低速射流風(fēng)洞畢業(yè)設(shè)計

低速射流風(fēng)洞畢業(yè)設(shè)計用于風(fēng)力機實驗的低速射流風(fēng)洞設(shè)計學(xué)院動力與能源工程學(xué)院專業(yè)飛行器動力工程班級7404103學(xué)號200704044007姓名箜指導(dǎo)教師李國文負責(zé)教師李國文沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）沈陽航空航天大學(xué)2011年6月摘要本文設(shè)計了一套用于風(fēng)力機實驗的低速射流風(fēng)洞。課題來源于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)射流風(fēng)洞實驗器項目。由風(fēng)洞的使用要求、設(shè)計建造經(jīng)費，結(jié)合安裝場地的安裝條件建造了一座射流風(fēng)洞。文章中主要介紹了風(fēng)洞的基本概況，風(fēng)洞的基本設(shè)計理論，以及風(fēng)力機實驗的相關(guān)知識。詳細的計算了該風(fēng)洞的壓力損失，選擇了合理的動力系統(tǒng)，并設(shè)計了風(fēng)洞的施工圖紙。文章對風(fēng)洞的總造價進行了估算，進行了經(jīng)濟技術(shù)分析。得到了可以降低能源消耗、實用性很強的結(jié)論。關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；流動損失；風(fēng)力機；low-speedJetwindtunneldesignforwindturbineexperimentAbstractThisarticlehasdesignedasystemforwindturbineexperimentsoflowspeedJetwindtunnel.SubjectderivesfromJetwindtunnelexperimentprojectofNortheastAgriculturalUniversity.Builtbywindtunnelusagerequirements,designrequirements,combinedwiththeinstallationsiteoftheinstallationconditionsbuiltawindtunnel.Articlemainlyintroducesthebasicprofilesofwindtunnel,basicwindtunneldesigntheoryandexperimentalknowledgeofwindturbines.Detailedcalculationofthewind-pressureloss,selectareasonablepowersystemanddesignofawindtunnelconstructiondrawings.Articlestoestimatethetotalcostofthetunnel,foreconomicandtechnicalanalysis.Getusefulnesscanreduceenergyconsumption,strongconclusions.Keywords:.「「何］Jwindtunnel;Flowloss;windturbine符號表A0實驗段進口面積m2「0當(dāng)量壓力損失系數(shù)Ai進口面積m2Re雷諾數(shù)A2出口面積m2p阻尼網(wǎng)開孔率de水力直徑m*摩擦阻力系數(shù)V0實驗段進口速度m/s風(fēng)洞能量比a當(dāng)量擴散角°蜂窩器堵塞度P0大氣壓強Pa壓力損失系數(shù)p氣流密度kgm3H動力粘性系數(shù)NSm21緒論1.1風(fēng)洞1.1.1風(fēng)洞概況1.1.2風(fēng)洞實驗1.1.3風(fēng)洞試驗的重要性1.2風(fēng)力機實驗簡介1.2.1風(fēng)力機及其分類1.2.2風(fēng)力機的特點1.2.3風(fēng)力機的發(fā)展1.3小結(jié)2風(fēng)洞總體設(shè)計2.1風(fēng)洞的基本類型2.2風(fēng)洞的主要組成部分2.2.1穩(wěn)定段2.2.2收縮段2.2.3擴散段2.2.4動力段1010101110101011122.3.1參數(shù)要求2.3.2風(fēng)洞的氣動設(shè)計2.4小、結(jié)3風(fēng)洞能量損失計算3.1風(fēng)洞能量損失研究的意義.3.2壓力損失計算原理3.2.1損失系數(shù)3.2.2管道損失的來源3.2.3損失系數(shù)的疊加和折算3.3風(fēng)洞各段壓力損失計算.......3.3.1擴散段3.3.2動力段3.3.3穩(wěn)定段3.4風(fēng)洞壓力損失計算步驟.......3.4.13.4.23.4.33.4.43.4.5氣流密度和動力粘性系數(shù)動力段擴散段穩(wěn)定段收縮段3.4.6進出口壓力損失系數(shù)..?...??.?.3.4.7總的壓力損失系數(shù)3.5電機選取3.6小、結(jié)4風(fēng)洞重要部件設(shè)計與分析4.1動力段設(shè)計4.1.1整流罩設(shè)計4.1.2動力段殼體4.1.3動力段其他尺寸設(shè)計與分析4.2擴散段1212131314151516161718182022222223242525252627284.2.1擴散段長度4.2.2擴散段面積比4.2.3擴散段其他尺寸設(shè)計與分析4.3穩(wěn)定段4.3.1阻尼網(wǎng)設(shè)計穩(wěn)定段其他尺寸設(shè)計與分析4.4收縮段4.4.1收縮段長度4.4.2收縮曲線4.5各段支架設(shè)計4.5.1動力段支架設(shè)計擴散段支架設(shè)計4.5.3穩(wěn)定段支座設(shè)計4.6進氣頭段4.7導(dǎo)流錐4.8小結(jié)2828282930303131323232333434345數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)5.1數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)概述5.1.1風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成5.1.2控制系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)主要硬件...??????,5.2控制系統(tǒng)軟件5.3小結(jié)3636363738386經(jīng)濟技術(shù)分析397結(jié)論41參考文獻42441緒論1.1風(fēng)洞1.1.1風(fēng)洞概況風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道試驗設(shè)備，是航空航天飛行器的研制，風(fēng)能的利用，建筑物、橋梁、汽車等的研制以及環(huán)境保護、發(fā)展體育等方面重要試驗手段。風(fēng)洞種類很多，可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)來分類。按風(fēng)洞實驗段氣流速度的大小來區(qū)分，可以分為低速風(fēng)洞(MaW0.35)、高速風(fēng)洞(Ma=0.35—4.5)和高超聲速風(fēng)洞(MaN5?0)。自1871年英國韋斯姆在格林威治建造的世界上的第一座風(fēng)洞以及1903年萊特兄弟建造第一架載人飛機以來，航空事業(yè)得到高速度發(fā)展，風(fēng)洞成為必備的試驗設(shè)備。各種各樣，滿足各種要求的風(fēng)洞相繼誕生，為世界的空氣動力學(xué)和高可靠性、高性能的飛行器的發(fā)展做出了巨大貢獻。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子計算機的廣泛應(yīng)用，對試驗對象要求更加全面的測量和分析，因此對風(fēng)洞的要求就更加嚴(yán)格，風(fēng)洞工作者面對的困難還很多，還需要我們不斷地努力去探索、去改進風(fēng)洞、改進試驗方法。目前國內(nèi)外近十多年來，有了很大的進展，它大致可從以下五個方面來敘述：一、風(fēng)洞向著高雷諾數(shù)、低湍流度、低噪音、減小和消除洞壁干擾方面發(fā)展；高雷諾數(shù)暫沖式風(fēng)洞、路得維希管、低溫、低湍流度、自行修正風(fēng)洞、靜風(fēng)洞等的相繼出現(xiàn)。二、測試技術(shù)日益求精，測力、測壓、測速、測溫等測量方法都向著小型、快速、小干擾和無干擾的非接觸方向發(fā)展。流譜顯示技術(shù)從定性走向定量，如天平的直徑可以小到2.6毫米。用多普勒測速計測量尾跡、大攻角脫體渦等，都已經(jīng)達到先進水平。模型懸掛采用磁懸浮系統(tǒng)、張線支撐系統(tǒng)。多項測量可同時進行，不干擾，不排擠，省時、省力、節(jié)省資源。三、風(fēng)洞設(shè)備和模型的工藝結(jié)構(gòu)從剛性走向柔性，設(shè)備精度日益提高。除噴管外大多用柔性壁，包括實驗段。近來又出現(xiàn)柔性翼型模型。四、目前由于飛行器機動性要求增加，動態(tài)試驗和大攻角試驗比例有所增加。邊界層測量研究、噪音應(yīng)用研究、抖振試驗研究等都有較大的進展。支承結(jié)構(gòu)的干擾影響也已經(jīng)被重視起來，已經(jīng)在采取措施改進支持系統(tǒng)，如：磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用。動導(dǎo)試驗也發(fā)展到大攻角、高Ma數(shù)范圍。對于交叉耦合動導(dǎo)數(shù)的研究，雷諾數(shù)影響的研究也已開展。五、計算機滲透到風(fēng)洞試驗的各個環(huán)節(jié)，如在美國、日本、德國等都在風(fēng)洞集中地區(qū)配備了大型計算機，而且各個風(fēng)洞也有自己的計算機，有的還不止一臺。他們功能雖然不外乎是計算、試驗控制、監(jiān)測、數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬、存儲試驗結(jié)果進行圖像分析等，但他們的作用是很大的。上述幾方面工作大部分直接、間接的與計算機的這些功能有關(guān)，因此計算機在現(xiàn)代化風(fēng)洞試驗中有著必不可少的極其重要的作用。1.1.2風(fēng)洞實驗空氣動力學(xué)是發(fā)展航空航天技術(shù)及其它工業(yè)技術(shù)的一門基礎(chǔ)科學(xué)?？諝鈩恿W(xué)問題不外乎采用理論分析或?qū)嶒灥姆椒?。由于氣體流動現(xiàn)象以及物體（如飛機）幾何外形的復(fù)雜性，空氣動力學(xué)研究和飛行器設(shè)計中的許多問題都不可能單純地依靠理論或解析的方法得到解決，雖然空氣動力學(xué)理論和計算流體力學(xué)數(shù)值計算方法有了高度發(fā)展，但設(shè)計一種飛行器要完全依賴?yán)碚撚嬎愕贸鲈O(shè)計所需的所有空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)是不可能的。在設(shè)計飛行器的過程中，真正可靠的空氣動力數(shù)據(jù)總是來自實驗。風(fēng)洞是進行空氣動力學(xué)實驗的一種主要設(shè)備，幾乎絕大多數(shù)的空氣動力學(xué)實驗都在各種類型的風(fēng)洞中進行。風(fēng)洞的原理是使用動力裝置在一個專門設(shè)計的管道內(nèi)驅(qū)動一股可控氣流，使其流過安置在實驗段的靜止模型，模擬實物在靜止空氣中的運動。測量作用在模型上的空氣動力，觀測模型表面及周圍的流動現(xiàn)象。根據(jù)相似理論將實驗結(jié)果整理成可用于實物的相似準(zhǔn)數(shù)。