建造雷諾數(shù)更高（例如大于4×109）的跨聲速風(fēng)洞，因而出現(xiàn)了增高駐點(diǎn)壓力的路德維格管風(fēng)洞，用噴注液氮降低實驗氣體溫度、提高雷諾數(shù)的低溫風(fēng)洞等新型風(fēng)洞。低溫風(fēng)洞具有獨(dú)立改變馬赫數(shù)、雷諾數(shù)和動壓的能力，因此發(fā)展很快。

風(fēng)洞高超聲速風(fēng)洞

馬赫數(shù)大于 5的超聲速風(fēng)洞。主要用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)的模型實驗。實驗項目通常有氣動力、壓力、傳熱測量和流場顯示，還有動穩(wěn)定性、低熔點(diǎn)模型燒蝕、質(zhì)量引射和粒子侵蝕測量等。高超聲速風(fēng)洞主要有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞、低密度風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞等形式。

高超音速風(fēng)洞 　如要在風(fēng)洞中獲得更高 M數(shù)的氣流(例如M≥5),一般來說單靠上游高壓空氣的吹沖作用還不能產(chǎn)生足夠的壓力差，這時在風(fēng)洞下游出口處接上一只容積很大的真空容器，靠上沖下吸便可形成很大的壓差，從而產(chǎn)生M≥5的高超音速氣流。不過氣流在經(jīng)過噴管加速到高超音速的過程中會急劇膨脹，溫度會隨之急劇下降，從而引起氣體的自身液化。為避免液化或模擬需要的溫度，必須在高超音速風(fēng)洞中相當(dāng)于穩(wěn)定段處裝設(shè)加熱裝置。高超音速風(fēng)洞依加熱原理和用途的不同有多種型式。暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞 較為典型，它很像常規(guī)的超音速風(fēng)洞。其他型式的風(fēng)洞有激波風(fēng)洞、炮風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞、長沖風(fēng)洞、氣體活塞式風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞等（見超高速實驗設(shè)備）。中國氣動力研究和發(fā)展中心的高壓－引射驅(qū)動的暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞實驗段直徑為 0.5米。這個中心還建成一座實驗段直徑為2米的激波風(fēng)洞。

風(fēng)洞常規(guī)高超聲速風(fēng)洞

它是在超聲速風(fēng)洞的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖6為高超聲速風(fēng)洞示意圖。圖7為一座實驗段直徑為0.5米的暫沖式高超聲速風(fēng)洞照片。

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行原理與超聲速風(fēng)洞相似，主要差別在于前者須給氣體加熱。因為在給定的穩(wěn)定段溫度下，實驗段氣流靜溫隨馬赫數(shù)增加而降低，以致實驗段氣流會出現(xiàn)液化。實際上，由于氣流膨脹過程很快，在某些實驗條件下，存在不同程度的過飽和度。

所以，實際使用的穩(wěn)定段溫度可比根據(jù)空氣飽和曲線得到的溫度低。根據(jù)不同的穩(wěn)定段溫度，對實驗氣體采用不同的加熱方法。在通常情況下，氣體燃燒加熱器加熱溫度可達(dá)750開；鎳鉻電阻加熱器可達(dá)1000開；鐵鉻鋁電阻加熱器可達(dá)1450開；氧化鋁卵石床加熱器可達(dá)1670開；氧化鋯卵石床加熱器可達(dá)2500開；以高純度氮?dú)鉃閷嶒灇怏w的鎢電阻加熱器可達(dá)2200開；石墨電阻加熱器可達(dá)2800開。

早期常規(guī)高超聲速風(fēng)洞常采用二維噴管。在高馬赫數(shù)條件下，喉道尺寸小，表面高熱流引起的熱變形使喉道尺寸不穩(wěn)定，邊界層分布也非常不均勻，都會影響氣流均勻性。所以，后期大多數(shù)高超聲速風(fēng)洞安裝了錐形或型面軸對稱噴管。錐形噴管加工容易，但產(chǎn)生錐型流場，所以后來逐漸被型面噴管代替。在馬赫數(shù)大于 7的情況下，對高溫高壓下工作的噴管喉道，一般用水冷卻。

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的典型氣動性能以實驗馬赫數(shù)和單位雷諾數(shù)來表征。以空氣作實驗氣體的典型風(fēng)洞的實驗馬赫數(shù)為5～14,每米雷諾數(shù)的量級為3×10⁶。為進(jìn)一步提高實驗馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，采用凝結(jié)溫度極低（4 開）的氦氣作實驗氣體，在室溫下馬赫數(shù)可達(dá)到25；加熱到1000開時馬赫數(shù)可達(dá)到42。

