[科普中國]-模型風(fēng)洞

模型風(fēng)洞組成結(jié)構(gòu)

風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ褪窃陲w機(jī)型號研制過程中，根據(jù)相似理論設(shè)計生產(chǎn)的物理實驗?zāi)Ｐ?。其用途是測量飛行器各個部件的氣動力特性。根據(jù)模型種類和用途的不同，一般把全機(jī)測力和測壓模型稱為常規(guī)實驗?zāi)Ｐ?，其余的種類稱為特種實驗?zāi)Ｐ?。風(fēng)洞模型按實驗方法可分為全機(jī)測力、壓力分布、半模型、進(jìn)氣道、通氣模型、噴流模型、二元翼型、鉸鏈力矩、投放模型、顫振、靜彈等20余種。1

模型作為一種特殊的航空產(chǎn)品，在研制過程中，與通用航空產(chǎn)品相比有其特殊性，其幾何外形必須與真實飛機(jī)完全相似，一般按飛機(jī)的理論外型進(jìn)行縮比。模型設(shè)計必須滿足風(fēng)洞安裝要求，并進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核計算。模型的加工、裝配精度要求較高。模型是一種高精密度的機(jī)械產(chǎn)品，無論是零部件，還是整機(jī)組合件，在研制生產(chǎn)過程中，都要求必須精準(zhǔn)。一套典型的模型結(jié)構(gòu)大致分為以下幾部分：

（1）機(jī)身部分：是模型的承力部件，機(jī)身內(nèi)有主要的受力構(gòu)件，由于機(jī)身較為細(xì)長，要采用分段結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要一般由2~4段組成。

（2）翼面部分:是模型的承力部件，包括機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、彈翼等。

（3）活動操縱面部分:包括機(jī)翼前后緣襟翼、副翼、升降舵、方向舵、角度片、鉸鏈機(jī)構(gòu)等。

（4）動力及通氣管路:包括唇口裝置、通氣管路、發(fā)動機(jī)艙、噴管和噴口等。

（5）連接與支撐裝置:主要有與風(fēng)洞連接的支桿、天平等部件。

制造模型的材料是比較嚴(yán)格規(guī)范的，高速風(fēng)洞模型均由金屬材料制造，模型的主要承力零部件，如機(jī)身、翼面、活動操縱面等選用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)合金鋼30CrMnSiA、欽合金等制造，部分試驗次數(shù)較少或承載不大的零件可用鋼45或鋁合金LY12CZ。隨著加工手段的提高和模型大型化的趨勢，低速風(fēng)洞模型越來越多地采用鋁合金和復(fù)合材料。

模型風(fēng)洞的要求風(fēng)洞試驗的要求材料通常采用木質(zhì)(三合板)、有機(jī)玻璃或鋁合金。模型的大小依具體的風(fēng)洞尺寸而定，一般的風(fēng)洞都不可能進(jìn)行足尺試驗，因此大部分的建筑風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ投际峭ㄟ^幾何縮尺得到的。風(fēng)洞的尺寸確定后，模型越大，風(fēng)洞壁附面層對模型的影響也越大。為了使風(fēng)洞壁附面層對模型的影響不會過大，風(fēng)洞試驗對模型進(jìn)行了如下的規(guī)定:2

(1)模型的迎風(fēng)面積不得超過試驗段橫截面積的5%，即模型在風(fēng)洞試驗段中的阻塞度不得超過5%；

(2)模型的寬度不得超過試驗段寬度的70%；

(3)模型的長度應(yīng)在風(fēng)洞靜壓梯度比較均勻的區(qū)域內(nèi)，以減小風(fēng)洞試驗段內(nèi)沿風(fēng)洞軸線方向的靜壓梯度影響。

在滿足以上要求的基礎(chǔ)上，試驗的設(shè)計者可以根據(jù)具體需要采用一個相對比較合理的幾何縮尺比進(jìn)行試驗。通常建筑風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比選大約在1/300-1/500之間。3

模型風(fēng)洞的分類模型風(fēng)洞試驗根據(jù)不同的試驗?zāi)康牟捎貌煌哪Ｐ头N類。風(fēng)洞試驗的基本模型主要分為剛性模型和氣動彈性模型兩大類。

剛性模型所謂剛性模型就是在試驗中只考慮風(fēng)對模型的靜力作用，而不考慮脈動風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)。剛性模型為圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的設(shè)計提供局部風(fēng)壓分布并用于確定建筑物周圍的風(fēng)場特性(包括風(fēng)速、風(fēng)向和建筑物周圍的流線譜等)，也為確定總平均荷載提供平均壓力。

