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
中图分类号V211 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0099-04
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。
1.3 小型风洞稳定段中的纱网研究
1.3.1 不同条件下纱网对气流均匀性的影响
实验段内的各点要达到速度完全一样是很困难的，这是因为气流毕竟是人为造成的，而且在经过风扇等部件后，都会造成气流速度的不均匀性。我们通常使用变差系数反应气流的均匀性。变差系数以气流速度的标准差与均值之比表示：
式中：cv为变差系数，vi为各个实测点的气流流速实测值，v为平均流速，n为样本数。测定并计算各个风速档下的9个测点的瞬时风速值的算术平均值，用其代表各个风速档下的平均风速，测定并计算得10，12，14，16，18m/s的五个不同进口风速档的平均流速和瞬时风速的变差系数。
1）控制不同疏密程度的纱网
选取五种不同疏密程度的纱网，分别标号1、2、3、4、5。它们的尺寸见表1。
其中，d网丝直径为，l为网眼尺度。
测定并计算得10，12，14，16，18m/s的五个不同进口风速档的平均流速和瞬时风速的变差系数，结果如表2所示。
纵向比较Cv的值可知，随着纱网网丝直径与网眼尺度的比值逐渐增大，即纱网越密，瞬时风速的变差系数就越小，即气流的均匀性越大。
2）控制纱网的层数
综合考虑整流效果与能量损失问题，选取标号为3的纱网进行实验。控制纱网的层数依次为0、1、2、3。每层纱网间距离定为1cm。
测定并计算得10，12，14，16，18m/s的五个不同进口风速档的平均流速和瞬时风速的变差系数，结果如表3所示。
纵向比较Cv的值可知，随纱网层数的增加，即纱网越厚，瞬时风速的变差系数就越小，即气流的均匀性越大。
3）控制每层纱网间距离
综合考虑整流效果与能量损失问题，选取标号为3的两层纱网进行实验。控制两层纱网间的距离依次为0.0，0.5，1.0，1.5，2.0。
测定并计算得10，12，14，16，18m/s的五个不同进口风速档的平均流速和瞬时风速的变差系数，结果如表4所示：
纱网间距离进口风速
纵向比较Cv的值可知，随两层纱网间距离的增加，瞬时风速的变差系数越小，即气流的均匀性越大。
由表2、表3、表4，纵向比较Cv的值可知，纱网越密、越厚、多层纱网间的距离越大，瞬时风速的变差系数就越小，即气流的均匀性越大。
由表2、表3、表4，横向比较Cv的值可知，同种纱网，随着进口风速的增加，瞬时风速的变差系数有减小的趋势，即气流的均匀性有增大的趋势。
1.3.2 不同条件下纱网对截面气流稳定性的影响
可用风速的相对波动来表示气流的稳定性，定义相对波动量为：
其中v为瞬时速度，v"为10s内的时均速度。定义为10s内相对波动量的最大值。在选定的10s内，测定中间测点的10个瞬时风速值，并计算出瞬时风速值的算术平均值，用其表示上式中的时均速度。再将10个瞬时风速值依次代入上式中，计算得到。
纱网越密、越厚、多层纱网间的距离越大，相对波动量的最大值就越小，即气流的稳定性越大。
同种纱网，随着进口风速的增加，相对波动量的最大值有减小的趋势，即气流的均匀性有增大的趋势。
（试验方法同气流均匀性，数据略）
1.3.3 不同条件下纱网对气流能量的影响
气流在通过纱网的时候必然有能量损失。气流在风洞管道内流动的能量可以用以下公式表示：
v1为通过纱网的气体流速，v2为纱网前的气体流速。
（试验方法同气流均匀性，数据略）
随着纱网网丝直径与网眼尺度的比值逐渐增大，即纱网越密，纱网前后气流能量比就越小，即气流的能量损失就越大。随纱网层数的增加，即纱网越厚，纱网前后气流能量比就越小，即气流的能量损失越大。纱网间距对纱网前后气流能量比的影响不大。
2 实验结果分析与讨论
运用多指标法对气流流速的均匀性、稳定性以及气流的能量损失进行综合评价，目的是为了综合选取在设定风速档位下能调节气流均匀性、稳定性以及减少气流的能量损失的最优纱网，完善小型风洞稳定段的设计。
多指标法的计算公式为：
式中：A为综合评价指标，依次为均匀性指标、稳定性指标、和气流能量指标。用瞬时风速的变差系数Cv代表均匀性指标，用相对波动量的最大值代表稳定性指标。在代入上式之前，需要对气流能量指标进行一步齐次化处理。如下式：
其中，为气流能量指标，为纱网前后气流能量比。
经过计算，得出不同纱网在不同进口风速档时气流流速的均匀性、稳定性以及气流的能量的综合指标A。
2.1 不同疏密程度的纱网的综合指标A
由表5，经过纵向比较，纱网C3在各风速下的平均综合评价指标值最小，所以纱网C3为调节气流均匀性、稳定性以及减少气流的能量损失的最优纱网，即纱网C3的疏密程度为本实验中纱网的最优疏密程度。
2.2 不同层数的纱网的综合指标A
由表6，经过纵向比较，三层纱网在各风速下的平均综合评价指标值最小，所以三层纱网为调节气流均匀性、稳定性以及减少气流的能量损失的最优纱网组合。
2.3 不同间距的纱网的综合指标A
纱网间距进口风速 m/s
由表7 ，经过纵向比较，间距为2.0cm的纱网组合在各风速下的平均综合评价指标值最小，所以间距为2.0cm的纱网组合为调节气流均匀性、稳定性以及减少气流的能量损失的最优纱网组合。
3 结论
1）最优纱网疏密程度的确定
对于低速小型风洞，进口风速为10m/s ～18m/s，控制稳定段中纱网的层数为3层 ，纱网间距离为2cm时，纱网关于气流流速的均匀性、稳定性以及气流的能量的综合指标A在纱网的网丝直径d与网眼尺度l的比值为0.37时达到最小值，即该纱网的综合性能最优。
2）最优纱网层数的确定
对于低速小型风洞，进口风速为10m/s ～18m/s，选定网丝直径d与网眼尺度l的比值为0.37的纱网，每层纱网间距为2cm时，纱网组合关于气流流速的均匀性、稳定性以及气流的能量的综合指标A随着纱网层数的增加而不断减小。在本实验范围内，三层纱网组合的综合指标最小，即该纱网组合的综合性能最优。
3）最优纱网间距的确定
对于低速小型风洞，进口风速为10m/s ～18m/s，选定网丝直径d与网眼尺度l的比值为0.37的纱网，纱网的层数为3层时，纱网组合关于气流流速的均匀性、稳定性以及气流的能量的综合指标A随着纱网间距离的增加而不断减小。在本实验范围内，纱网间距为2cm时的纱网组合综合指标最小，即该纱网组合的综合性能最优。
4）最优纱网组合的确定
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。
研究存在的不足或局限性：
鉴于实验条件有限，在研究中使用的传感器体积较大且精度不够高，一定程度上影响了实验测量的精确性，导致在真正实验时所得风速与使用Fluent软件存在5%的误差
由于技术条件有限，在小型风洞的制作过程中，未能实现将洞体的截面制作成圆形或椭圆形的形状，增加了洞壁干扰对实验结果的影响。
由于材料本身，即有机玻璃板，的在激光加工过程产生的变形，导致洞体本身的边缘效应不可控，使的实验结果中增加湍流的可能。
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