風(fēng)洞如何“循環(huán)用風(fēng)”？——揭秘回流式風(fēng)洞的氣動(dòng)設計

回流低速風(fēng)洞是一種能人工產(chǎn)生和控制氣流來(lái)模擬飛行器或物體周?chē)鷼怏w的流動(dòng)，以達到研究氣體流動(dòng)及其與物體的相互作用，并且氣流在風(fēng)洞內循環(huán)流動(dòng)的風(fēng)洞。它是低速風(fēng)洞的一種類(lèi)型，“低速”一般是指風(fēng)速低于約 0.3 倍聲速（馬赫數 Ma＜0.3）的流動(dòng)，此時(shí)空氣可近似看作不可壓縮流體；“回流”則是指氣流在風(fēng)洞中形成封閉的循環(huán)回路，不斷重復使用。其結構包括實(shí)驗段、穩定段、收縮段、擴散段和回流段，通過(guò)調節驅動(dòng)系統實(shí)現風(fēng)速控制‌。

風(fēng)洞：一種管道狀的實(shí)驗設備，通過(guò)人造且可控的氣流，來(lái)模擬物體在空氣中運動(dòng)時(shí)所受到的空氣動(dòng)力作用。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是“讓空氣跑，讓模型靜”，以便于進(jìn)行精確測量。

低速：指風(fēng)洞實(shí)驗段的氣流速度較低，通常以馬赫數（Ma）小于0.3（約100米/秒以下）為界。在這個(gè)速度范圍內，空氣可以被視為不可壓縮流體，密度變化可以忽略不計。這是研究汽車(chē)、建筑、橋梁、體育運動(dòng)、大多數飛機起飛降落狀態(tài)等最常用的風(fēng)洞類(lèi)型。

回流：指氣流的循環(huán)路徑是封閉的、循環(huán)的。氣流從實(shí)驗段流出后，不會(huì )直接排放到大氣中，而是通過(guò)一個(gè)回路再被引導回風(fēng)扇的入口，重新加速使用。

工作原理

空氣經(jīng)風(fēng)機驅動(dòng)，從風(fēng)洞的穩定段開(kāi)始，依次經(jīng)過(guò)收縮段、試驗段、擴散段，然后通過(guò)回流道回到穩定段，形成一個(gè)封閉的循環(huán)。在試驗段，放置需要測試的模型，通過(guò)精確控制氣流的速度、方向等參數，模擬不同的飛行或流動(dòng)工況，研究人員可以觀(guān)察和測量模型與氣流之間的相互作用，如模型的受力、壓力分布、流場(chǎng)結構等。

核心結構

1. 動(dòng)力系統

功能：風(fēng)洞的“心臟”，為空氣流動(dòng)提供能量，克服整個(gè)回路中的流動(dòng)阻力。

位置：通常安裝在擴散段之后，由一個(gè)或多個(gè)大功率風(fēng)扇組成，由電機驅動(dòng)。風(fēng)扇葉片的角度可以調節，以精確控制風(fēng)速。

2. 穩定段與收縮段

功能：這是氣流到達實(shí)驗段前的“梳妝臺”。

穩定段：內部裝有蜂窩器和阻尼網(wǎng)。蜂窩器（通常為六邊形管道）將大尺度的渦旋打碎，矯正氣流方向；阻尼網(wǎng)則進(jìn)一步減小湍流度，使氣流更加均勻平穩。

收縮段：一個(gè)橫截面積逐漸減小的流線(xiàn)型管道。根據伯努利原理，氣流在這里被加速，同時(shí)湍流度會(huì )被進(jìn)一步降低，最終形成一股均勻、平行、低湍流的優(yōu)質(zhì)氣流送入實(shí)驗段。

3. 實(shí)驗段

功能：風(fēng)洞的“舞臺”，所有實(shí)驗模型都放置在這里進(jìn)行測試。這是風(fēng)洞最核心的部分。

類(lèi)型：

開(kāi)口式：實(shí)驗段向周?chē)h(huán)境開(kāi)放。優(yōu)點(diǎn)是便于安裝模型和觀(guān)察，缺點(diǎn)是氣流邊界不受約束，能量損失較大。