實驗段是風(fēng)洞的中心部件，實驗段流場應(yīng)模擬真實流場，其氣流品質(zhì)如均勻度、穩(wěn)定度（指參數(shù)隨時間變化的情況）、湍流度等，應(yīng)達到一定指標(biāo)。風(fēng)洞主要按實驗段速度范圍分類，速度范圍不同，其工作原理、型式、結(jié)構(gòu)及典型尺寸也各異。低速風(fēng)洞：實驗段速度范圍為0?100米/秒或馬赫數(shù)Ma=0?0.3左右；亞聲速風(fēng)洞：Ma=0.3?0.8左右；跨聲速風(fēng)洞：Ma=0.8?1.4（或1.2）左右；超聲速風(fēng)洞：Ma=1.5?5.0左右；高超聲速風(fēng)洞Ma=5.0?10（或12）；高焓高超聲速風(fēng)洞Ma>10（或12）。風(fēng)洞實驗的主要優(yōu)點是：實驗條件（包括氣流狀態(tài)和模型狀態(tài)兩方面）易于控制。流動參數(shù)可各自獨立變化。模型靜止，測量方便而且容易準(zhǔn)確。一般不受大氣環(huán)境變化的影響。與其他空氣動力學(xué)實驗手段相比，價廉、可靠等。缺點是難以滿足全部相似準(zhǔn)數(shù)相等，存在洞壁和模型支架干擾等，但可通過數(shù)據(jù)修正方法克服部分或大部分。風(fēng)洞實驗的主要項目有測力實驗、測壓實驗、傳熱實驗、動態(tài)模型實驗和流態(tài)觀測實驗等。測力和測壓實驗是測定作用于模型或模型部件（如飛行器模型中的一個機翼等）的氣動力及表面壓強分布，多用于為飛行器設(shè)計提供氣動特性數(shù)據(jù)。傳熱實驗主要用于研究超聲速或高超聲速飛行器上的氣動加熱現(xiàn)象。動態(tài)模型實驗包括顫振、抖振和動穩(wěn)定性實驗等，要求模型除滿足幾何相似外還能模擬實物的結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布和變形。流態(tài)觀測實驗廣泛用于研究流動的基本現(xiàn)象和機理。計算機在風(fēng)洞實驗中的應(yīng)用極大地提高了實驗的自動化、高效率和高精度的水平。風(fēng)洞是空氣動力學(xué)研究和飛行器研制的最基本的實驗設(shè)備，空氣動力學(xué)的許多重要理論如俄國科學(xué)家儒可夫斯基的空氣螺旋槳理論，德國科學(xué)家普郎特的邊界層理論，都是在風(fēng)洞實驗中經(jīng)過大量觀測后提出來的，并且他們的應(yīng)用又得到風(fēng)洞實驗的驗證。在飛行器研制和發(fā)展中，風(fēng)洞的作用更加明顯。此外，風(fēng)洞在民用工業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用，如研究地面建筑物在大氣環(huán)境中的空氣動力學(xué)問題以及環(huán)境保護問題等都需要進行大量的風(fēng)洞實驗。1.1.3風(fēng)洞試驗的重要性作為當(dāng)今空氣動力學(xué)試驗研究方法中的一種工具，在氣動力研究和飛行器氣動設(shè)計中一直起著非常重要的作用。空氣動力學(xué)的許多重要理論，都是在風(fēng)洞試驗中經(jīng)過大量觀測試驗后才提出來的，并且它們的應(yīng)用又得到了風(fēng)洞試驗的驗證。在飛行器的研制和發(fā)展中，風(fēng)洞的作用就更明顯了。有許多航空器（或工業(yè)建筑等）設(shè)計的新方法和新理論都是先在風(fēng)洞中進行大量的試驗后才運用到以后的設(shè)計中去的。由此可見，風(fēng)洞在試驗中性能的好壞將決定著許多問題的解決與否，對理論和設(shè)計方面都有著重要意義。而評價風(fēng)洞優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)就是風(fēng)洞的壓力損失系數(shù)。風(fēng)洞的壓力損失系數(shù)決定了一個風(fēng)洞建設(shè)和運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟性，以及風(fēng)洞能達到的最大風(fēng)速范圍。因此，對風(fēng)洞流路壓力損失系數(shù)的研究是在風(fēng)洞設(shè)計前的一項重要工作，也是風(fēng)洞使用中進一步改進的依據(jù)之一。進行空氣動力學(xué)實驗有各種方法，例如利用自然風(fēng)、旋臂機、火箭車、自由飛模型、攜帶實驗、飛行器試飛及風(fēng)洞等。每種方法都有自己獨特的優(yōu)點，但其中最主要的是風(fēng)洞實驗，其它方法遠不如風(fēng)洞實驗?zāi)菢颖黄毡榈牟捎?，而只能是風(fēng)洞實驗的一種補充?？傊?，風(fēng)洞在航空和一般工業(yè)技術(shù)中都有廣泛的應(yīng)用。1.2風(fēng)力機實驗簡介1.2.1風(fēng)力機及其分類風(fēng)力機是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能或熱能等的能量轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，出現(xiàn)了多種多樣的風(fēng)力機。風(fēng)力機分類方法有多種，一般根據(jù)風(fēng)力機的用途、容量、葉片個數(shù)、葉片尖端速度與來流速度之比、風(fēng)輪與塔架的相對位置等對風(fēng)力機進行分類。風(fēng)力機的型式主要有2種：按照風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的位置，分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機；按照風(fēng)力機葉片的工作原理，分為升力型風(fēng)力機和阻力型風(fēng)力機。給出了風(fēng)力機的主要分類及其代表機型。水平軸風(fēng)力機與垂直軸風(fēng)力機風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行的風(fēng)力機為水平軸風(fēng)力機，主要有螺旋槳型、美式多翼型、荷蘭型和風(fēng)帆翼型等。風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向成直角(大多數(shù)與地面垂直)的風(fēng)力機為垂直軸風(fēng)力機，主要有達里厄型、薩渥紐斯型和渦輪型等。根據(jù)其葉片形狀的不同，達里厄型風(fēng)力機又分為曲線翼型和直線翼型2種。通常所說的達里厄風(fēng)力機都是指具有曲線翼型葉片的，而直線翼型達里厄風(fēng)力機通常稱為直線翼垂直軸風(fēng)力機。升力型風(fēng)力機與阻力型風(fēng)力機作用在風(fēng)力機葉片上的風(fēng)力可分解成與風(fēng)向垂直和與風(fēng)向平行的2個分力，垂直分力稱為升力，平行分力稱為阻力。主要依靠升力來工作的風(fēng)力機稱為升力型風(fēng)力機，水平軸的螺旋槳型風(fēng)力機、垂直軸的達里厄型和直線翼型風(fēng)力機都屬于這種類型。由于升力的作用，風(fēng)輪的圓周速度可以達到風(fēng)速的幾倍乃至十幾倍。升力型風(fēng)力機多被用于發(fā)電。主要依靠阻力來工作的風(fēng)力機稱為阻力型風(fēng)力機，水平軸的美式多翼型風(fēng)力機、垂直軸的薩渥紐斯型和渦輪型等風(fēng)力機屬于阻力型風(fēng)力機。該類風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不高，但輸出扭矩很大，所以常被用于提水、碾米和拉磨等動力。1.2.2風(fēng)力機的特點一、垂直軸風(fēng)力機升力型的達里厄風(fēng)力機和直線翼垂直軸風(fēng)力機是垂直軸風(fēng)力機的代表，下面通過與水平軸螺旋槳式風(fēng)力機進行比較，來說明垂直軸風(fēng)力機的主要特點。風(fēng)能利用效率從理論上講，升力型垂直軸風(fēng)力機與水平軸螺旋槳式風(fēng)力機具有大致相同的理想效率，即貝茨極限效率。由于水平軸螺旋槳式風(fēng)力機借助了航空動力技術(shù)的科研成果，得到了快速的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟。一般其風(fēng)能利用系數(shù)可達到0.4?0.5，葉片尖速比可以達到6?10。然而，垂直軸風(fēng)力機的研究起步較晚，研究理論和設(shè)計方法還處于發(fā)展階段，據(jù)現(xiàn)有研究和實驗結(jié)果看，風(fēng)能利用系數(shù)在0.4左右，葉片尖速比可以達到4左右。風(fēng)向影響與啟動性垂直軸風(fēng)力機可以接受任何方向的來風(fēng)，不需要水平軸風(fēng)力機所必須具備的迎風(fēng)轉(zhuǎn)向(偏航)機構(gòu)。因此，垂直軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)比水平軸風(fēng)力機簡單，成本較低。風(fēng)力機結(jié)構(gòu)由于沿著葉片翼展各處的圓周速度和相對于風(fēng)速的迎角不同，水平軸螺旋槳式風(fēng)力機的葉片需要進行扭轉(zhuǎn)和變截面，因此，水平軸風(fēng)力機的葉片比垂直軸風(fēng)力機的葉片相對復(fù)雜，加工成本相對較高。達里厄風(fēng)力機的葉片雖然是彎曲的，但葉片表面對翼弦是對稱的，加工相對容易。直線翼垂直軸風(fēng)力機的葉片是直線型的，沒有扭曲也沒有變截面，形狀簡單，加工容易，成本低，但其不足之處是直線葉片旋轉(zhuǎn)時會承受由向心加速度產(chǎn)生的較大的彎矩，因此對葉片材料要求高。水平軸風(fēng)力機的發(fā)電機與變速制動裝置等需要安置在幾十米高的塔架上，而達里厄風(fēng)力機的發(fā)電機則可以安裝在地面上，這樣可以降低對設(shè)備的安裝尺寸、重量和運行條件等要求，日常維護和修理也非常簡便。二、水平軸風(fēng)力機水平軸風(fēng)力機可分為升力型和阻力型兩類。升力型旋轉(zhuǎn)速度快，阻力型旋轉(zhuǎn)速度慢。對于風(fēng)力發(fā)電，多采用升力型水平軸風(fēng)力機。大多數(shù)水平軸風(fēng)力機具有對風(fēng)裝置，能隨風(fēng)向改變而轉(zhuǎn)動。對小型風(fēng)力機，這種對風(fēng)裝置采用尾舵，而對于大型風(fēng)力機，則利用風(fēng)向傳感元件及伺服電動機組成的傳動裝置。風(fēng)力機的風(fēng)輪在塔架前面的稱上風(fēng)向風(fēng)力機，風(fēng)輪在塔架后面的則稱下風(fēng)向風(fēng)力機。水平風(fēng)力機的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪；有的在一個塔架上安裝多個風(fēng)輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架成本；有的利用錐形罩，使氣流通過水平軸風(fēng)輪時集中或擴撒，因此加速或減速；還有的水平軸風(fēng)力機在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。1.2.3風(fēng)力機的發(fā)展人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。公元1219年，我國就有了關(guān)于風(fēng)力機的文獻記載。公元1300年，波斯也記載了具有多枚翼板的風(fēng)力機。這些風(fēng)力機都是阻力型風(fēng)機，多數(shù)被用來提水，碾米或助航等。19世紀(jì)末，丹麥?zhǔn)紫乳_始研究利用風(fēng)力發(fā)電，從此世界各國開始研發(fā)各種用于發(fā)電的風(fēng)力機。與水平軸風(fēng)力機相比，垂直軸風(fēng)力機的研究相對滯后。20世紀(jì)20?30年代是風(fēng)力機研究的第一個高峰期。