湍流球法:评估风洞流量质量

Aeronautical Engineering

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Concepts

资料来源:加州圣地亚哥州立大学航空航天工程系何塞·罗伯托·莫尔托和刘晓峰

风洞测试在设计在使用过程中受到气流影响的车辆和结构方面非常有用。风洞数据是通过将受控气流应用于所研究对象的模型而生成的。测试模型通常具有类似的几何形状,但与全尺寸对象相比,其比例较小。为了确保在低速风洞测试期间收集准确和有用的数据,在测试模型上的隧道流量场与全尺寸物体上的实际流量场之间必须有一个动态相似性。

在本演示中,将分析具有明确流特性的平滑球体的风洞流量。由于球体具有明确的流动特性,因此可以确定风洞的湍流因子,该因子将有效雷诺数与测试雷诺数相关联,以及风洞的自由流湍流强度。

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JoVE Science Education Database. 航空工程. 湍流球法:评估风洞流量质量. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

为了保持低速流的动态相似性,实验的雷诺数必须与所研究的流现象的雷诺数相同。然而,在不同的风洞和自由空气中进行的实验,即使在相同的雷诺数下,也可以提供不同的结果。这些差异可归因于风洞试验部分内自由流湍流的影响,这可被视为风洞试验的较高"有效雷诺数"[1]。

利用湍流球法,一种用于获取风洞有效雷诺数并估计其湍流强度的简单方法。该方法通过确定风洞的湍流系数,对湍流强度进行间接测量。湍流因子,TF,将有效雷诺数、Reff与隧道雷诺数、再测试(

湍流强度可以通过热线测能、激光多普勒测速仪或粒子图像测速仪流场测量直接测量。在引入这些直接测量方法之前,湍流球是测量风洞相对湍流的主要方法。由于直接方法通常既耗时又昂贵,传统的湍流球法仍然是测量气流质量的快速且廉价的替代方法。

湍流球法依赖于两个实证结果:球体阻力危机和临界雷诺数、Rec和流湍流强度之间的强相关性。拖动危机是指球体阻力系数Cd由于流分离点的向后移动而突然下降的现象。当流到达临界雷诺数时,从层流到湍流的边界层过渡非常接近球体的前缘。这种早期过渡会导致延迟的流分离,因为湍流边界层能够更好地协商较远的反向压力梯度,因此比层边界层更不容易分离。延迟分离可促进更好的压力恢复,从而减少唤醒和压力阻力的大小,并显著减少整体阻力。

本演示中使用的湍流球体在前缘有一个压力水龙头,在距离后缘 22.5° 的点有四个压力水龙头。将调查直径分别为4.0、4.987和6.0的三个球体。对于平滑球体,关键雷诺数定义良好,当 C D = 0.3 时发生。这对应于±P/q = 1.220 的值,其中 ±P是四个后压力端口测量的平均压力和球体前缘的停滞压力之间的差值,q是流量动态压力。

虽然 RecCD和 +P/q很好地定义,但它在很大程度上取决于流湍流。此演示使用球体可用于定义湍流因子。早期飞行测量发现,在自由环境中,Rec = 3.85 x 105表示球体平滑。自由空气临界雷诺与风洞湍流通过以下方程相关:

Procedure

1. 风洞中湍流球的准备

  1. 将风洞皮托管连接到压力扫描仪上的端口#1,并将静态压力端口连接到压力扫描仪上的端口#2。
  2. 锁定外部平衡。
  3. 将球体支柱固定到风洞内的平衡支架上。
  4. 安装直径为 6 的球体。
  5. 将前沿压力水龙头连接到压力扫描器上的端口#3,并将四个尾部压力水龙头连接到压力扫描仪上的端口#4。
  6. 将供气管连接到压力调节器,并将压力设置为 65 psi。
  7. 将压力扫描仪的歧管连接到压力管。
  8. 启动数据采集系统和压力扫描器。请确保在测试前至少 20 分钟打开它们。
  9. 根据自由空气临界雷诺数估计最大动态压力,以实现平滑球体: 。有关推荐的测试参数,请参阅表 1 和表 2。
  10. 定义从 0 到 q最大值的动态压力测试范围,并通过以 15 个间隔划分范围来定义测试点。

