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湍流球法:评估风洞流量质量

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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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