這期間出現(xiàn)了多種類型的風(fēng)力機，主要有薩渥紐斯型(Savoniusrotor)、馬達拉斯型(Madarasrotor)和達里厄型(DarrieusVAWT)等。1929年，芬蘭工程師SJ.Savonius發(fā)明了后來以其名字命名的薩渥紐斯型風(fēng)力機。它具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，回轉(zhuǎn)力矩大，啟動性能好等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)數(shù)和效率較低。盡管如此，許多學(xué)者對這種風(fēng)力機的研究卻沒有間斷過。馬達拉斯型風(fēng)力機是美國的JuliusD.Madaras提出的一種風(fēng)力發(fā)電裝置。在氣流中旋轉(zhuǎn)的圓柱可以使該物體周圍的壓力發(fā)生變化而產(chǎn)生升力，這種現(xiàn)象被稱為馬格納斯效應(yīng)。借助該效應(yīng)產(chǎn)生的升力可以帶動小車沿軌道運動，從而利用車輪的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。然而，由于軌道兩端需要有改變圓柱旋轉(zhuǎn)方向的機構(gòu)而使機構(gòu)過于復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)圓柱的過低圓周速度使其空氣動力特性十分微弱、大軌道負荷產(chǎn)生較大的摩擦損失、地表風(fēng)速低和發(fā)電損失大等原因，馬達拉斯的大規(guī)模發(fā)電構(gòu)想最終未能成功。這種風(fēng)力發(fā)電裝置至今已無人問津。1931年，法國工程師達里厄(GeorgeJeansMaryDarrieus)從美國專利局獲得后來以其名字命名的達里厄風(fēng)力機的專利。當(dāng)時達里厄風(fēng)力機的葉片包括了曲線翼型和直線翼型兩種形式。我們通常所提到的達里厄風(fēng)力機主要是指具有曲線翼型葉片的風(fēng)力機。如前所述，直線翼型達里厄風(fēng)力機簡稱直線翼垂直風(fēng)力機。之后，風(fēng)力機發(fā)展和應(yīng)用進入了前所未有的高峰，當(dāng)代生產(chǎn)生活中，風(fēng)力機幾乎隨處可見。1.3小結(jié)在緒論中，風(fēng)洞部分我們主要介紹了風(fēng)洞的基本情況，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，以及低速射流風(fēng)洞的基本構(gòu)造組成。風(fēng)力機部分主要介紹了風(fēng)力機的類型，特性，并簡單介紹了各機型的發(fā)展?fàn)顩r。本章主要講述了風(fēng)洞以及風(fēng)力機試驗等的一些相關(guān)知識。根據(jù)不同的情況，對風(fēng)洞進行了分類、設(shè)計與應(yīng)用。并且詳細的介紹了其中一些資料，列舉出了一些設(shè)計知識。風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成。這里我們主要進行的是風(fēng)洞洞體設(shè)計，而對風(fēng)力機的實驗要求的了解是設(shè)計此類實驗設(shè)備的必要前提條件，同時也可以根據(jù)實驗要求以及用戶相關(guān)實驗內(nèi)容做到有的放矢，進一步完善了風(fēng)洞的設(shè)計。下一章將主要講述風(fēng)洞洞體設(shè)計的第一步：風(fēng)洞總體設(shè)計。2風(fēng)洞總體設(shè)計2.1風(fēng)洞的基本類型按氣流速度：風(fēng)洞可分為低速風(fēng)洞，高亞聲速風(fēng)洞和跨聲速、超聲速、高超聲速風(fēng)洞；按工作方式：風(fēng)洞可分為持續(xù)工作式風(fēng)洞、暫沖式風(fēng)洞；按結(jié)構(gòu)：可分為直流式、回流式兩種。另外，按風(fēng)洞裝置的規(guī)模又可分為小型、中型、大型風(fēng)洞。根據(jù)用戶給出的設(shè)計要求，我們首先應(yīng)確定設(shè)計的風(fēng)洞類型。該風(fēng)洞主要用途是進行風(fēng)力機實驗。為更好的模擬風(fēng)力機的工作環(huán)境，得到更真實的數(shù)據(jù)，因此，氣流速度應(yīng)盡量與自然風(fēng)速相匹配。所以，當(dāng)選取風(fēng)洞類型時，選擇了低速射流式風(fēng)洞。2.2風(fēng)洞的主要組成部分2.2.1穩(wěn)定段主要作用是用來提高氣流勻直度，降低湍流度。其內(nèi)部還安裝有蜂窩器和阻尼網(wǎng)。（1）蜂窩器風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)的蜂窩器主要的作用是導(dǎo)向和分割氣流大旋渦，因而有利于加快旋渦的衰減，同時，由于蜂窩器管道對氣流的摩擦作用，也有利于改善氣流的速度分布，并在一定程度上也能降低氣流的湍流度。蜂窩器的蜂窩格子有圓形截面、方形截面和六角形截面等。方形截面的蜂窩器，雖然加工方便，但在其直角處的邊界層容易卷起旋渦；圓形截面的蜂窩器，雖然在K=0.30AP=0.22R=0.20圖2.1常見蜂窩器及其壓力損失系數(shù)K圓管內(nèi)流動的條件是好的，但管與管之間的間隙會影響氣流流動的均勻性，并使其壓力損失增大；因而，相比起來，采用六角形截面的蜂窩器是較為理想的。（2）阻尼網(wǎng)阻尼網(wǎng)降低軸向湍流度比降低橫向湍流度效果要好。由于氣流通過阻尼網(wǎng)時在軸向產(chǎn)生了較大的壓降，從而使氣流的軸向速度分布的均勻性得到了明顯的改善。描述阻尼網(wǎng)特性的一個重要參數(shù)是開孔率。開孔率p=阻尼網(wǎng)開孔面積/阻尼網(wǎng)總面積/dV,、p=1—->0.57（2.1）"BJ式中，-為網(wǎng)絲直徑，m;b為網(wǎng)孔寬度，m。兩層阻尼網(wǎng)間的距離應(yīng)大于30倍B或500倍-。2.2.2收縮段主要作用是均勻加速氣流，使其流達到實驗段所需要的流速。收縮段的長度不宜過長，這主要是從設(shè)備的造價來考慮的；收縮段的長度也不能過短，以免氣流出現(xiàn)不均勻甚至發(fā)生分離。在保證收縮段性能的前提下，其長度L=（0.5—1.0）D，D為收縮段入口直徑。2.2.3擴散段又稱擴壓段，是一種沿氣流方向擴張的管道，其主要作用是使氣流減速，將動能恢復(fù)為壓力能，以減少氣流在擴散段下游各段能量的損失，降低風(fēng)洞工作所需要的功率。擴壓段本身也會引起氣流的能量損失包括摩擦損失和擴壓損失。2.2.4動力段在該段，風(fēng)扇通過旋轉(zhuǎn)使氣流壓力能增加。即通過電機和風(fēng)扇系統(tǒng)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能輸送給管路內(nèi)的氣流，以補償管路內(nèi)氣流的沿程損失和局部損失，達到氣流穩(wěn)定流動的目的。改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)氣流的速度，動力段的整流裝置包括整流罩，風(fēng)扇前導(dǎo)流葉片和風(fēng)扇后導(dǎo)流片等。2.3風(fēng)洞氣動外形設(shè)計2.3.1參數(shù)要求1）實驗段尺寸：（寬X高）1mX1m2）風(fēng)速（空風(fēng)洞）范圍：1?20（m/s）。3）動壓穩(wěn)定性nW1%4）動壓場系數(shù)|M|W±8%5）湍流度eW0.5%（V=5~20m/s）6）調(diào)速方式為交流變頻調(diào)速。7）風(fēng)洞試驗室（含風(fēng)洞）外10米距離處的風(fēng)洞最大運轉(zhuǎn)噪聲W70dB。8）實驗場地總長13m2.3.2風(fēng)洞的氣動設(shè)計一、設(shè)計氣動輪廓設(shè)計氣動輪廓圖為風(fēng)洞設(shè)計的第一個步驟，設(shè)計時，應(yīng)參考多方面因素，以確保之后分部設(shè)計時的準(zhǔn)確性與合理性。1）之前已經(jīng)論述，該設(shè)計確定風(fēng)洞類型為低速射流式風(fēng)洞，在收縮段后設(shè)實驗臺，不另設(shè)實驗段。2）參照國內(nèi)外風(fēng)洞設(shè)計經(jīng)驗，該風(fēng)洞收縮段收縮比應(yīng)取5左右方能滿足客戶提出的諸多要求。為方便設(shè)計安裝，以及滿足場地要求，收縮比應(yīng)適當(dāng)選取?？紤]到安裝運輸，收縮段截面積取4.84m2。因客戶要求實驗段尺寸為1mX1m，所以收縮比為4.84，使收縮段進口長寬尺寸為2.2m。3）根據(jù)客戶要求，風(fēng)速（空風(fēng)洞）范圍為1?20（m/s）,嘗試選擇電機類型為四級電動機。根據(jù)電機大致尺寸，動力段尺寸直徑暫取1?2m。4）穩(wěn)定段內(nèi)蜂窩器及阻尼網(wǎng)，根據(jù)湍流度要求，采用六角形截面的蜂窩器較為理想，阻尼網(wǎng)選用24目/英寸規(guī)格，2層。5）在沒有分離的情況下，氣流通過擴散段得損失只要包括摩擦損失和擴壓損失兩種。當(dāng)擴散段擴散面積比一定時，隨擴散角的增大，擴散段的摩擦損失減少而擴壓損失增大。根據(jù)摩擦損失與壓力損失公式可得最佳擴散角。應(yīng)小于5度。因此，初步取擴散角5度。由此，風(fēng)洞的基本尺寸都已初步確定。二、繪制風(fēng)洞氣動輪廓輪廓根據(jù)確定出的尺寸，繪制出風(fēng)洞輪廓草圖。由此為依據(jù)，進行下一步計算與設(shè)計。如圖2?2。圖2.2氣動輪廓2.4小結(jié)在前階段的設(shè)計中，我們簡要的設(shè)計了符合要求的低速射流風(fēng)洞氣動輪廓，為下面進行的風(fēng)洞壓力損失計算以及電機選取提供依據(jù)。在這個階段，風(fēng)洞的總體氣動外形已經(jīng)確定，待選擇好電機型號便可進一步進行風(fēng)洞分部設(shè)計，從而完成風(fēng)洞設(shè)計任務(wù)。下一章主要進行風(fēng)洞能量損失計算，并根據(jù)計算結(jié)果選取合適的電機。3風(fēng)洞能量損失計算3.1風(fēng)洞能量損失研究的意義在風(fēng)洞的設(shè)計過程中，首先必須完成的一項工作就是各段內(nèi)壓力損失的計算。因為風(fēng)洞設(shè)計的最基本要求就是能夠模擬實際情況下的氣動力環(huán)境，而只有通過進行能量損失的計算和研究，才能設(shè)計出滿足試驗要求的風(fēng)洞來。通過對風(fēng)洞能量損失的計算，可對風(fēng)洞所能進行的有效試驗范圍有明確的認(rèn)識，并且能提高風(fēng)洞試驗的效率。同時還能利用對風(fēng)洞能量損失計算的結(jié)果來幫助進行試驗研究以及一些試驗結(jié)果的理論分析?？傊L(fēng)洞能量損失的研究可以說是風(fēng)洞研究的一項最基本、最重要的內(nèi)容，它在風(fēng)洞的設(shè)計和使用過程中起到了不可忽視的作用，這項研究在當(dāng)今風(fēng)洞研制和發(fā)展中有著重要的意義。3.2壓力損失計算原理在低速風(fēng)洞中氣流在通過各部分時始終都存在著能量損失，特別是在回流式風(fēng)洞的拐角處損失更為突出。因此需要采用一定的數(shù)值計算方法來研究風(fēng)洞中氣流壓力損失變化的規(guī)律。壓力損失中，需要的主要參數(shù)是損失系數(shù)。3.2.1損失系數(shù)按現(xiàn)代水力學(xué)計算，把氣流通過管段后單位時間的總能量損失光（功率）與該管段進口截面上的動能流率之比，定義為損失系數(shù)七，即：k°NN/k°NN/i/—pu3A/211pu3A2ii在管道流動中，能量損失可以用管段的總壓損失（總壓降）NP表示，即:NP=P-P式中，P0i為管段進口截面（1）的實際總壓值，Pa；P02為管段出口截面（2）的實際總壓值Pa。由此可以利用式（3?2）和不可壓流動的連續(xù)方程Axu=const以及能量表達形式