表 1.第一次测试的参数。

球体直径(in) q最小值 [在 H2O 中] q最大值[在 H2O 中]
4 4 6
4.987 2 3.4
6 1 2.4

表2.第二个测试的参数。

球体直径(in) q最小值 [在 H2O 中] q最大值[在 H2O 中]
4 3.4 7.2
4.987 1.3 5.1
6 -- --

2. 进行稳定和压力扫描测量

  1. 读取气压和室温并记录值。
  2. 使用压力计制造商提供的方程对气压进行校正。
  3. 设置数据采集软件并将其连接到压力扫描器,设置正确的 IP 地址。
  4. 在每个命令后插入按 Enter 的以下命令。
    >calz
    >set chan1 0
    >集 chan 1-1..1-4
    >set fps 10
  5. 检查测试部分和风洞没有碎屑。
  6. 关闭测试部分门。
  7. 将风洞快速拨号设置为零。
  8. 打开风洞和风洞冷却系统。
  9. 当风速达到 0 mph 时,开始记录数据,然后插入以下命令来扫描压力:
    > 扫描
  10. 记录风洞空气温度。
  11. 将风速提高到步骤 1.10 中定义的下一个测试点动态压力。
  12. 等待,直到空速稳定,然后重复步骤2.9 - 2.11,直到执行最后一个测试点。
  13. 慢慢将空速降至零。
  14. 测量所有点后,按照步骤 1.2 - 1.5 将球体中的 6 替换为下一个球体。
  15. 重复 2.3 - 2.14 的步骤以重复稳定和压力扫描实验。
  16. 对所有三个球体执行测试后,等待风洞冷却。
  17. 关闭风洞和数据采集软件。

在空气动力学测试中,风洞对于确定各种物体和缩放飞机的空气动力学特性是无价的。风洞数据是通过将受控气流应用于测试模型(安装在测试部分内)生成的。与实际对象相比,测试模型通常具有类似的几何形状,但规模较小。

为了确保风洞试验中生成的数据的有用性,我们必须确保风洞流场与实际流量场在真实物体上的动态相似性。为了保持动态相似性,风洞实验的雷诺数必须与被测试的流量现象的雷诺数相同。

然而,在风洞或自由空气中进行的实验,即使测试雷诺数相同,由于风洞试验段内自由流湍流的影响,可以提供不同的结果。这些差异可能被视为风洞的一个更高的有效雷诺数。那么,我们如何将风洞中的测试与自由空气实验联系起来呢?

我们可以使用具有已知流动行为(如球体)的清晰定义对象来估计风洞中自由流湍流的强度。此方法称为湍流球法。湍流球法依赖于经过充分研究的条件,称为球体阻力危机。

球体拖动危机描述了当雷诺数达到临界值时球体的拖动系数突然下降的现象。当流到达临界雷诺数时,边界层从层状过渡到湍流非常接近球体的前缘。与低雷诺数的流量相比,这种过渡会导致延迟的流量分离和更薄的湍流唤醒,从而减少阻力。

因此,我们可以在测试雷诺数范围内测量球体的阻力系数,以确定临界雷诺数。这使我们能够确定湍流因子,该因子将测试雷诺数与雷诺数的有效结果相关联。

在本实验中,我们将使用风洞和几个具有内置压力水龙头的不同湍流球体来演示湍流球法。

本实验利用空气动力学风洞以及几个直径不同的湍流球,确定隧道试验段自由流流的湍流水平。湍流球体,每个在前缘有一个压力水龙头,以及4个压力水龙头位于22.5°从后缘,具有明确的流量特性,这有助于我们分析风洞中的湍流。

要进行实验,首先将风洞皮托管连接到压力扫描仪端口1。然后,将风洞静态压力端口连接到端口 2。现在,锁定外部余额。在风洞内的天平支架中固定球体支柱。

然后,在球体中安装 6。将前缘压力水龙头连接到压力扫描器端口 3,并将四个尾部压力水龙头连接到端口 4。将供气管连接到压力调节器,并将压力设置为 65 psi。然后,将压力扫描仪的歧管连接到 65 psi 调节的压力管线。

启动数据采集系统和压力扫描器。当系统平衡时,根据自由空气临界雷诺数估计测试所需的最大动态压力 q 最大值,以实现平滑球体。

在这里,我们列出了每个球体的第一次和第二次测试的建议测试参数。现在,使用这些参数,定义从零到 q 最大值的动态压力测试范围,然后通过将范围划分为 15 个间隔来定义测试点。