閉口式：實(shí)驗段由固體壁面封閉。優(yōu)點(diǎn)是氣流品質(zhì)高，能量效率高，缺點(diǎn)是模型尺寸受限制，安裝不如開(kāi)口式方便。

設備：內部裝有各種測量?jì)x器，如天平（測量力與力矩）、壓力傳感器、煙流發(fā)生器或粒子圖像測速儀 (PIV) 等用于流場(chǎng)可視化。

4. 擴散段

功能：位于實(shí)驗段之后，是一個(gè)橫截面積逐漸增大的管道。根據伯努利原理，氣流在這里速度降低，壓力升高。這個(gè)“增壓”過(guò)程可以有效地回收氣流的動(dòng)能，將其轉換為壓力能，從而顯著(zhù)降低風(fēng)洞運行所需的動(dòng)力，提高能源效率。

5. 拐角與導流片

功能：在回流通道的四個(gè)拐角處，氣流需要轉向90度。如果沒(méi)有導流片，會(huì )在拐角處產(chǎn)生巨大的渦旋和能量損失。導流片是一系列彎曲的翼型葉片，它們能引導氣流平順地轉彎，極大減少壓損和湍流。

6. 冷卻系統

功能：由于風(fēng)扇持續對空氣做功，空氣的溫度會(huì )不斷升高（能量守恒）。冷卻系統（通常是熱交換器）用于將這部分熱量帶走，維持氣流溫度恒定，確保實(shí)驗條件的一致性。

優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

?高能量效率：得益于擴散段和導流片，回流式風(fēng)洞的能量損失遠小于直流式風(fēng)洞（空氣從大氣吸入，實(shí)驗后直接排出），運行成本更低。

?氣流品質(zhì)高：穩定的回流循環(huán)和精心設計的穩定段，能產(chǎn)生湍流度極低、非常均勻平穩的氣流。

?環(huán)境可控：氣流溫度、濕度等參數可以被控制，避免了外界天氣變化對實(shí)驗結果的干擾。

?安全環(huán)保：可以用于進(jìn)行煙霧、油霧等可視化實(shí)驗，而不必擔心污染物排放到外界。

缺點(diǎn)：

?建造復雜，成本高：結構比直流式風(fēng)洞復雜得多，需要更多的空間和建筑材料。

?邊界效應（對于閉口實(shí)驗段）：模型尺寸受到實(shí)驗段壁面的限制，壁面本身會(huì )對流場(chǎng)產(chǎn)生干擾（稱(chēng)為“阻塞效應”），需要通過(guò)理論進(jìn)行修正。