PPxAxu可得:KPxAxu=PxAxu—PxAu0110110211(3.3)=N-N=AN(3.3)匚1匚2匚將式（1-3）代入式（1-2）得:Kq=/u2/2四12（3.4）可見，在不可壓的流動中，損失系數(shù)可以表示為管段的總壓損失與該管段進口截面動壓之比。3.2.2管道損失的來源為了計算方便，常常在同一管段中把壓力損失分為“摩擦損失”和“局部損失”，進而認(rèn)為局部損失是集中在某一個截面上的。雖然這種局部損失實際上可以是分布在一個沿管段相當(dāng)長的長度上的（只有流體從管道中排除的情況例外）。流體的摩擦損失是由于流體運動時的粘性引起的。層流時，是分子間的動量交換的結(jié)果；紊流時，則是運動速度不同的質(zhì)點微團動量交換的結(jié)果。流體的局部損失是在正常流動遭到局部破壞時引起的。這些情況常常發(fā)生在流體進入管道，擴散，收縮，轉(zhuǎn)彎，分流的地方；在流體通過格柵（例如網(wǎng)和蜂窩器），節(jié)流裝置（例如閥門，孔板），多孔過濾器的地方；以及經(jīng)過各種障礙物（例如模型，支架，拐角導(dǎo)流片，冷卻器，消聲器）等地方。這些局部的破壞會使流體各部分間的動量交換加劇，從而增加了能量的散逸。另外，流體由管道中排出或射流的動壓損失，也是一種局部損失。3.2.3損失系數(shù)的疊加和折算根據(jù)疊加原理，把上述摩擦損失和局部損失相加，則每一段k=kf+k^（3.5）通常，預(yù)先求出整個風(fēng)洞管道中各部段相對于實驗段進口截面上的折算損失系數(shù)&無。在此基礎(chǔ)上，按疊加原理，將這些折算到同一實驗段進口截面上的損失系數(shù)k^疊加，就可以通過總損失系數(shù)Zk來計算風(fēng)洞總的能量損失。當(dāng)流動是不可壓時，o

