增壓風洞

增壓風洞又稱壓力風洞或變密度風洞，為了提高風洞試驗的雷諾數，通過提高壓力從而提高了密度。

增壓風洞可以提高壓力從而提高雷諾數，可以節省風洞的驅動功率；增壓風洞可以區別雷諾數效應和馬赫數效應的影響。即使在低速不可壓流的範圍，也有些氣動特性與馬赫數相關，例如：最大升力係數。這是由於機翼迎角很大，前緣附近的局部流速已經達到可壓流的範圍，因而表現出壓縮性效應。在有的增壓風洞中，壓力可以調節到低於大氣的值。保持風洞在低壓下運轉，相同馬赫數下，功率將大大降低。

建設的增壓風洞有英國皇家航空研究院（RAE）在法恩巴勒建造的大型增壓低速風洞和我國的FL-9低速增壓風洞。

基本介紹

• 中文名：增壓風洞
• 外文名：air-boost wind tunnel 
• 又稱：壓力風洞或變密度風洞
• 作用：提高雷諾數
• 套用學科：空氣動力學
• 實例：RAE的5米增壓低速風洞、FL-9

背景

對於好的起飛著陸特性和高速性能所要求的高其截荷，使幾乎所有的常規、軍、民用飛機必須有複雜的前緣縫其、開縫襟其或吹氣襟其，以便獲得所儒要的升力係數。在給定長度的跑道上獲得較好的起飛能力與從機場開始爬高期間獲得較低的阻力(其中單發停車)的效益至少與改善飛行包線的高速部分一樣值得往意。此外，對機場附近減少噪音的強調將導致對未來飛機設計的增升間題與低速特性間題引起更大的注意。

儘管飛行馬赫數在這些條件下是低的，但是高的局部速度、特別在機其前緣附近產生了明顯的壓縮性影響。因此，在準確的馬赫數下進行模型實驗是重要的.而且要在現代的開縫增升系統的所有部件(其中一些部件可能僅僅是10%的基本弦長)上獲得滿意的雷諾數就更有必要取得比過去更高的試驗雷諾數。同時，使用大模型是重要的，以便能正確地棋擬前緣縫其與襟其支架。只有當壓縮性效應與尺度效應能夠在模型試驗結果中分離出來時，才能較準確地做出全尺寸性能的推斷。這就要求有一座能進行這樣研究的增壓風洞。

與常壓風洞相比的優點

1、提高壓力從而提高雷諾數，可以節省風洞的驅動功率；

2、增壓風洞可以區別雷諾數效應和馬赫數效應的影響。即使在低速不可壓流的範圍，也有些氣動特性與馬赫數相關，例如：最大升力係數。這是由於機翼迎角很大，前緣附近的局部流速已經達到可壓流的範圍，因而表現出壓縮性效應。

在常壓風洞中，改變雷諾數是通過速度的變化達到的，但是改變雷諾數的同時，馬赫數也隨之改變了。因此不能單獨試驗雷諾數或者馬赫數的影響。在增壓風洞中，壓力是可以控制的。若保持速度不變而增大壓力，則可以在保證馬赫數不變的情況下增加雷諾數。若在增加速度的同時，降低壓力，則可以保持密度與速度的乘積不變，則可以保持雷諾數不變而增加馬赫數。

3、在有的增壓風洞中，壓力可以調節到低於大氣的值。保持風洞在低壓下運轉，相同馬赫數下，功率將大大降低。當然，雷諾數也比較低。

增壓風洞存在的問題

1、模型及支架系統的強度問題。

風洞密度提高，導致動壓增大，因而作用在模型上的氣動載荷增大。模型設計將變得困難，模型支架也必須相應的增大尺寸，因而支架的干擾變得比較嚴重。據認為，若動壓超過約200000Pa時，實驗模型及支架的設計將遇到極大的困難。在低速範圍內，普通模型的強度允許壓力增加到3個大氣壓左右，所以，風洞壓力不超過3個大氣壓，對模型設計是有利的。

2、要求風洞洞身具有足夠強度承受壓力。

壓力風洞的洞身需要承受很大的壓力載荷，其成本占風洞全部造價的三分之一左右，並幾乎與材料重量成正比。減小風洞尺寸對節約材料是很重要的。對於一定的雷諾數，減小整個風洞的尺寸比為了承受更大的壓力而增加壁厚的效果更加明顯，所以寧肯採用風洞小而壓力大的方案。

RAE的5米增壓低速風洞

英國皇家航空研究院（RAE）在法恩巴勒建造了一座大型增壓低速風洞。

設計的主要特點之一就是採用了能保證容易地進出試驗段的結構，此結構可與在大氣壓力下運行的大型低速風洞相匹配。兩個同心的球體包圍著試驗段部分上游與下游末端的試驗段壁能轉動，因此內球體外邊的壓力門能在空氣管道中橫向擺動，並緊靠在內球體上。然後給風洞降壓，使工作人員能進入試驗段。

模型與試驗所需要的所有儀表都安裝在構成試驗段地板的“車”上。該試驗段能夠繞球體的垂直軸旋轉，一直到試驗段與主進出管對齊為止。然後整個車由電力驅動，沿著鐵軌走到轉台，從那以後就停在四個沒備間的一個中。