結構特點(diǎn)：

?閉口回流式：氣流在封閉的管道內循環(huán)，不受外界干擾。

?試驗段：通常有多個(gè)試驗段，尺寸和流速范圍可以根據需求定制。

?流場(chǎng)品質(zhì)：流速穩定性高，流速均勻性好，氣流偏角小，紊流度低。

?結構緊湊：氣流路徑呈環(huán)形或矩形回路，整體布局較為緊湊，適合空間有限的實(shí)驗室環(huán)境。

?氣流效率高：由于氣流在系統內循環(huán)使用，能量損失較小，相比直流式風(fēng)洞更節能，運行成本較低。

?低速范圍適用：一般用于馬赫數低于0.3的低速流動(dòng)實(shí)驗，如汽車(chē)、建筑、無(wú)人機、機翼模型等的氣動(dòng)力測試。

?噪音相對較低：由于氣流在封閉系統中循環(huán)，且可通過(guò)消聲設計降低噪音，適合在教學(xué)或辦公環(huán)境中使用。

具體參數（以某型號為例）：

?試驗段尺寸：500mm × 500mm × 1500mm（可定制）。

?流速范圍：0.1~30 m/s（可定制）。

?流速穩定性：≤0.5%。

?流速均勻性：≤1%。

?氣流偏角：≤1°。

?紊流度：±0.5%。

?電機功率：25kW。

?噪聲：<80dB。

回流低速風(fēng)洞的方案設計與建設步驟

一、項目規劃與需求分析

1. 明確使用目標

•測試對象：如機翼、汽車(chē)模型、建筑模型等。

•測試參數：風(fēng)速范圍（如 10–50 m/s）、雷諾數范圍、湍流度要求（通常 < 0.5%）。

•試驗段尺寸：根據模型尺寸確定（如 1m × 1m × 2m）。

•用途：教學(xué)、科研、工業(yè)測試？是否需要力測量、PIV、壓力掃描等設備？

2. 確定風(fēng)洞類(lèi)型

•回流式（閉口循環(huán)） vs 直流式（開(kāi)口）

•回流式更節能、流場(chǎng)穩定，適合長(cháng)期運行。

•本方案以回流低速風(fēng)洞為主。

二、總體方案設計

1. 風(fēng)洞布局設計（典型四拐角回流式）

試驗段 → 擴散段 → 拐角1 → 穩定段（蜂窩器+阻尼網(wǎng)）→ 收縮段 → 風(fēng)扇段

↑ ↓

拐角4 ← 擴壓段 ← 拐角3 ← 熱交換段（可選）← 拐角2 ← 風(fēng)扇電機

2. 關(guān)鍵參數設計

•試驗段風(fēng)速：10–60 m/s（低速范圍）

•收縮比：通常 6:1 到 10:1，用于加速并整流

•湍流度：< 0.3%（高質(zhì)量風(fēng)洞）

•馬赫數：< 0.3（不可壓縮流假設成立）

•雷諾數模擬：盡量接近實(shí)際工況（可通過(guò)增壓或變密度設計提升）

三、分系統詳細設計

1. 試驗段

•透明或金屬結構（亞克力/鋁合金）。

•可設計為開(kāi)口或閉口。

•配備模型支架接口、觀(guān)察窗、壓力測點(diǎn)。

2. 收縮段

•型線(xiàn)設計：采用多項式或指數曲線(xiàn)（如 3 次樣條），避免流動(dòng)分離。

•收縮比：6:1～10:1。

•材料：玻璃鋼、鋁合金或復合材料。

3. 穩定段

•包含：

•蜂窩器：消除大尺度渦，孔徑約 3–5 mm。

•阻尼網(wǎng)：2–3 層，開(kāi)孔率約 70–80%，降低湍流。

•長(cháng)度應足夠（一般 ≥ 1m）以充分整流。

4. 風(fēng)扇系統

•類(lèi)型：軸流或對旋風(fēng)扇。

•功率計算：根據風(fēng)速、阻力、效率估算（通常幾十到幾百千瓦）。

•調速：變頻電機，實(shí)現風(fēng)速無(wú)級調節。

•安裝位置：通常位于風(fēng)洞一側或底部。

5. 拐角導流片

•4 個(gè) 90° 拐角，每個(gè)安裝導流葉片（NACA 翼型或圓弧形）。

•減少二次流和流動(dòng)分離。

•數量：每拐角 10–20 片，間距均勻。

6. 擴散段與擴壓段

•擴散角 < 7°，防止氣流分離。

•用于回收動(dòng)能，提高效率。

7. 回流管道

•光滑內壁（拋光或噴涂），減少摩擦損失。

•截面形狀：矩形或圓形，根據布局優(yōu)化。

8. 輔助系統

•熱交換系統：長(cháng)時(shí)間運行時(shí)冷卻空氣（可選）。

•消聲設計：吸聲材料、消聲器降低噪音。

•氣流調節板：調節風(fēng)速分布均勻性。