i=1(Ai=1(AVi~A°

Ai)o七=￡七i=1i=1(3.6)由以上關(guān)于管道能量損失（功率）的敘述，如果風(fēng)洞的總損失系數(shù)為￡七，則風(fēng)洞的輸出功率可由下式表示：1"風(fēng)洞=￡ko尹咋Ao（3.7）低速風(fēng)洞的能量損失，常用能量比E來表示，能量比表示了風(fēng)R洞實驗段功能與為此風(fēng)洞所消耗的能量（功率）之比'即：ER風(fēng)洞=-pu3A=-pu3A2oo式中，七洞為風(fēng)洞維持最大風(fēng)速時所需要的能量，而動力段中電機功率的確定與風(fēng)扇效率，反扭片效率，整流罩效率有關(guān)。由此可以推出電機的輸出功率為：NN=風(fēng)洞NN=風(fēng)洞電機氣扇反扭片整流罩門風(fēng)扇門風(fēng)扇x門反扭片x門敕流罩一般取值為0.8?？梢姡芰勘仍礁?，則風(fēng)洞能量損失（功率）越低，風(fēng)洞運行也就越經(jīng)濟。由此可以又得到:ER風(fēng)洞（3.10）3.3風(fēng)洞各段壓力損失計算ER風(fēng)洞氣流在通過風(fēng)洞各段時，可視為絕熱流動。由于各段的尺寸不同而且氣流流經(jīng)各段時在速度上也有著不同，所以每一段的雷諾數(shù)都是不同的。由此每一段的摩擦系數(shù)也是不同的。雷諾數(shù)以及摩擦系數(shù)的公式可由下式表示：

Re=^e(3.11)P一1.和Z=(1.8xLgRe-1.64>式中，p為流經(jīng)管道的氣流的密度，Kg：m3；u為氣流流經(jīng)管道的速度，m/s；de為氣流進口段的水力直徑，m；p為動力粘性系數(shù)，NSim。3.3.1擴散段在沒有分離的情況下，氣流通過擴散段的損失RP主要包括摩擦損失以及擴壓損0失。其摩擦損失系數(shù)km和擴壓損失系數(shù)匕分別為：k=—平均^~

k=—平均^~

m8tan2e0.6tan—2、2(3.13)故擴散段的損失系數(shù)可由k表示:(3.14)e—平均^+0.6tan28tan—I2式中，Ai和A2分別為擴散段的進口和出口的截面積頂；人平均為摩擦損失系數(shù)；e為擴散段全擴散角度。(3.14)3.3.2動力段動力段的損失系數(shù)可由下式表示：其損失不僅包括洞壁摩擦所引起的摩擦損失，還包括風(fēng)扇整流罩的損失系數(shù)和組導(dǎo)流片或止旋片的損失系數(shù)。k=X%+(1—叩)r;(2-r2)+(0.045C+0.003)(3.15)式中，X為摩擦損失系數(shù)；L為動力段的長度，m；D為動力段直徑，m；門為整流罩尾罩的擴散效率，通常門=0.75；r為整流罩最大半徑與動力段半徑之比；C為導(dǎo)流片(止旋片)的相對厚度。人

3.3.3穩(wěn)定段穩(wěn)定段的損失包括摩擦損失，蜂窩器，以及阻尼網(wǎng)三項的損失之和。（1）摩擦損失系數(shù)為:（3.16）（2）蜂窩器的損失系數(shù)包括入口損失，摩擦損失以及出口損失，其計算表達為:■-亍?L+(-亍》（3.17）式中，F(xiàn)為蜂窩器的堵塞度；人為摩擦阻力系數(shù)；L■-亍?L+(-亍》（3.17）計算蜂窩器的透氣度：P=（1-蜂窩器網(wǎng)厚J蜂窩器網(wǎng)寬）2（3.18）（3）阻尼網(wǎng)的損失在阻尼網(wǎng)中最重要的是開孔率：~~（d￥開孔率3=阻尼網(wǎng)開孔面積/阻尼網(wǎng)總面積=1--"BJ（3.19）式中，d為網(wǎng)絲直徑，m；b為網(wǎng)孔寬度，m。氣流在經(jīng)過阻尼網(wǎng)時計算雷諾數(shù)的公式中的de變?yōu)樽枘峋W(wǎng)的網(wǎng)絲直徑，則阻尼網(wǎng)的損失系數(shù)k=6（1-P）P（-3〕Re（-3]（3.20）3.4風(fēng)洞壓力損失計算步驟假設(shè)氣流在經(jīng)過風(fēng)洞時溫度為15C,實驗段進口面積1m2,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

P=1.01325x105Pa。03.4.1氣流密度和動力粘性系數(shù)先計算出氣流在風(fēng)洞內(nèi)的氣流密度以及動力粘性系數(shù)：氣流溫度t=15°C，風(fēng)洞所在的海平面高度h=0m，地球平均半徑R廣6.356766x106m,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力P0=1.01325x105Pa,氣流當(dāng)量擴散半角a=1.63。所以Hg=jLh1+hRdP=px[1—0.225577x10-4xHg]5.25588Pp=一RT31.458x10-6xT2R=T+110.4其中T為開爾文溫度，T=273.15+t。0-Q=00-Q=0m;Hg=—1+

6.356766x106P=1.01325x105[1-0.225577x10-4x0]5.25588=1.01325x105Pa1.01325x105p=/=1.225Kg；m3287.0529x(273.15+15)1.458x10-6x(273.15+15片.r=—t=1.789x10-5NS.m2(273.15+15)+110.43.4.2動力段動力段的進口，出口面積分別為A1=1.1309m2,氣=1.1309m2,r=0.6整流罩尾罩?jǐn)U散效率門=0.75，導(dǎo)流片相對厚度C=0.1動力段的平均當(dāng)量直徑以及平均速度分別為：d=dei+d2=1.2me2V=H=20m/s2該段氣流的雷諾數(shù)Re=性=幡踽4054.7=1.07x107日1.789x10-5摩擦阻力系數(shù)"=(1.8xLgRe-1.64》=°^3洞壁摩擦損失系數(shù)k10=人D=0..16789風(fēng)扇整流罩的損失系數(shù)、=(1-門)[2(2-r2)=0.1476組導(dǎo)流片或止旋片的損失系數(shù)k22=J045。+0.003)=0.0075動力段的壓力損失系數(shù)k=k+k+k1101112_r4￥當(dāng)量壓力損失系數(shù)k=Yk—=0.12853580動，=1s141J3.4.3擴散段該段的進口面積1=1.1309m2；出口面積42=4.84m2。由計算當(dāng)量直徑公式可得出進，出口的當(dāng)量直徑：d1=2]A=2.4824md=2：^2=1.2me2兀平均當(dāng)量直徑d=dei+de2=1.8412me2由于氣流是不可壓流，所以可由流體質(zhì)量守恒公式VA=C得進口氣流速度匕以及出口氣流速度匕=48^12=17.685029m/s2.86T748x12==4.1322m/s216.62平均氣流速度=Vi^=10.9086m/s2該段氣流的雷諾數(shù)Re=叫=1.225x13劉5xL8412=13.7529X105