在运行实验之前,请阅读房间中的气压并记录值。此外,读取室温并记录其值。使用室温和地理位置使用压力计制造商提供的方程对气压进行校正。

现在,首先打开扫描程序来设置数据采集软件。然后,连接软件 DSM 4000,通过设置正确的 IP 地址和按连接来读取和校准压力传感器的信号。插入命令,如所示,由制造商定义,记住在每个命令后按 Enter。

现在软件准备就绪,请检查以确保测试部分和风洞没有碎屑和松动部件。然后,关闭测试部分门并检查风洞速度是否设置为零。打开风洞,然后打开风洞冷却系统。

当风速等于零时,开始在数据采集系统上记录数据,然后键入命令扫描以开始压力测量。然后,记录风洞温度。由于风速与动态压力直接相关,因此增加风速,直到到达下一个动态压力测试点。然后,等待空气速度稳定,然后再次开始压力扫描。请务必记录风洞温度。通过在每个动态压力点进行压力扫描,每次记录风洞温度,继续实验。测量 6 英寸球体的所有点后,对 4.987 英寸和 4 英寸湍流球体重复稳定和压力扫描实验。

对于每个球体,我们测量压力端口 3 处的停滞压力和通过压力端口 4 的后端口处的压力,这些压力被减去以给出压力差,增量 P。我们还测量了测试部分总压力Pt,来自压力端口1和静态压力Ps,来自压力端口2,用于确定测试动态压力q。

然后可以计算归一化压力,该压力等于除以动态压力的压力差。还记录了气压和气流温度,从而能够计算气流特性。回想一下,测试部分有一个槽,这意味着它对环境空气开放。因此,假设测试部分没有流式压力梯度,自由流局部静态压力的绝对值可用作环境气压。

利用萨瑟兰公式获得的理想气体定律和粘度获得密度。一旦确定空气密度和粘度,我们可以计算雷诺数。在这里,我们显示了雷诺数与标准化压力差的图解,增量 P 超过 q。

使用此图,我们可以确定每个球体的临界雷诺数,因为临界雷诺数对应于归一化压力值 1.22。对于每个关键的雷诺数,我们可以评估湍流因子和有效雷诺数。湍流因子与风洞中湍流的强度有关。

总之,我们了解了自由流湍流如何影响风洞中的测试。然后,我们使用几个平滑球体来确定风洞流的湍流系数和强度,并评估其质量。

Results

对于每个球体,测量了停滞压力和尾部端口处的压力。这两个值之间的差异给出了压力差,μP。还测量了测试部分的总压力、Pt和静态压力P,用于确定测试动态压力、q = Pt - Ps和归一化压力。 还记录环境气压、Pamb和气流温度,以计算气流特性,包括空气密度、α测试和粘度、α测试。利用理想的气体定律获得密度,利用萨瑟兰公式获得粘度。一旦确定空气密度和粘度,就可以计算测试雷诺数。

通过绘制与标准化压力差相一致而绘制测试雷诺数,确定了每个球体的关键雷诺数(图1)。临界雷诺数对应于正一压力值= 1.220。三个球体的三条曲线提供了对关键雷诺数 ReC隧道的更准确估计,因为使用了平均值。通过ReC隧道估计,可以根据以下方程确定湍流因子、TF和有效雷诺数:


图 1.每个球体的关键雷诺数。

Applications and Summary

湍流球用于确定风洞湍流因子和估计湍流强度。这是评估风洞流量质量的非常有用的方法,因为它简单而高效。该方法不直接测量风速和速度波动,如热线风速计或粒子图像速度测定法,不能对风洞的流质量进行完整的测量。然而,一个完整的调查是非常繁琐和昂贵的,所以它不适合定期检查风洞湍流强度。

可以定期检查湍流系数,例如对风洞进行细微修改后,以测量流量质量。这些快速检查可以指示进行完整的流量湍流测量的必要性。从湍流因子中获得的其他重要信息是风洞的有效雷诺数。对雷诺数的这种修正对于确保从缩放模型获得的数据及其应用于满量程对象的动态相似性和有用性非常重要。

湍流球体原理还可用于估计除风洞试验段外其他环境的湍流水平。例如,此方法可用于测量飞行中的湍流。可以根据湍流球的原理开发湍流探头,并安装在飞机中,以实时测量大气中的湍流水平[2]。