世界上第一座常規(guī)高超聲速風(fēng)洞是德國在第二次世界大戰(zhàn)時建造的。這是一座暫沖式風(fēng)洞。馬赫數(shù)上限為10，實驗段尺寸為1米×1米。德國戰(zhàn)敗，風(fēng)洞未能完全建成。戰(zhàn)后，美國建造了多座尺寸在0.45米以上的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，少數(shù)為連續(xù)式，大多為暫沖式。

風(fēng)洞低密度風(fēng)洞

形成稀薄(低密度)氣體流動的高超聲速風(fēng)洞。它為研制航天器提供高空飛行的氣動環(huán)境，也是研究稀薄氣體動力學(xué)的實驗工具。低密度風(fēng)洞主要進(jìn)行滑移流態(tài)和過渡流態(tài)下的實驗，主要模擬克努曾數(shù)、馬赫數(shù)、物面平均溫度和滯止溫度（氣體速度變成零時的溫度）之比（約為0.06～1）等參數(shù)，以及高溫低壓下的真實氣體效應(yīng)。低密度風(fēng)洞的原理和結(jié)構(gòu)同常規(guī)高超聲速風(fēng)洞相仿。同常規(guī)高超聲速風(fēng)洞相比，它有以下特點(diǎn)：穩(wěn)定段壓力和實驗?zāi)Ｐ统叽缇^常規(guī)高超聲速風(fēng)洞成量級地減小；具有龐大的真空抽氣系統(tǒng)和優(yōu)良的風(fēng)洞密封性能；普遍采用深冷拉瓦爾管或小孔自由射流實驗技術(shù)，以解決由于低雷諾數(shù)、高馬赫數(shù)而引起的噴管邊界層加厚問題，從而能在更大的克努曾數(shù)下獲得供實驗用的、足夠尺寸的稀薄氣流區(qū)域；在相同的馬赫數(shù)下預(yù)防工作氣體液化的加熱要求較一般高超聲速風(fēng)洞為低。但在低密度風(fēng)洞實驗中，由于氣流密度小，實驗?zāi)Ｐ统叽缧。阅Ｐ偷臍鈩恿?、熱、壓力等均甚微弱，測量技術(shù)難度大。電磁懸掛天平、電子束裝置等非接觸測量技術(shù)已用于有關(guān)測量。圖8為低密度風(fēng)洞示意圖。

風(fēng)洞激波風(fēng)洞

利用激波壓縮實驗氣體，再用定常膨脹方法產(chǎn)生高超聲速實驗氣流的風(fēng)洞。它由一個激波管和連接在它后面的噴管等風(fēng)洞主要部件組成。在激波管和噴管之間用膜片（第二膜片）隔開，噴管后面被抽成真空。圖9為反射型激波風(fēng)洞原理示意圖。激波風(fēng)洞的工作過程是：風(fēng)洞啟動時主膜片先破開，引起驅(qū)動氣體的膨脹，產(chǎn)生向上游傳播的膨脹波，并在實驗氣體中產(chǎn)生激波。當(dāng)此激波向下游運(yùn)動達(dá)到噴管入口處時，第二膜片被沖開，因而經(jīng)過激波壓縮達(dá)到高溫高壓的實驗氣體即進(jìn)入噴管膨脹加速，流入實驗段供實驗使用。當(dāng)實驗條件由于波系反射或?qū)嶒灇怏w流完而遭到破壞時，實驗就結(jié)束。

激波風(fēng)洞的實驗時間短，通常以毫秒計。激波風(fēng)洞的名稱是赫茲伯格于1951年提出的。它的發(fā)展與中、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器的發(fā)展密切相關(guān)。50年代初至60年代中期，由于急需研究高超聲速飛行中出現(xiàn)的高溫真實氣體效應(yīng)，激波風(fēng)洞主要用于模擬高溫條件。60年代中期以后，由于需要戰(zhàn)略彈頭在低空作機(jī)動飛行，它即轉(zhuǎn)向于模擬高雷諾數(shù)，并于1971年首先實現(xiàn)了這種模擬的運(yùn)行。早期的激波風(fēng)洞采用直通型（入射激波在噴管入口處不反射而直接通過噴管）運(yùn)行，因而實驗時間非常短（甚至短于1毫秒），難以應(yīng)用，因此又發(fā)展出反射型激波風(fēng)洞。這種風(fēng)洞有不同的運(yùn)行方法，如適當(dāng)選擇運(yùn)行條件，通常可取得5～25毫秒的實驗時間。激波風(fēng)洞實驗已確立為一種標(biāo)準(zhǔn)的高超聲速實驗技術(shù)，并已成為高超聲速氣動力數(shù)據(jù)的主要來源。