目1.789x10-5氣流摩擦阻力系數(shù)人1v=0.01X30-3(1.8xLgRe-1.64J2當(dāng)量擴散半角的正切值tga=0.0524擴散段的壓力損失系數(shù)土+0.6睥土+0.6睥8tga=0.0552078當(dāng)量壓力損失系數(shù)k=k（生）=0.03202A3.4.4穩(wěn)定段該段的進出口面積相同為A=A=4.84m2。由公式（3.14）及（3.15）可得該段的平均當(dāng)量直徑和平均速度，分別為:d=dei+de2=2.4824me2V=K^=4.1322m/s2（1）：該段氣流的雷諾數(shù)pud1.225x42322x2.4824=7.02〉105曰e=1.789->789-X10-5.摩擦阻力系數(shù)人=t-=8012I67~3（1.8xLgRe-1.64》小穩(wěn)定段的摩擦損失系數(shù):k=k=XL=0.005104摩擦D（2）:阻尼網(wǎng)：它的規(guī)格為24目/英寸,網(wǎng)絲直徑d=0.0003m網(wǎng)孔直徑B==0.0014m阻尼網(wǎng)的開孔率p=(1-d)2=0.5625B氣流在流經(jīng)阻尼網(wǎng)時雷諾數(shù)Re=業(yè)=L225x4.13223x。.°°°3*88X105日1.789x105所以阻尼網(wǎng)的壓力損失系數(shù):k=6(1-P)P"3〔Re"3〔=2.018阻尼網(wǎng)網(wǎng)(4)：蜂窩器在該部分有三種損失：入口損失k;摩擦損失七；出口損失kt，蜂窩器格厚度i=0.0003m,蜂窩器格寬d=0.04m蜂窩器長度L=0.4m,蜂窩器孔格水力直徑D=0.04m入口損失系數(shù)km=1—F—l、2(其中f為蜂窩器的堵塞度，其計算公式=1—-=0.985)Id)摩擦損失系數(shù)kf=人D=0.088出口損失蜂窩器的壓力損失系數(shù)k=k+k+k=0.1031蜂窩器mfout故穩(wěn)定段的壓力損失系數(shù)k3=2.0864當(dāng)量壓力損失系數(shù)

k=k(Ao)2=0.1300穩(wěn)定3A

13.4.5收縮段該段的進口面積Ai=4.84及平均速度分別為：1m23.4.5收縮段該段的進口面積Ai=4.84及平均速度分別為：1m2，出口面積A2=1m2，得收縮段的平均當(dāng)量直徑以d=dei+de2=1.664335me2V=匕工=12.06612m/s2該段氣流的雷諾數(shù)Re=性=1.偵菊*勰35x12.06612=24.600531.789x10789x10-5摩擦阻力系數(shù)"=(1.8xLgRe-1.64?=°g當(dāng)量壓力損失系數(shù)、2(A、2(AkA173.4.6進出口壓力損失系數(shù)k=k。收147x10-4k0收縮=k4(作)2=4.7452710-41因進出口均為開口設(shè)計，所以進出口壓力損失合計為1，即全部損失。3.4.7總的壓力損失系數(shù)綜上所述，本文所研究的低速射流式風(fēng)洞的沿程當(dāng)量壓力損失系數(shù)，按疊加原理,可由下式表示：k=￡kk=￡k=￡ki=1i=12=1.3379605風(fēng)洞總的能量比ER=—^=0.7474oi

i=13.5電機選取根據(jù)總壓損失，可計算應(yīng)當(dāng)選取的電機功率：pv3A

p==En8741?3655w根據(jù)計算結(jié)果，取大于計算值最小功率電機，查閱資料可知應(yīng)取11KW，四級電動機，可取上海日卅變頻制造銷售中心供應(yīng)的Y160M-4三相異步電動機，具體電機型號為：電機名稱Y系列三相異步電動機類別代號Y型號規(guī)格Y160M-4防護等級IP23安裝形式B3極數(shù)4額定功率（kw）11轉(zhuǎn)速（r/min）1500電壓（V）380額定電流（A）22.5效率（%）87.5功率因數(shù)（cos。）0.85堵轉(zhuǎn)電流額定電流7堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩1.9最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩0轉(zhuǎn)動慣量（kg*mA2）噪聲（dB（A））76機座號160M最大長度(mm)540最大寬度噪聲（dB（A））76機座號160M最大長度(mm)540最大寬度(mm)480最大高度(mm)4051700價格（元）1700將電機尺寸帶入輪廓圖動力段中，尺寸合適。所以該電機符合設(shè)計要求。3.6小結(jié)本章對風(fēng)洞的各個部分進行具體、明確的分析與計算。得出了風(fēng)洞各部分的壓力損失，選定了Y系列三相異步電動機作為實驗的動力設(shè)備，并算出了相應(yīng)的損失，確保風(fēng)洞可以順利的進行實驗。值得注意的是，在計算各部分截面時，一定要用當(dāng)量直徑進行計算。下章會對整個風(fēng)洞的重要部件進行設(shè)計與分析。4風(fēng)洞重要部件設(shè)計與分析該風(fēng)洞共有4個部分，本章主要內(nèi)容即在上章設(shè)計的輪廓尺寸基礎(chǔ)上，對風(fēng)洞進行分部設(shè)計，逐個設(shè)計出風(fēng)洞部件，并繪制裝配圖，從而使設(shè)計風(fēng)洞滿足要求并能夠投入實際安裝與使用。4.1動力段設(shè)計動力段基本上由殼體、風(fēng)扇系統(tǒng)和殼體支座等三個部分組成。殼體通常是一個等截面的圓形通道。風(fēng)扇系統(tǒng)包括風(fēng)扇、整流罩、預(yù)旋片、電機及其支架等。風(fēng)扇有輪盤和若干片槳葉組成。整流罩包括頭罩、尾罩及其兩部分之間的過渡部分。預(yù)旋片和止旋片分別安裝在整流罩的頭罩和尾罩處。整流罩內(nèi)安裝電機及其傳動部分。在該段，風(fēng)扇通過旋轉(zhuǎn)使氣流壓力能增加。通過電機和風(fēng)扇系統(tǒng)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能輸送給管路內(nèi)的氣流，以補償管路內(nèi)氣流的沿程損失和局部損失，達到氣流穩(wěn)定流動的目的。改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)氣流的速度，動力段的整流裝置包括整流罩，風(fēng)扇前導(dǎo)流葉片和風(fēng)扇后導(dǎo)流片等。具體安裝時，以圖紙為準(zhǔn)。4.1.1整流罩設(shè)計整流罩設(shè)計目的是為了減少損失。因為風(fēng)機輪轂的存在，使得氣流在風(fēng)機的葉輪出口流場紊亂，安裝整流罩是為了使氣流從葉輪平穩(wěn)地過渡到管道。由于葉輪面積小于氣流管道面積，當(dāng)氣流通過葉輪進入管道時相當(dāng)于氣流從小管道進入大管道，因而引起一定的局部阻力損失；同時由于葉輪后端氣流流場的不穩(wěn)定性和氣流速度場的不一致性，也會引起阻力損失和動壓損失。因此，為了改善流場和減少阻力損失，在動力段安裝一定長度的整流罩，氣流流經(jīng)整流罩后就會逐步分布均勻。在常規(guī)風(fēng)洞中，動力段內(nèi)必有整流罩。風(fēng)扇整流罩的直徑通常取動力段直徑的0.3到0.7倍。該直徑的大小，在一定程

度上可以用來控制動力段的風(fēng)速，從而控制風(fēng)扇葉片的前進比而使風(fēng)扇處于最佳前進比下運行。整流罩的外形一般都是采用流線型旋轉(zhuǎn)體，其長細比最好大于或等于4,這樣可使整流罩的阻力較小，出口的氣流也相對比較均勻。在設(shè)計整流罩時，通常要在設(shè)置風(fēng)扇的位置保留一段等直徑段，該段的長度大約為整流罩最大直徑的30%到40%。整流罩的下游的當(dāng)量圓錐形擴散角，應(yīng)設(shè)計為7°或更小些。因為整個整流罩后段會產(chǎn)生過度的逆壓梯度，這將導(dǎo)致氣流分離，并且將導(dǎo)致實驗段中可能出現(xiàn)持續(xù)性尾跡。因此，要避免把為于整流罩后部范圍的動力段設(shè)計成擴散的，至少這部分洞體應(yīng)設(shè)計成平直的。對于一個較短的整流罩，其有效通道截面擴散角應(yīng)小于或等于10°。如果氣流在經(jīng)整流罩后產(chǎn)生明顯分離，則必須安裝渦輪發(fā)生器或延長整流罩的后體，以便抑制氣流分離。整流罩氣動外形，許多風(fēng)洞都按下式計算：TOC\o"1-5"\h\z<X、2，尸、2y_...—-0.4+0.16-=0.16（0<—<0.4）前段（平直段前）"LJIR）X(—、2--0.4"LJ(r、2+0.0679-"RJ（4.1）+0.2921-=0.36(0.4<-<1.0)后段(平直段后)RL(—、2--0.4"LJ(r、2+0.0679-"RJ因總體設(shè)計時，動力段直徑暫定為1.2m，綜合發(fā)動機型號，運用如上公式，便可設(shè)計出符合要求的整流罩尺寸。整流罩最大直徑為640mm，前端長450mm，后段長1470mm。平直段長度根據(jù)風(fēng)扇尺寸選取。為保證強度以及剛度要求，整流罩后段設(shè)置加強圈。整流罩采用10mm鋼板。具體設(shè)計尺寸參照04-01以及04-01圖紙。4.1.2動力段殼體動力段殼體設(shè)計包括：殼體材料的選擇、殼體支撐形式、殼體與前后部段的鏈接、