剛性模型絕大多數(shù)由甲基丙烯酸甲酷薄板制成，此材料俗稱為耐熱有機(jī)玻璃。它比木質(zhì)模型或鋁合金模型有許多優(yōu)點，如：易于精確地進(jìn)行機(jī)械加工和鉆孔，而且是半透明的，便于對模型內(nèi)的裝置進(jìn)行觀測。當(dāng)加熱至200度左右時，還易于成型為曲面?？捎媚z粘劑或埋頭螺絲將模型板連接。4

對于目前建造的大多數(shù)建筑物來說尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于其具有足夠的剛度，重量也較大，由風(fēng)引起的振幅較小，從簡化抗風(fēng)設(shè)計的角度出發(fā)，其模型都可以認(rèn)為是剛性模型。我國規(guī)范規(guī)定:對于高度在30米以下或高寬比小于1. 5的房屋可以不考慮脈動風(fēng)壓的影響。新的國際風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為:在風(fēng)載作用下，建筑物的撓度小于建筑物高度的1/1000時為剛性建筑。5

剛性模型是為高寬比小于5的建筑物提供適用設(shè)計數(shù)據(jù)的。雖然剛性模型研究的基本目的是得出局部壓力的波動狀態(tài)，但其試驗結(jié)果仍可能外延，得出對氣動彈性相互作用不敏感的剛性建筑整個結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計壓力。利用其結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)總體框架的設(shè)計己日益普遍。和空氣動力學(xué)以及高頻力平衡研究相比，在剛性模型研究中用于得出平均壓力的方法似乎有些冗長乏味，但必須指出，剛性模型試驗是提供局部壓力波動資料的唯一試驗，而波動資料是經(jīng)濟(jì)而良好地進(jìn)行玻璃等圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。盡管一些較先進(jìn)的建筑法規(guī)試圖建立考慮外形因素、紊流和建筑物動力特性的設(shè)計荷載，但是，求助于風(fēng)洞試驗己成為工程的實踐。因為業(yè)主和開發(fā)者們通常感到風(fēng)洞試驗中得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)載可信度大大超過了試驗的耗費。在北美，如果沒有圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓力的研究，許多幕墻供應(yīng)商將猶豫是否承擔(dān)這一任務(wù)。

氣動彈性模型由于大氣紊流的沖擊作用，高、細(xì)、柔的建筑物受到動力荷載。風(fēng)引起的振動又由于建筑物的動力反應(yīng)而明顯增大。由建筑物動力反應(yīng)引起的增大可達(dá)總反應(yīng)的50%或50%以上。6風(fēng)亦引起水平加速度增大，因而要求考慮用戶的舒適感和對運動的感覺。和剛性模型研究一樣，用分析方法確定風(fēng)載的動力效應(yīng)不能作為常規(guī)的設(shè)計程序，因此必須進(jìn)行風(fēng)洞試驗以模擬建筑物的獨特特性和所處的具體場所。二十世紀(jì)六十年代，在對紐約世界貿(mào)易中心大廈的風(fēng)載試驗中，氣動彈性模型首次被應(yīng)用于高層建筑研究，并在此后得到了不斷的發(fā)展。

雖然將剛性模型研究得出的局部壓力沿全表面累加可以很好地估算出建筑物的總風(fēng)荷載，但局部風(fēng)壓峰值的不相關(guān)性排除了這種由累加得出動力荷載峰值的可能性。而且，要對適當(dāng)?shù)年囷L(fēng)持續(xù)時間(該持續(xù)時間可使結(jié)構(gòu)充分承受陣風(fēng)的全部效應(yīng))選用適當(dāng)?shù)年囷L(fēng)荷載系數(shù)，這個陣風(fēng)系數(shù)的選擇常常不是容易做到的。正確的陣風(fēng)系數(shù)應(yīng)考慮平均風(fēng)載的平均周期；與建筑物高度有關(guān)的場地粗糙度；與建筑物自振頻率有關(guān)的峰值陣風(fēng)系數(shù)：紊流效應(yīng)和建筑物的臨界阻尼。雖然許多有關(guān)風(fēng)和結(jié)構(gòu)相互作用的效應(yīng)可以定性的加以描述，但在實踐中卻不可能將這些效應(yīng)進(jìn)行精確的分析并量化。7

在考慮建筑物或結(jié)構(gòu)的運動影響風(fēng)荷載時，利用氣動彈性模型可以直接去量測風(fēng)洞中的動力荷載(總荷載、位移和加速度)，從而擺脫了陣風(fēng)系數(shù)的計算。

除提供風(fēng)的總平均荷載和動力荷載外，氣動彈性模型研究基本上是檢驗風(fēng)引起的擺動反應(yīng)。此試驗對于那些對空氣彈性或人體運動有重大效應(yīng)的細(xì)而柔，并對動力敏感的結(jié)構(gòu)十分重要。氣動彈性模型試驗是預(yù)測建筑物對風(fēng)反應(yīng)的最可靠的方法之一。