實驗項目通常是傳熱、壓力、氣動力測量和流場顯示，此外還有電子密度測量等特殊項目。現(xiàn)有激波風(fēng)洞運(yùn)行的最高參數(shù)是：驅(qū)動壓力約為3400大氣壓（1大氣壓等于101325帕）；可以模擬 6.7千米/秒的飛行速度；氣流馬赫數(shù)達(dá)24；雷諾數(shù)達(dá)108（當(dāng)馬赫數(shù)為8時）。

風(fēng)洞熱沖風(fēng)洞

利用電弧脈沖放電定容地加熱和壓縮實驗氣體，產(chǎn)生高超聲速氣流的風(fēng)洞?；窘Y(jié)構(gòu)如圖10所示。運(yùn)行前儲能裝置儲存電能，弧室充入一定壓力的氣體，膜片下游各部位被抽吸到真空狀態(tài)(一般不低于10⁵帕)。運(yùn)行時，儲存的電能以千分之一毫秒到幾十毫秒的時間在弧室內(nèi)通過電弧放電釋放，以加熱和壓縮氣體；當(dāng)弧室中壓力升高到某個預(yù)定值時，膜片被沖破；氣體經(jīng)過噴管膨脹加速，在實驗段中形成高超聲速氣流；然后通過擴(kuò)壓器排入真空箱內(nèi)。

與常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞不同，熱沖風(fēng)洞的實驗氣流是準(zhǔn)定常流動(見非定常流動),實驗時間約20～200毫秒；實驗過程中弧室氣體壓力和溫度取決于實驗條件和時間，與高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞相比大約要低10～50%。所以要瞬時、同步地測量實驗過程中實驗段的氣流參量和模型上的氣動力特性，并采用一套專門的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。熱沖風(fēng)洞的研制開始于20世紀(jì)50年代初，略后于激波風(fēng)洞。原來是要利用火花放電得到一個高性能的激波管驅(qū)動段，后來就演變成熱沖風(fēng)洞。“熱沖”這個詞是 R.W.佩里于1958年提出來的。

熱沖風(fēng)洞的一個技術(shù)關(guān)鍵是將材料燒損和氣體污染減少到可接受的程度。采取的措施有：以氮?dú)獯婵諝庾鳛閷嶒灇怏w；減小暴露在熱氣體中的弧室絕緣面積；合理設(shè)計析出材料燒損生成微粒的電極和喉道擋板結(jié)構(gòu)；適當(dāng)選取引弧用的熔斷絲；限制風(fēng)洞在弧室氣體溫度低于4000開下運(yùn)行等。熱沖風(fēng)洞的儲能裝置有電容和電感兩種方式。前者常用于儲存10兆焦耳以下的能量，后者多用于儲存5～100兆焦耳的能量。

還有一種方式是電網(wǎng)直接供電，其能量一般為10兆焦耳量級，不同的電能利用方式要求有相應(yīng)的充電放電系統(tǒng)。熱沖風(fēng)洞的模擬范圍一般可以達(dá)到：馬赫數(shù) 8～22，每米雷諾數(shù)1×10⁵～2×10⁸。長達(dá)上百毫秒的實驗時間，不僅使它一次運(yùn)行能夠完成模型的全部攻角的靜態(tài)風(fēng)洞實驗，而且可以進(jìn)行風(fēng)洞的動態(tài)實驗，測量動穩(wěn)定性，以及采用空氣作實驗氣體（溫度一般在3000開以下）進(jìn)行高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)實驗。

除上述風(fēng)洞外，高超聲速風(fēng)洞還有氮?dú)怙L(fēng)洞、氦氣風(fēng)洞、炮風(fēng)洞（輕活塞風(fēng)洞）、長沖風(fēng)洞(重活塞風(fēng)洞)、氣體活塞風(fēng)洞、膨脹風(fēng)洞和高超聲速路德維格管風(fēng)洞等。

風(fēng)洞專用風(fēng)洞

為了滿足各種特殊實驗的需要，還可采用各種專用風(fēng)洞，冰風(fēng)洞供研究飛機(jī)穿過云霧飛行時飛機(jī)表面局部結(jié)冰現(xiàn)象。尾旋風(fēng)洞供研究飛機(jī)尾旋飛行特性之用。這種風(fēng)洞的實驗段垂直放置，氣流上吹呈碟形速度分布，而且風(fēng)速可以迅速改變，能托住尾旋模型使其不致下墜。

風(fēng)洞自然風(fēng)洞

自然風(fēng)洞指的是大自然形成的天然山洞，洞口往外有風(fēng)刮出，具體位置有湖南省新化縣游家鎮(zhèn)新塘村源頭垅老屋上的風(fēng)洞，秋冬季節(jié)和春季，風(fēng)洞會停止刮風(fēng)，只有夏天才會刮風(fēng)，風(fēng)溫很低，只有幾度，洞口寸草不生，人在洞口不能久留，否則會全身冰涼，一到晚上會聽到嗚嗚的風(fēng)鳴聲，由于風(fēng)聲過于強(qiáng)大，老一輩們在五六十年代將洞口堵住，但風(fēng)仍然吹開一個口子，不過風(fēng)速明顯減小，但風(fēng)的溫度不變。洞內(nèi)生活一種類似貓的動物，全身花紋酷似斑馬。對于風(fēng)洞的形成還沒有人解開謎底，在當(dāng)?shù)爻蔀橐环N陰影，有不祥之征兆。