整流罩的支撐、預(yù)旋片的安裝、殼體與風(fēng)扇槳葉葉尖間隙的調(diào)整、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和電機的裝卸等。由于動力段本身的特點，低速風(fēng)洞的動力段采用鋼結(jié)構(gòu)。動力段是低速風(fēng)洞的主要震動與噪聲源，所以，除了考慮動力段與風(fēng)洞其他部段采用撓性連接等因素外，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度還應(yīng)該提高動力段殼體的剛度，使殼體的固有頻率超過風(fēng)扇的激振頻率。為此，動力段殼體應(yīng)布置若干加強圈和縱向肋板。殼體與加強圈及肋板的材料應(yīng)妥善選擇。對于在大氣壓力下運行的風(fēng)洞，動力段殼體壁厚選取的原則是確保殼體有足夠的剛度，而對于增壓低速風(fēng)洞而言，殼體壁厚應(yīng)按鋼制壓力容器規(guī)范進行設(shè)計，考慮到動態(tài)問題，計算中應(yīng)取較大的安全系數(shù)。圖4.1動力段殼體草圖設(shè)計中，應(yīng)充分考慮整流罩、風(fēng)扇系統(tǒng)的安裝和更換。通常情況下，動力段的上層空間比較大，便于動力段得起吊和安裝，因此可將殼體分為上下兩個部分，中圖4.1動力段殼體草圖殼體尺寸以圖紙為準(zhǔn)，參考圖紙04-00。4.1.3動力段其他尺寸設(shè)計與分析1、動力段長度根據(jù)前面的設(shè)計，整流罩的總長約為2100mm，所以考慮到實驗場地大小，動力段取2m。2、電機安裝電機安裝時需設(shè)計底座，電機底座根據(jù)電機型號設(shè)計，將電機支座與整流罩構(gòu)成一個整體。底座設(shè)計加設(shè)減震設(shè)施。3其他前后導(dǎo)流片主要起到支撐作用，因風(fēng)扇葉片數(shù)為8,故導(dǎo)流片葉片數(shù)取基數(shù)，這里取5。為滿足強度和剛度要求，設(shè)置加強圈。4.2擴散段擴散段的主要的主要作用是將氣流的動能恢復(fù)為壓力能，從而減少氣流在擴散段下游隔斷的能量損失。4.2.1擴散段長度動力段出口截面直徑為1.2m,穩(wěn)定段進口截面為2.2X2.2m，根據(jù)預(yù)設(shè)的單邊擴散角5°,可計算出擴散段長度約為10m。顯然擴散段尺寸超出設(shè)計預(yù)想范圍，不符合試驗室場地要求。在保證氣流不發(fā)生分離的情況下，適當(dāng)加大擴散角。經(jīng)過計算，擴散角取8°,擴散段長度取4?2m。4.2.2擴散段面積比擴散段的面積比圈定了擴散的壓力恢復(fù)和壓力梯度。國外的研究和經(jīng)驗表明，在擴散斷的擴散角小于15°時，擴散段面積比過大同樣可能發(fā)生分離。我們有一個實驗表明，在擴散段的擴散角為6°時，當(dāng)擴散段面積比大于5時，氣流巳經(jīng)明顯開始分離。因此，當(dāng)代新建的低速風(fēng)洞，在設(shè)計高性能擴散段時，不僅僅對其擴散角提出了更嚴(yán)格的限制，而且認(rèn)為擴散段面積比應(yīng)限制在4左右。由于在設(shè)計之初，考慮收縮比，進而決定了擴散段出口面積。經(jīng)實驗檢驗，該擴散段面積比取值符合要求。4.2.3擴散段其他尺寸設(shè)計與分析擴散段采用“圓變方”形式管道，其進口圓口與動力段相連，出口方口與穩(wěn)定段相連。連接處采用周向分布16顆M10螺栓螺母的方式連接。連接板參照圖紙00-01。為滿足強度與剛度要求，在擴散段設(shè)置加強圈。4.3穩(wěn)定段由于收縮段設(shè)計的前提是來流均勻，否則，設(shè)計得再好的收縮段其出口氣流也將

是不均勻的。當(dāng)氣流通過風(fēng)洞的進氣裝置及風(fēng)扇系統(tǒng)后，不僅速度和方向都是不均勻的，其氣流的湍流度也是比較高的，甚至氣流中還可能存在大尺度漩渦。因此，氣流在進入收縮段以前，必須經(jīng)過一個有蜂窩器、阻尼網(wǎng)和靜流段等裝置的穩(wěn)定段，使氣流變得均勻，湍流度大大降低，以保證收縮段入口及實驗段的氣流品質(zhì)。上圖為穩(wěn)定段A與穩(wěn)定段B外形簡圖:4.3.1阻尼網(wǎng)設(shè)計1、阻尼網(wǎng)是固定在穩(wěn)定段內(nèi)、很細的不銹鋼絲或銅絲篩網(wǎng)。作用與蜂窩器類似，沒有導(dǎo)直氣流的作用。2、根據(jù)客戶湍流度要求，在進行氣動設(shè)計中已經(jīng)確定了阻尼網(wǎng)的層數(shù)。兩層阻尼網(wǎng)的距離應(yīng)大于30倍網(wǎng)孔直徑，以便把上有一層網(wǎng)產(chǎn)生的湍流度充分衰減后再進入下一層。3、這里，取間距為300mm。采用分段穩(wěn)定段夾緊方式安裝，方便阻尼網(wǎng)替換。具體安裝參考圖紙01-00、01-02、01-03。兩層阻尼網(wǎng)分別置于穩(wěn)定段A后于B后。

穩(wěn)定段A前端置蜂窩器。4.3.2穩(wěn)定段其他尺寸設(shè)計與分析1、阻尼網(wǎng)后設(shè)置靜流段是必要的，以便氣流充分均勻和穩(wěn)定，使氣流的湍流度進一步充分衰減。在穩(wěn)定段中，靜流段的長度通常設(shè)計為穩(wěn)定段直徑的0?5倍。這里，靜流段取2.2mX2.2m截面積，長度取0.3m,置于穩(wěn)定段B后。2、穩(wěn)定段分為穩(wěn)定段A、穩(wěn)定段B。直徑相同，與收縮段進口截面相同，為2.2mX2.2m方口。穩(wěn)定段A與穩(wěn)定段B之間,穩(wěn)定段B與靜流段之間采用螺栓螺母連接。4.4收縮段收縮段的作用是均勻加速氣流，使其達到實驗段需要的流速。在設(shè)計收縮段時，主要應(yīng)考慮一下幾點：1、氣流在沿收縮段加速時，洞壁上不出現(xiàn)分離。2、收縮段出口截面的氣流均勻、平行和穩(wěn)定。3、收縮段不宜過長。許多風(fēng)洞的實際運行表明，只要收縮段壁面收縮不太劇烈，氣流在收縮段內(nèi)加速過程中是不易產(chǎn)生分離的。因此收縮段的性能主要取決于收縮比和收縮曲線。氣流在通過收縮后，其速度大幅度增加，湍流度則明顯下降。理論表明，在低速不可壓縮流中，收縮后氣流的湍流度$與2收縮前的湍流度$1之比$2/$盧收縮比的平方成反比。但實際上，實測到的湍流度的降低，遠不如上述理論所預(yù)示的值，而是與按收縮比縮減的關(guān)系非常一圖4.3收縮段簡圖致。圖4.3收縮段簡圖4.4.1收縮段長度收縮段的長度通常不宜過長，這主要是從設(shè)備的造價來考慮的；收縮段的長度也不能過短，以免氣流出現(xiàn)不均勻甚至發(fā)生分離。在保證收縮段性能的前提下，統(tǒng)計國內(nèi)外風(fēng)洞收縮段得長度，通常多為L=XD(0.5<X<2.0)，D為收縮段入口直徑。由于客戶要求，出口截面為1mX1m方型出口?？紤]到場地因素，長度取1?8m。4.4.2收縮曲線水力學(xué)的研究表明，只有當(dāng)收縮段的收縮角大于10°，收縮比小于5的情況下其流動經(jīng)曲線收縮后才不會出現(xiàn)明顯的分離。所以，風(fēng)洞收縮段的收縮型面，均設(shè)計為平滑過渡的曲線型面。收縮段的型面在設(shè)計時，有兩個問題是應(yīng)該注意的：1、在收縮段入口和出口處存在逆壓梯度。如果任一處的逆壓梯度已變得足夠使邊界層產(chǎn)生分離，那么就會影響實驗段的氣流品質(zhì)，并會導(dǎo)致增加風(fēng)洞的運轉(zhuǎn)功率。這主要是收縮曲線的設(shè)計問題。2、矩形收縮段在直角處。由于其上下壁表面流線與側(cè)壁的相交，這將導(dǎo)致在直角處產(chǎn)生較弱的二次流動，并且可能由此產(chǎn)生分離。為此，可以把矩形收縮段及與之對接的上游穩(wěn)定段和下游實驗段以及擴散段各截面的四個直角均用45°的切角來改善。經(jīng)驗證明，收縮段型面出口的曲率半徑應(yīng)該比入口的小。我國在20世紀(jì)60年代設(shè)計的低速風(fēng)洞，有許多是采用雙三曲線設(shè)計收縮段的收縮曲線的。風(fēng)洞運行表明，這種收縮曲線可以獲得良好的實驗段氣流品質(zhì)。雙三曲線可用下式表示：—_^2=1-—(X/L)3(x/L)<XD1-D2X2m(4.2)—~^2=1-(x/L)1(x/L)<xD]-D2(1-X)2m式中，xm為兩曲線前后連接點；D2為收縮段出口截面半徑，m；D]為收縮段進口截面半徑，m；d為軸向距離x處的截面直徑，m。根據(jù)公式計算，取點連線，可得收縮段曲線，繪制圖紙，作為安裝依據(jù)，參見圖紙02-00。4.5各段支架設(shè)計根據(jù)實驗要求，實驗臺高度約為1m，收縮段邊長為1m。所以，風(fēng)洞中軸線高度設(shè)為1.5m。由此，設(shè)計風(fēng)洞支架。支架支撐設(shè)計時，應(yīng)將風(fēng)洞重量均勻分布于每個支撐腿，并要保證其一定的穩(wěn)定性。安裝時圖紙僅為參考，應(yīng)具體根據(jù)場地做出相應(yīng)調(diào)整，保證支撐質(zhì)量。4.5.1動力段支架設(shè)計在動力段設(shè)置支架，支架與動力段殼體端的承重足相接。在動力段殼體設(shè)計承重足時，應(yīng)盡量避開部件，選擇強度較大點，并保證平衡性。為此，選擇4點支撐，四點位置選取隨意性較大，只需在滿足承重要求的基礎(chǔ)上，盡量保證洞體美觀。在承重足與支架交界處，墊加加連接板，采用四角分布4顆螺栓螺母固定。螺孔位置參照圖紙00-01，材料采用,100X100X6方鋼。支架高0?8m。具體制作安裝以圖紙為參考，具體安裝環(huán)境為準(zhǔn)，圖紙參照04-05。4.5.2擴散段支架設(shè)計擴散段由于長度較長，設(shè)計時應(yīng)注意。長度過長導(dǎo)致四根立柱距離較遠，不能似