四、建設實(shí)施步驟

階段 1：初步設計與仿真

•使用 CAD 軟件建模。

•CFD 模擬驗證流場(chǎng)均勻性、速度分布、壓力損失。

•優(yōu)化收縮段型線(xiàn)、導流片布局等。

階段 2：詳細工程設計

•出具全套施工圖（結構、電氣、控制）。

•選型采購：風(fēng)扇、電機、鋼材、亞克力、阻尼網(wǎng)、傳感器等。

•控制系統設計：PLC 或工控機 + LabVIEW，實(shí)現風(fēng)速控制、數據采集。

階段 3：加工與制造

•委托機械加工廠(chǎng)制作金屬部件（框架、導流片、管道）。

•試驗段透明部分定制（如亞克力板粘接）。

•風(fēng)扇與電機組裝調試。

階段 4：現場(chǎng)安裝

•基礎施工：地基加固，確保結構穩定。

•分段吊裝、焊接或螺栓連接。

•安裝蜂窩器、阻尼網(wǎng)、導流片。

•布設電氣線(xiàn)路、傳感器線(xiàn)纜。

階段 5：調試與標定

•空載運行：檢查振動(dòng)、噪音、電機溫升。

•流場(chǎng)標定：

•使用皮托管、熱線(xiàn)風(fēng)速儀測量試驗段速度分布。

•調整導流片或阻尼網(wǎng)層數以?xún)?yōu)化均勻性。

•測量湍流度、邊界層厚度。

•控制系統聯(lián)調：實(shí)現風(fēng)速設定、自動(dòng)穩壓、緊急停機。

階段 6：驗收與使用

•編寫(xiě)操作規程與安全手冊。

•開(kāi)展模型測試驗證（如標準模型：NACA0012 翼型）。

•形成技術(shù)文檔歸檔。

五、關(guān)鍵設計要點(diǎn)與注意事項

1. 能量損失最小化：優(yōu)化拐角設計、減少突變截面。

2. 流場(chǎng)均勻性：收縮比、蜂窩器長(cháng)度、阻尼網(wǎng)匹配設計。

3. 結構強度：風(fēng)洞殼體需承受內外壓差，防止變形。

4. 安全防護：風(fēng)扇加裝防護罩，設置緊急制動(dòng)。

5. 可維護性：設計檢修口、可拆卸面板。

六、典型參考參數（以教學(xué)風(fēng)洞為例）

•試驗段尺寸：0.6 m × 0.6 m × 1.2 m

•最大風(fēng)速：40 m/s

•收縮比：7.2:1

•風(fēng)扇功率：30 kW

•湍流度：< 0.4%

•噪音水平：< 85 dB(A)

•總長(cháng)度：約 12–15 米（四拐角）

七、成本與周期估算（參考）

•設計周期：3–6 個(gè)月

•建設周期：6–12 個(gè)月

•成本范圍：

•小型教學(xué)風(fēng)洞：100–300 萬(wàn)元人民幣

•中型科研風(fēng)洞：500–1500 萬(wàn)元人民幣

應用領(lǐng)域：

- 航空：研究飛行器的氣動(dòng)性能、外型設計、氣動(dòng)干擾等問(wèn)題。

- 建筑：研究單體或群體建筑在風(fēng)場(chǎng)中的受力狀態(tài)及其對風(fēng)載的響應特性。

- 環(huán)境：研究大氣流動(dòng)、污染物擴散等環(huán)境問(wèn)題。

- 礦業(yè)：礦井通風(fēng)實(shí)驗，確保礦井安全生產(chǎn)。

適用場(chǎng)所：

- 實(shí)驗室：煤礦通風(fēng)實(shí)驗室、礦山安全實(shí)驗室、科研院所、高校等。

- 工業(yè)：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機進(jìn)排氣系統測試、風(fēng)力機械測試等。

回流式低速風(fēng)洞在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應用，其穩定性和靈活性使其成為研究低速氣流條件下空氣動(dòng)力學(xué)特性的理想工具。

回流低速風(fēng)洞也稱(chēng)閉口回流式低速風(fēng)洞，是一種常見(jiàn)的風(fēng)洞類(lèi)型，廣泛應用于空氣動(dòng)力學(xué)研究、教學(xué)實(shí)驗以及工業(yè)模型測試中。其“回流”指的是氣流在風(fēng)洞內形成一個(gè)閉合循環(huán)，從試驗段流出后，經(jīng)過(guò)導流段、擴散段、風(fēng)扇、穩定段等部件再次回到試驗段，構成一個(gè)閉環(huán)流動(dòng)系統。