風(fēng)洞立式風(fēng)洞

陽春3月，記者走進(jìn)中國自主設(shè)計建造的亞洲最大的立式風(fēng)洞，領(lǐng)略風(fēng)洞里獨(dú)特的風(fēng)景。

置身人造“天空”

秦嶺之巔還殘雪點(diǎn)點(diǎn)，山腳之下已是桃花吐艷。汽車駛過一段蜿蜒的山路，眼前景象豁然開朗：翠綠的山林間，一座5層高的建筑拔地而起。

“我們到了，這就是亞洲最大的立式風(fēng)洞。”聽到陪同人員介紹，記者感到有些失望，因為眼前的景象與想象中完全不一樣。新建成的立式風(fēng)洞不算高大，也不顯得很威武，甚至不如城市里常見的摩天大樓。

從外表看，與普通房屋唯一不同的是，該建筑身上“背”著一根粗大的鐵管。技術(shù)人員對記者介紹：“可不能小瞧這鐵家伙，它是產(chǎn)生氣流的主要通道?！?

其實，風(fēng)洞普通的外表下有著神奇的“心臟”。步入其中，記者發(fā)現(xiàn)這片人造“天空”完全是用高科技的成果堆砌而成。

風(fēng)洞建設(shè)是一個涉及多學(xué)科、跨專業(yè)的系統(tǒng)集成課題，囊括了包括氣動力學(xué)、材料學(xué)、聲學(xué)等20余個專業(yè)領(lǐng)域。整個立式風(fēng)洞從破土動工到首次通氣試驗僅用了2年半，創(chuàng)造了中國風(fēng)洞建設(shè)史上的奇跡。

大廳里，螺旋上升的旋梯簇?fù)碇鴥晒?jié)巨大的管道，好不壯觀！與其說它是試驗設(shè)備，不如說是風(fēng)格前衛(wèi)的建筑藝術(shù)品。

一路參觀，記者發(fā)現(xiàn)該風(fēng)洞“亮點(diǎn)”多多：實現(xiàn)了兩個攝像頭同時采集試驗圖像，計算機(jī)自動判讀處理；率先將世界最先進(jìn)的中壓變頻調(diào)速技術(shù)用于風(fēng)洞主傳動系統(tǒng)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速精度提高50%……

負(fù)責(zé)人介紹說，立式風(fēng)洞是中國龐大風(fēng)洞家族中最引人矚目的一顆新星，只有極少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有這種風(fēng)洞。

感受“風(fēng)”之神韻

風(fēng)，來無影去無蹤，自由之極?？稍诨乜蒲腥藛T的手中，無影無蹤無所不在的風(fēng)被梳理成循規(guī)蹈矩、各種強(qiáng)度、各種“形狀”的氣流。

記者趕得巧，某飛行器模型自由尾旋改進(jìn)試驗正在立式風(fēng)洞進(jìn)行。

何謂尾旋？它是指飛機(jī)在持續(xù)的失速狀態(tài)下，一面旋轉(zhuǎn)一面急劇下降的現(xiàn)象。在人們尚未徹底了解它之前，尾旋的后果只有一個：機(jī)毀人亡。資料顯示，1966年至1973年，美國因尾旋事故就損失了上百架F-4飛機(jī)。

控制中心里，值班員輕啟電鈕，巨大的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。記者不由自主地用雙手捂住耳朵，以抵擋將要到來的“驚雷般的怒吼”?？蓻]想到，想象中的巨響沒有到來，只有空氣穿流的淺唱低吟。30米/秒、50米/秒……風(fēng)速已到極至，記者站在隔音良好的試驗段旁，卻沒有領(lǐng)略到“大風(fēng)起兮”的意境。

你知道50米/秒風(fēng)速是什么概念？勝過颶風(fēng)！值班員告訴記者，如果把人放在試驗段中，可以讓你體驗被風(fēng)吹起、乘風(fēng)飛翔的感覺。

中國首座立式風(fēng)洞已形成強(qiáng)大的試驗?zāi)芰?。?fù)責(zé)人告訴記者：該型風(fēng)洞除可完成現(xiàn)有水平式風(fēng)洞中的大多數(shù)常規(guī)試驗項目，還能完成飛機(jī)尾旋性能評估、返回式衛(wèi)星及載人飛船回收過程中空氣動力穩(wěn)定性測試等。