動力段支撐那樣設(shè)斜梁以增加強度和穩(wěn)定性。但擴散段內(nèi)部件復(fù)雜度遠小于動力段，質(zhì)量相對不大，對支撐要求不高。所以不設(shè)斜梁亦能滿足要求。所以，該支撐設(shè)計成如下圖所示：在承重足與支架交界處，墊加加連接板。采用四角分布4顆螺栓螺母固定。螺孔位置參照圖紙00-01,材料采用,100X100X6方鋼。支架高0?8m。具體制作安裝以圖紙為參考，具體安裝環(huán)境為準(zhǔn)，圖紙參照03-01.4.5.3穩(wěn)定段支座設(shè)計如上圖，穩(wěn)定段支座由兩片穩(wěn)定段板，中間支撐以五號槽鋼構(gòu)成。為平衡性與穩(wěn)

定性達標(biāo)，于穩(wěn)定段A與靜流段分別設(shè)置支座。支座應(yīng)安置在兩端底面的幾何中心處，以保證發(fā)揮最大支撐效果。固定方式采用四角與槽鋼中心螺栓固定，具體為置參照圖紙01-05.與底面接觸端如未滿足條件可適當(dāng)加強連接強度。4.6進氣頭段進氣頭段的作用主要為聚攏氣體，使氣體平滑進入動力段，其出口截面與動力段進口截面相同，通常采用平滑過渡曲線，這里的進氣頭段采用1/4圓弧，半徑取0.3mm。右圖為本次設(shè)計風(fēng)洞的進氣頭部。圖4.7進氣頭段簡圖其連接方式采用軸向分布螺栓螺母的方式，緊密連接與風(fēng)扇動力段進口。采用圖4.7進氣頭段簡圖安裝時以裝配圖紙為準(zhǔn)，參照圖紙00-05，以及總裝配圖。4.7導(dǎo)流錐導(dǎo)流錐是安裝在正對射流方向墻壁上的一種制造簡單、安裝方便、用材省、成本低、效益高的導(dǎo)流裝置。它可以使收縮段射出的高速氣體，通過實驗臺后，分流至側(cè)向，避免氣流對墻壁沖擊過于直接，反射回流場，破壞實驗流場，另外也可以降低實驗背壓。制作安裝是參照圖紙00-06。導(dǎo)流錐安裝時應(yīng)注意安裝位置，其下端支架高度隨風(fēng)洞支架調(diào)整而調(diào)整。圖4.8導(dǎo)流錐4.8小結(jié)本章對風(fēng)洞各部件進行了具體的分析設(shè)計。根據(jù)分析設(shè)計結(jié)果，該風(fēng)洞已經(jīng)具備了投入生產(chǎn)使用的基本要求。上面展現(xiàn)的，便是該次畢業(yè)設(shè)計的主要部分。由此，風(fēng)洞尺寸設(shè)計已基本完成，另需進行風(fēng)洞控制系統(tǒng)的設(shè)計，由于課題要求中并未做要求，所以只做簡單介紹。5數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)要求風(fēng)洞風(fēng)速實時閉環(huán)控制，要求在穩(wěn)定的風(fēng)速下自動完成實驗數(shù)據(jù)采集，最后，給出空氣動力系數(shù)及相應(yīng)的曲線。5.1數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)概述5.1.1風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成系統(tǒng)是以研華工控機為核心,加上其他輔助設(shè)備組成。圖5.1是風(fēng)洞的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。整個系統(tǒng)控制指令的發(fā)出、試驗數(shù)據(jù)的采集與處理均由計算機完成。系統(tǒng)分為兩大模塊，控制模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊。一、控制模塊圖5.1數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖控制模塊主要是風(fēng)洞的風(fēng)速控制系統(tǒng)。風(fēng)速控制系統(tǒng)是設(shè)計的主要內(nèi)容，它是風(fēng)洞的數(shù)據(jù)采集和處理的前提條件，它的調(diào)節(jié)精度關(guān)系到整個數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度。它由微壓差傳感器、信號調(diào)理器、變頻器、75KW交流電動機、采集卡及工控機等硬件組成。二、數(shù)據(jù)采集處理模塊風(fēng)洞實驗要求測試大量的參數(shù)，如壓力、力、力矩、角度、流量、位移等。這些物理量通過各種傳感器輸出成電壓、電流、頻率等模擬信號。把模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字

信號，并送計算機存儲，這一過程稱為數(shù)據(jù)采集。把采集到的數(shù)據(jù)進行整理、分析、計算、濾波、壓縮、擴展和評估，并以各種形式表達出來，這一過程，稱為數(shù)據(jù)處理。風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)根據(jù)測控對象和所要求的精度不同，可以采用不同的系統(tǒng)。根據(jù)本風(fēng)洞的技術(shù)要求，我們采用了20世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的工業(yè)控制計算機加數(shù)據(jù)采集卡及前端的信號放大器組成的數(shù)采系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可靠性高、價格便宜?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各型風(fēng)洞中。5.1.2控制系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)主要硬件一、變頻器變頻器是控制交流電機改變轉(zhuǎn)速的一種常用設(shè)備。在風(fēng)洞風(fēng)速控制中它的任務(wù)是改變交流電機的輸入頻率，以達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。使用變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，控制方式很多，這里采用的是模擬量電壓控制方式?？刂谱冾l器需要兩個信號，一是開關(guān)信號，控制變頻器的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)計算機系統(tǒng)輸出高電平，接到變頻器正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)觸點上，使變頻器處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這里是靠變頻器前面板啟動按鈕實現(xiàn)的；二是模擬量輸入信號，控制電壓范圍0?10V或0?5V，這里設(shè)置的是0?10V，可以根據(jù)需要自行改變設(shè)置。將計算機模擬量輸出端口正確連接后，當(dāng)計算機控制輸出模擬量時，變頻器開始工作，根據(jù)模擬量輸出電流頻率改變電機轉(zhuǎn)速。二、壓差傳感器5R3A圖5.3傳感器橋壓示意圖信號-RiDR4C信號+R25R3A圖5.3傳感器橋壓示意圖信號-RiDR4C信號+R2橋5VB壓當(dāng)橋壓電阻值改變時，輸出信號改變。傳感器外形及引腳定義參右圖。給定橋壓為10V，由調(diào)理器供壓，輸出0?20毫伏，量程0?2450帕，總精度為0.1%?？看藟翰顐鞲衅鞑杉L(fēng)速信號，達到對風(fēng)速的閉環(huán)控制。三、信號調(diào)理器在風(fēng)洞控制系統(tǒng)中，壓差傳感器信號是毫伏級微量，不能直接用來顯示、記錄、控制，在傳輸中容易被干擾和衰減。因此必須進行必要的信號放大、處理，同時對電磁干擾的電磁噪聲、內(nèi)在噪聲進行濾波，風(fēng)洞實驗一般用低通濾波（1?10Hz）。四、應(yīng)變測試精密穩(wěn)壓電源在風(fēng)速控制中，傳感器電橋橋壓的精度直接影響試驗結(jié)果精度，因此給試驗室配備了精密穩(wěn)壓電源。電