小型风洞设计制作及稳定段研究
摘要风洞是从事飞行器研制和空气动力学研究的最基本的实验设备。

迄今为止绝大部分空气动力学实验都是在风洞中完成的。

风洞的发展是同航空航天技术紧密相关的，风洞是研制新型飞行器的重要物质基础。

稳定段及其内部的整流装置是风洞不可或缺的组成部分。

整流装置包括纱网和蜂窝网等，其设计目的是使气流均匀或降低紊流度。

关键词小型风洞；纱网；均匀性；稳定段；能量损失
在本次研究中，设计并动手制作可用于实际操作的小型风洞，着重对其稳定段进行研究，从而设计出适合于一类小型风洞的稳定段。

一方面，在理论计算与实验中记录有意义的数据，为以后进一步的研究提供依据。

另一方面，此次研究所制作出的小型风洞，可以用于实际的风洞实验，如小型风力发电机的测试等。

在研究的前期进行小型风洞的设计，绘制小型风洞的设计图纸。

在研究的第二阶段，根据设计动手制作小型风洞。

在制作过程中，不断根据实际情况，对图纸细节进行调整和改进。

在研究的第三阶段，对已制作完成的小型风洞稳定段中的纱网进行控制变量的研究与分析。

对于低速小型风洞，进口风速为10m/s～18m/s时，在综合气流均匀性、稳定性和气流能量3个指标之后发现，网丝直径d与网眼尺度l的比值为0.37，每层纱网间距为2cm的三层纱网组合为最优纱网组合。

1 研究方法及过程
1.1 小型风洞的设计
1.1.1 风洞整体的布置
小型风洞是由风扇、风洞本体和测量仪器系统三部分组成。

如图1所示为风洞的整体布置图。

①为风扇。

②为风洞本体。

③为传感器组
1.1.2 风扇的设计
根据研究需要，风扇选用具有调速功能的低速风扇，其风速范围为：10m/s ～20m/s。

出风口为正方形，内径为11.6cm，外径为12cm。

在风洞的出口和进口，分别放置两个相同型号的风扇，进口的风扇向风洞内鼓风，出口的风扇从风洞内吸风，并始终调节两风扇的鼓风风速相同。

这样的设计可以在一定程度内令风洞内的气体密度保持恒定。

1.1.3 风洞本体的设计
风洞本身共分为三段，内有两个为消除涡流而装置的蜂窝器和两套为平稳气流而装置的纱网。

风洞洞体材料选为有机玻璃，既保证强度，又便于观察。

1）实验段
由于所设计风洞属于低速风洞范畴，因而不同实验段截面形状的洞壁干扰情况大致相似。

而方形截面相对于其他形状截面有易于安装门窗、有利于观察实验等优点。

根据研究需要，本次设计确定洞体横截面为正方形，内径15cm。

根据经验公式，风洞的试验段长度L=2.0～2.5D＼* MERGEFORMAT，其中D为实验段直径。

因此，本次设计的实验段长度为L=40cm。

2）收缩段
此设计中，一方面为尽量避免气流在洞壁上产生分离，另一方面为减少能量损失，收缩段的长度采用进口直径的0.5倍～1.0倍＼* MERGEFORMAT。

因此，取收缩段长度为10cm。

3）稳定段
（1）蜂窝器
蜂窝器的位置如图1所示。

两边的蜂窝器分别用于减少两端风扇产生的涡流。

根据研究需要，蜂窝器的孔径控制在0.6cm～1.2cm范围内，由经验公式，确定蜂窝器的长度为3cm。

（2）纱网
纱网位置如图1所示，位于蜂窝器与实验段之间。

用于进一步减少两端风扇产生的涡流。

1.1.4 传感器的设计
稳定段后端15cm处设置传感器即风速仪，用于测取实验段气流流速值。

1.2 小型风洞的制作
1.2.1 材料
有机玻璃板（厚度4mm、大小90cm×120cm）、角铁、螺丝、螺母、合页、密封条、磁条、有机玻璃胶、模型PVC管、不同布料的纱网、传感器、风扇。

1.2.2 具体制作过程
1）风洞的组装
根据以上的设计原理，如图2所示，用激光切割机将有机玻璃板切割成19块。

将8块梯形有机玻璃片的边缘分别打孔，通过螺丝和角铁固定成如图3所示的形状，组成装配体1、装配体2。

其中，每四块梯形的拼接采用弦图的拼接方法，这样每两块梯形的接触面积相对较大，从而增强了风洞的稳定性。

将9、10、11号的矩形、1、2、3、4、5、6、7号矩形的边缘分别打孔，并通过螺丝和角铁固定。

其中，十块矩形的拼接亦采用弦图的拼接方法。

再将8号矩形边缘打孔，通过合页，与7号矩形的一边相连。

在7号矩形的另一边边缘处安装上小型门把手，以便于开关侧开门。

在7号矩形安装有门把手的一边用有机玻璃胶粘上磁条1，在1号矩形的无孔边粘上与磁条1相吸的磁条2。

侧开门的设计，是为便于实验人员对风洞中的模型进行装卸，而侧开门的门边粘有磁条，则是保证了门在关闭时不至被风洞内部的气流所扰动。

装配体3的组装完成，如图4所示。

然后用有机玻璃胶，将装配体1、装配体2分别与装配体3相连，构成风洞主体，如图5所示。

再用有机玻璃胶和密封条，将所有有机玻璃块之间相邻的部分密封起来，防止漏风。

2）纱网、蜂窝器的制作与安装
选择五种疏密程度不同的网作为制作纱网的原始材料。

将每一种网裁剪成15.5cm*15.5cm的正方形网布。

依据实物实验的需要，将纱网用有机玻璃胶粘贴于风洞中指定的位置。

选取孔径为0.6cm的模型管作为制作蜂窝器的原始材料。

根据上述设计原理，确定蜂窝器的长度为3cm。

由于风洞主体的内径为15cm，所以需要段长度为3cm的模型管。

将模型管切割成1250段，并用胶将其固定在一起，组成蜂窝器，如图6所示。

如图5所示，再将蜂窝器用胶粘贴于风洞中指定的位置。

1.2.3 传感器的放置
稳定段后端15cm处设置有一个叶轮式风速仪，其距离底面的高度依次为3cm、7.5cm、12cm，其距离侧边的距离依次为3cm、7.5cm、12cm，用于测取截面不同位置处的风速值。

风速仪的型号为Tecman TM826，可测风速0.3m/s～45m/s，解析度为0.1m/s，误差为+/- 3%，叶轮直径为4cm。

鉴于测风速时所用
的叶轮式风速仪会对气场产生负面影响，本研究在相同条件下，依次测取各位点的风速值，使各位点的风速值测量互不影响，以减少风速仪本身引起的气流扰动对测点风速值的负面影响。