設備間的主地板大約比停在該房間中的車的底平面高一米。臨時地板能方便地橫放在設備間與主地板水平，以使模型直接出入，而不需要台階和架子。

據估計要使風扇停止，壓力門處於固定位置，模型能夠使用，總共需要6分鐘，從模型更換完成到處於工作狀態，並準備測取數據需要同樣的時間。

通路系統部分是由一個電腦程式裝置控制的。這個裝置提供了所有合適的保險連鎖裝置，包括人員進出試驗段在內。一個單獨的系統控制試驗段的旋轉和車在試驗段與設備間之間的運動。

FL-9低速增壓風洞

FL-9是我國建造的低速增壓風洞。

風洞特點

（1）風洞洞體是一個具有氣流流動的大型管道壓力容器。具有風洞管道和大型容器兩大特點。

（2）由於風洞在增壓下運行，風洞管道內外壓力差較大，存在密封問題需要特別考慮。

（3）風洞經常在大速壓(常壓 ;增壓 )條件下工作，風洞和模型都將承受較大的載荷。

（4）風洞風扇電機功率為9500kW，在運轉過程中對氣流加熱，要保持風洞在39~41℃條件下運轉，因此存在冷卻問題。

（5）為了節省能量，在更換模型及其部件時，不能採用全卸壓方式，而是採用密封試驗段兩端，將試驗段卸壓的方式。

（6）為了提高風洞效率，不允許占用風洞做試驗準備。為此採用可移出試驗段(含駐室)。有四套模型架車，在洞外做試驗準備，準備完畢後將模型架車推入試驗段。

建造中的技術關鍵

（1）做好風洞的總體氣動布局設計工作

為了保證風洞具有良好的氣流品質，必須使風洞每一部件的參數選擇均滿足參考標準的要求，並儘可能最佳化。

與F1風洞比較,FL-9風洞的氣動布局有三點明顯變化:

①收縮比由7.2增加到9;

②穩定段人口採用了大角擴散(最大擴散角17.2度);

③將冷卻器置於穩定段內，以減小流動損失和導直氣流。

（2）密封問題是結構設計的重要環節

風洞各段之間的密封採用充氣橡膠圈，風洞備有專用的輔助氣源供密封橡膠圈充氣。此外，有兩個重要環節:一是試驗段密封門，由於它體積大(弧形半徑6m)，重量大(每個重27t) ,使控制和密封都很難。二是動力系統的長軸(長10m)與洞體的密封，採用專門的密封結構。

（3）可移動的試驗段和駐室

可移動的試驗段和駐室是FL-9風洞特殊關鍵部件。試驗段可移動段長8 . 5m，下壁與模型架車聯在一起，每個模型車有一塊底板，更換模型架車時，一起推入(出)試驗段。可移動駐室內徑8m,壁厚30mm。駐室可沿地面導軌移動，其移動速度為14m/min。

（4）壓力試驗

根據國標GB 150-89《鋼製壓力容器》規定，風洞承壓殼體必須進行壓力試驗。壓力試驗通常有水壓試驗和氣壓試驗兩種。水壓試驗的優點是安全性較好，但隨之帶來的是洞體基礎載荷增加太多。FL-9風洞容積約13000耐，如做水壓試驗，則基礎承載要多加13000t，使基礎造價增加幾倍。所以FL-9風洞選用氣壓試驗方案。按國家標準規定:對“不適宜作液壓試驗的容器，可以進行氣壓試驗”。上述規定僅適用於低壓容器（0.1MPa~1.6MPa），而且規定了氣壓試驗的方法。FL-9風洞設有安全閥。一旦發現有泄漏可以放氣降壓。

（5）動力系統的調速方案和高效、低噪聲風扇設計

動力系統的調速方案有兩種:一種是在風洞運行中風扇轉速不變，用改變風扇槳距的方法改變風速。F1風洞選用此方案。另一種是用交流電機驅動風扇，通過變頻裝置改變電機的頻率，從而改變風扇轉速，達到改變風速的目的。後一種方案是現代低速風洞(例如DNW )經常採用的方案。其優點是機構簡單、運行可靠，維護方便，但投資較大。FL-9風洞最終選用了變頻調速方案。

高效率和低噪聲是風扇系統設計追求的兩大目標。這兩個目標是一對矛盾。為此，採用了多目標最佳化設計方法。通過對設計參數的調整、降低風扇槳葉工作載荷和冀尖速度、提高翼型在o}迎角附近的性能(阻力儘量小，升力係數在0.5左右，翼面儘量保持層流，避免分離)、適當地選擇槳葉的升阻比（不小於40）和風扇的前進比（0.6~1.2）、調整風扇葉片數和止旋片數的匹配等措施，使風扇效率達到90%，並儘量降低風扇噪聲。

（6）冷卻系統

要求增壓風洞在運行狀態試驗段溫度保持在40土1攝氏度，為此需要設定冷卻系統。採用水冷散熱，保證風洞在試驗段恆溫狀態下運行。