湍流風洞

湍流是流體的一種流動狀態。

大氣邊界層湍流模擬風洞是進行空氣動力學實驗的重要設備，而其信號處理和控制系統的設計是關係到風洞系統性能的關鍵。目前湍流模擬風洞研究還主要停留在被動模擬階段，主動控制系統的研製存在不少問題。如何更有效的控制湍流模擬風速時程，以及如何更好的進行風速的信號處理是進行多通道湍流模擬風洞控制系統研究的重要問題。

基本介紹

• 中文名：湍流風洞
• 外文名：Turbulence wind tunne
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：空氣動力學
• 湍流：流體的一種流動狀態
• 風洞：飛行器研製中的不可缺少的部分

湍流

湍流是流體的一種流動狀態。當流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也稱為穩流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合。這時的流體作不規則運動，有垂直於流管軸線方向的分速度產生，這種運動稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。

湍流是在大雷諾數下發生的，雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對流場的影響大於黏滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的湍流流場。

風洞

風洞（wind tunnel）即風洞實驗室，是以人工的方式產生並且控制氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備，它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一。

風洞實驗是飛行器研製工作中的一個不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天工程的研究和發展中起著重要作用，隨著工業空氣動力學的發展，在交通運輸、房屋建築、風能利用等領域更是不可或缺的。這種實驗方法，流動條件容易控制。實驗時，常將模型或實物固定在風洞中進行反覆吹風，通過測控儀器和設備取得實驗數據。

為使實驗結果準確，實驗時的流動必須與實際流動狀態相似，即必須滿足相似律的要求。但由於風洞尺寸和動力的限制，在一個風洞中同時模擬所有的相似參數是很困難的，通常是按所要研究的課題，選擇一些影響最大的相似參數進行模擬。

此外，風洞實驗段的流場品質，如氣流速度分布均勻度、平均氣流方向偏離風洞軸線的大小、沿風洞軸線方向的壓力梯度、截面溫度分布的均勻度、氣流的湍流度和噪聲級等必須符合一定的標準，並定期進行檢查測定。

研究現狀

湍流模擬風洞的主動控制技術是通過向流場中輸入一定密度的能量，提高流場低頻部分的動能，來改善湍流功率譜和積分尺度的模擬能力。這方面套用最為成功的兩種主動模擬技術為多通道風洞和震動欄柵。美國加州大學的大氣邊界層風洞在入口處有兩列可以控制的震動欄柵，能夠用四秒到十六秒的周期持續振動，而位於下方的湍流邊界層的長度和橫截面都可以滿足一比一百的實驗要求。日本九州的一所大學開發的多通道風洞能夠仿真出與自然風湍流基本相同的風速時程，即使在風速突變點也能和目標曲線匹配的相當好。多通道風洞主動控制系統設計複雜並且研製成本比較高，振動翼柵雖然研製費用較低，但是只能模擬有限的風速工況，所以這些因素都限制了湍流模擬風洞的普及套用。

分類

現在全球比較著名的大體積湍流風洞有二十多座，主要分布在美國、日本和歐洲一些已開發國家，如圖所示。二十多年過去了，大體積湍流風洞在土木防災學上的發展經歷了從被動模擬技術到主動模擬技術的轉變，使得風洞系統可以更好的模擬各種地勢和天氣條件的大氣邊界層湍流場特性。按照風洞控制系統的類型，湍流場模擬風洞主要有兩種類型:主動控制和被動模擬。

大氣邊界層湍流風洞被動模擬技術

湍流場的被動模擬不需要額外注入機械能，通過湍流場中的障礙物的尾流形狀來分離流場，通過特殊的設計來形成湍流以模擬大氣邊界層，現在普遍採用的方式主要有格柵、擋板、尖劈以及粗糙單元等。被動模擬湍流風洞中比較早出現的方式是平板柵格，將不同形狀和間距的隔板以不同的方式組合置於風洞的出口段，這樣就可以形成各種湍流來達到不同的研究目的，湍流的類型和強度隨著隔板放置方式的不同而不同，如圖所示。

被動模擬風洞原理

國內的同濟大學在1996年建成了用於土木工程的邊界層風洞，採用被動模擬的方法模擬湍流場，這個風洞中可以採用的仿真工具有阻擋塊、摩擦單元和尖頂的湍流仿真器。塔的高為127.5cm，在風場中它的外形是一個三角形，底部形成一個橫向的擋板，可以起到擋風的作用。擋板主要用於模擬地勢較高的地貌，可以形成大的湍流度。而其他地貌的湍流模擬不使用擋板。尖頂形的縱向阻擋塊是一個直角梯形，上底長4cm，下底長2_Scm，高120cm。

大氣邊界層湍流風洞主動模擬技術

大氣邊界層主動模擬技術主要有兩種方式，一種是依靠振動機構本身的運動來為風洞的氣流注入隨機脈動能量來實現主動控制，主要有振動翼柵、振動尖塔等;另外一種是變頻調速風扇陣列，依靠風扇的變頻調速運轉來向風洞氣流注入隨機脈動能量，激勵湍流渦旋的形成。如圖所示為一個典型的主動控制模擬系統原理圖，其中運動機構可以為振動格柵、振動尖塔或多風扇風洞等。

典型的主動控制模擬系統框圖

多風扇風洞是日本研製的一種更加完善的大氣邊界層主動模擬技術，其思想來源於Teunissen提出的多射流風洞(Multiple-jet wind tunnel)。Teunissen的多射流風洞由8X8個內徑為6.2mm的射流管陣列組成，射流速度分別由閥門來控制。多射流風洞成功實現了湍流度大雨10%的湍流邊界層流場的模擬，與傳統被動方法相比，多射流風洞在模擬大尺度湍流方面具有明顯優勢。