另一个应用是研究飓风期间的流动结构。飓风内部流量的实地测量可能极其危险和复杂。在这些条件下,热线测量和粒子图像速度测量等方法是无法实现的。湍流球原理可用于制造一个消耗性测量系统,该系统可以放置在易受飓风袭击的地区,以安全、低成本测量飓风内的流动湍流[3]。

名字 公司 目录号 评论
设备
低速风洞 SDSU 速度在 0-180 mph 范围内的闭合回音类型
测试部分尺寸 45W-32H-67L 英寸
平滑球体 SDSU 三个球体,直径 4",4.987",6"
微型压力扫描仪 斯坎尼瓦尔 ZOC33
数字服务模块 斯坎尼瓦尔 DSM4000
晴雨表
马诺米特 梅里安仪器公司 34FB8 水操纵仪,10 英寸范围。
温度计

References

  1. Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
  2. Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
  3. Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.

1. 风洞中湍流球的准备

  1. 将风洞皮托管连接到压力扫描仪上的端口#1,并将静态压力端口连接到压力扫描仪上的端口#2。
  2. 锁定外部平衡。
  3. 将球体支柱固定到风洞内的平衡支架上。
  4. 安装直径为 6 的球体。
  5. 将前沿压力水龙头连接到压力扫描器上的端口#3,并将四个尾部压力水龙头连接到压力扫描仪上的端口#4。
  6. 将供气管连接到压力调节器,并将压力设置为 65 psi。
  7. 将压力扫描仪的歧管连接到压力管。
  8. 启动数据采集系统和压力扫描器。请确保在测试前至少 20 分钟打开它们。
  9. 根据自由空气临界雷诺数估计最大动态压力,以实现平滑球体: 。有关推荐的测试参数,请参阅表 1 和表 2。
  10. 定义从 0 到 q最大值的动态压力测试范围,并通过以 15 个间隔划分范围来定义测试点。

表 1.第一次测试的参数。

球体直径(in) q最小值 [在 H2O 中] q最大值[在 H2O 中]
4 4 6
4.987 2 3.4
6 1 2.4

表2.第二个测试的参数。

球体直径(in) q最小值 [在 H2O 中] q最大值[在 H2O 中]
4 3.4 7.2
4.987 1.3 5.1
6 -- --

2. 进行稳定和压力扫描测量

  1. 读取气压和室温并记录值。
  2. 使用压力计制造商提供的方程对气压进行校正。
  3. 设置数据采集软件并将其连接到压力扫描器,设置正确的 IP 地址。
  4. 在每个命令后插入按 Enter 的以下命令。
    >calz
    >set chan1 0
    >集 chan 1-1..1-4
    >set fps 10
  5. 检查测试部分和风洞没有碎屑。
  6. 关闭测试部分门。
  7. 将风洞快速拨号设置为零。
  8. 打开风洞和风洞冷却系统。
  9. 当风速达到 0 mph 时,开始记录数据,然后插入以下命令来扫描压力:
    > 扫描
  10. 记录风洞空气温度。
  11. 将风速提高到步骤 1.10 中定义的下一个测试点动态压力。
  12. 等待,直到空速稳定,然后重复步骤2.9 - 2.11,直到执行最后一个测试点。
  13. 慢慢将空速降至零。
  14. 测量所有点后,按照步骤 1.2 - 1.5 将球体中的 6 替换为下一个球体。
  15. 重复 2.3 - 2.14 的步骤以重复稳定和压力扫描实验。
  16. 对所有三个球体执行测试后,等待风洞冷却。
  17. 关闭风洞和数据采集软件。

在空气动力学测试中,风洞对于确定各种物体和缩放飞机的空气动力学特性是无价的。风洞数据是通过将受控气流应用于测试模型(安装在测试部分内)生成的。与实际对象相比,测试模型通常具有类似的几何形状,但规模较小。

为了确保风洞试验中生成的数据的有用性,我们必须确保风洞流场与实际流量场在真实物体上的动态相似性。为了保持动态相似性,风洞实验的雷诺数必须与被测试的流量现象的雷诺数相同。

然而,在风洞或自由空气中进行的实验,即使测试雷诺数相同,由于风洞试验段内自由流湍流的影响,可以提供不同的结果。这些差异可能被视为风洞的一个更高的有效雷诺数。那么,我们如何将风洞中的测试与自由空气实验联系起来呢?