模型風(fēng)洞的應(yīng)用模型風(fēng)洞，也稱為模型參考，模型校準(zhǔn)（法語：maquettes d'étalonnage）或測試檢查標(biāo)準(zhǔn)是相對簡單和精確定義的形狀的對象，具有已知的空氣動力特性，在風(fēng)洞中進(jìn)行測試。 使用標(biāo)準(zhǔn)模型，通過比較風(fēng)洞試驗結(jié)果與先前公布的結(jié)果，驗證風(fēng)洞中的完整測量鏈，包括風(fēng)洞結(jié)構(gòu)，氣流質(zhì)量，模型定位，換能器和力平衡，數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)簡化軟件8。

更具體地說，模型風(fēng)洞用于：

（1）通過與其他風(fēng)洞設(shè)施的結(jié)果相比，確認(rèn)新風(fēng)洞數(shù)據(jù)的可靠性;

（2）提供不同風(fēng)洞結(jié)果相關(guān)性的基線;

（3）隨著時間的推移檢查數(shù)據(jù)重復(fù)性;

（4）在修復(fù)或修改風(fēng)洞結(jié)構(gòu)后檢查數(shù)據(jù)重復(fù)性;

（5）評估墻壁干擾效應(yīng);

（6）識別風(fēng)洞運行中的問題和故障;

（7）驗證新的測量技術(shù)或設(shè)備;

（8）培訓(xùn)風(fēng)洞人員。

此外，將標(biāo)準(zhǔn)模型的風(fēng)洞試驗結(jié)果用作驗證計算流體動力學(xué)（CFD）計算機(jī)代碼的測試用例。

在大多數(shù)風(fēng)洞中，標(biāo)準(zhǔn)型號在設(shè)備的調(diào)試和校準(zhǔn)期間進(jìn)行了測試。這有時會產(chǎn)生不幸的影響，測試結(jié)果并不如以前那樣好，因為風(fēng)洞及其測量系統(tǒng)在測試時尚未得到最佳調(diào)整。然而，一些實驗室每幾年都采用了對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行定期測試的做法，以便對其風(fēng)洞中的測量可靠性提供持續(xù)的信心。

標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞模型通常（但不總是）用于基本風(fēng)洞測量類型之一，例如用力平衡的力和力矩的測量或壓力分布的測量。這些模型的風(fēng)洞試驗結(jié)果通常以無量綱空氣動力學(xué)系數(shù)的形式出版（因此獨立于模型尺寸），并且可用于風(fēng)洞社區(qū)，通常在包含數(shù)據(jù)的設(shè)施間比較的審查報告中討論了觀察到的結(jié)果分散，不同的測試條件，模型之間的生產(chǎn)差異。9

由于大部分風(fēng)洞試驗與航空有關(guān)，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞模型類似翼型，飛機(jī)或?qū)椀暮喕问?。對于靜態(tài)測試，NACA 0012和CLARK Y（具有典型翼型的2D翼段模型），AGARD-B / AGARD-C（通用三角翼飛機(jī)形狀），ONERA-M（通用運輸飛機(jī)形狀），HB-2（超高速彈道模型2，類似于折返體的形狀）。對于動態(tài)測試，經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)模型是：SDM（標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)模型，類似于F-16的類似戰(zhàn)斗機(jī)型飛機(jī)形狀）），BFM（基本翼型模型，具有四個翼片的通用圓錐形導(dǎo)彈后端）和MBFM（改進(jìn)的基本細(xì)節(jié)模型）。還存在許多其他標(biāo)準(zhǔn)模型。

隨著越來越多的風(fēng)洞在道路車輛的測試中被使用，定義了幾種標(biāo)準(zhǔn)車型，如艾哈邁德身體，MIRA參考車等。

一些風(fēng)洞實驗室使用內(nèi)部定義的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行定期檢查，這些模型選自先前在設(shè)施中測試的模型庫。10

相對于一些容易識別的參數(shù)來定義標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞模型的幾何形狀。身體直徑或翼和弦?guī)缀误w由提出模型的機(jī)構(gòu)發(fā)布。除了模型本身，通常還定義了與模型一起使用的標(biāo)準(zhǔn)模型支持（如刺）。實際模型的建造尺寸適合于特定風(fēng)洞試驗段的尺寸，特別注意模型的正面阻塞（模型橫截面積與風(fēng)洞試驗段面積的比例）保持不變遠(yuǎn)低于1%（除了墻體干擾研究，模型可能更大）。

為了消除設(shè)備間比較模型之間的生產(chǎn)差異的影響，有時在幾個風(fēng)洞中測試相同的物理標(biāo)準(zhǔn)模型