我们可以使用具有已知流动行为(如球体)的清晰定义对象来估计风洞中自由流湍流的强度。此方法称为湍流球法。湍流球法依赖于经过充分研究的条件,称为球体阻力危机。

球体拖动危机描述了当雷诺数达到临界值时球体的拖动系数突然下降的现象。当流到达临界雷诺数时,边界层从层状过渡到湍流非常接近球体的前缘。与低雷诺数的流量相比,这种过渡会导致延迟的流量分离和更薄的湍流唤醒,从而减少阻力。

因此,我们可以在测试雷诺数范围内测量球体的阻力系数,以确定临界雷诺数。这使我们能够确定湍流因子,该因子将测试雷诺数与雷诺数的有效结果相关联。

在本实验中,我们将使用风洞和几个具有内置压力水龙头的不同湍流球体来演示湍流球法。

本实验利用空气动力学风洞以及几个直径不同的湍流球,确定隧道试验段自由流流的湍流水平。湍流球体,每个在前缘有一个压力水龙头,以及4个压力水龙头位于22.5°从后缘,具有明确的流量特性,这有助于我们分析风洞中的湍流。

要进行实验,首先将风洞皮托管连接到压力扫描仪端口1。然后,将风洞静态压力端口连接到端口 2。现在,锁定外部余额。在风洞内的天平支架中固定球体支柱。

然后,在球体中安装 6。将前缘压力水龙头连接到压力扫描器端口 3,并将四个尾部压力水龙头连接到端口 4。将供气管连接到压力调节器,并将压力设置为 65 psi。然后,将压力扫描仪的歧管连接到 65 psi 调节的压力管线。

启动数据采集系统和压力扫描器。当系统平衡时,根据自由空气临界雷诺数估计测试所需的最大动态压力 q 最大值,以实现平滑球体。

在这里,我们列出了每个球体的第一次和第二次测试的建议测试参数。现在,使用这些参数,定义从零到 q 最大值的动态压力测试范围,然后通过将范围划分为 15 个间隔来定义测试点。

在运行实验之前,请阅读房间中的气压并记录值。此外,读取室温并记录其值。使用室温和地理位置使用压力计制造商提供的方程对气压进行校正。

现在,首先打开扫描程序来设置数据采集软件。然后,连接软件 DSM 4000,通过设置正确的 IP 地址和按连接来读取和校准压力传感器的信号。插入命令,如所示,由制造商定义,记住在每个命令后按 Enter。

现在软件准备就绪,请检查以确保测试部分和风洞没有碎屑和松动部件。然后,关闭测试部分门并检查风洞速度是否设置为零。打开风洞,然后打开风洞冷却系统。

当风速等于零时,开始在数据采集系统上记录数据,然后键入命令扫描以开始压力测量。然后,记录风洞温度。由于风速与动态压力直接相关,因此增加风速,直到到达下一个动态压力测试点。然后,等待空气速度稳定,然后再次开始压力扫描。请务必记录风洞温度。通过在每个动态压力点进行压力扫描,每次记录风洞温度,继续实验。测量 6 英寸球体的所有点后,对 4.987 英寸和 4 英寸湍流球体重复稳定和压力扫描实验。

对于每个球体,我们测量压力端口 3 处的停滞压力和通过压力端口 4 的后端口处的压力,这些压力被减去以给出压力差,增量 P。我们还测量了测试部分总压力Pt,来自压力端口1和静态压力Ps,来自压力端口2,用于确定测试动态压力q。

然后可以计算归一化压力,该压力等于除以动态压力的压力差。还记录了气压和气流温度,从而能够计算气流特性。回想一下,测试部分有一个槽,这意味着它对环境空气开放。因此,假设测试部分没有流式压力梯度,自由流局部静态压力的绝对值可用作环境气压。

利用萨瑟兰公式获得的理想气体定律和粘度获得密度。一旦确定空气密度和粘度,我们可以计算雷诺数。在这里,我们显示了雷诺数与标准化压力差的图解,增量 P 超过 q。

使用此图,我们可以确定每个球体的临界雷诺数,因为临界雷诺数对应于归一化压力值 1.22。对于每个关键的雷诺数,我们可以评估湍流因子和有效雷诺数。湍流因子与风洞中湍流的强度有关。

总之,我们了解了自由流湍流如何影响风洞中的测试。然后,我们使用几个平滑球体来确定风洞流的湍流系数和强度,并评估其质量。

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