Measurement and assessment of wind tunnel flow quality

For decades, wind tunnel testing has been conducted in test section environments that have not been adequately or consistently documented. Since wind tunnel flow quality can adversely affect test results, accurate and consistent flow quality measurements are required, along with an understanding of the sources, characteristics, and management of flow turbulence. This paper will review turbulence measurement techniques and data obtained in subsonic, transonic, and supersonic test facilities as they relate to the determination and assessment of wind tunnel flow quality. The principles and practical application of instrumentation used in the measurement and characterization of wind tunnel turbulence will be described. Techniques used for the identification of the sources of wind tunnel disturbances, and the performance of turbulence suppression devices will be outlined. These test techniques will be illustrated with extensive measurements obtained in a number of test facilities. The measurements will provide comprehensive turbulence data that are vital to the assessment and management of flow quality. Procedures designed to assess the potential influence of adverse flow quality on wind tunnel model test performance will also be discussed.     

扩散角对汽车风洞扩散段流动的影响

传统的汽车风洞设计一般参考现有风洞的设计经验和沿用工程估算方法。扩散段是汽车风洞的主要部件之一,它的设计经验和估算方法通常基于均匀来流。笔者采用v2f湍流模型研究两种非均匀来流工况下,不同扩散角对扩散段流动的影响。模型风洞扩散段出口速度分布的数值模拟结果与试验结果的一致性表明：使用v2f湍流模型能够真实反映扩散段流动特性。与均匀来流相比,非均匀来流大幅度增加扩散段总压损失因数,约增加420%。壁面摩擦损失和流动分离损失的相互作用使风洞扩散段在某一扩散角下存在最小总压损失因数,且扩散段进口速度不均匀度越大,最优扩散角越大。     

大气边界层风洞流场特性的模拟

风洞中大气边界层模拟的准确度是保证风洞试验结果准确度的重要因素。本文采用了一种新型曲边梯形尖塔,并结合粗糙元等被动装置对风洞大气边界层模拟进行了研究,模拟出我国规范中的A、B、C和D类四种地貌并将结果和已有的研究结果进行比较。结果显示：所采用新型结构尖塔可以显著提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度,整个湍流度剖面基本覆盖了西方主要国家规范对此项指标的建议值。文中还调试出平均风速剖面不变而湍流度分布可变的流场,为开展相关的结构抗风研究奠定了基础。     

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。     

Aerodynamic characteristics of unsymmetrical aerofoil at various turbulence intensities

A series of wind tunnel tests were performed to investigate the effect of turbulent inflows on the aerodynamic characteristics of the unsymmetrical airfoil at various turbulence intensities and Reynolds number. To assess the aerodynamic characteristics, surface pressure measurements were made over the unsymmetrical airfoil surface by using a simultaneous pressure scanner MPS4264 of Scanivalve make. Self-generated passive grids made of parallel arrays of round bars were placed at four different locations to generate various Turbulence Intensities (TI) in the wind tunnel. The location of the passive grid has been normalized in terms of considering the distance between the entry of the test section and the leading edge of the model. Based on the wind tunnel results, by comparing the baseline without grid low turbulence case TI = 0.51% with other turbulence generated cases like TI = 4.68%, 4.73%, 6.04% and 8.46% at different Reynolds number, it is found that the coefficient of lift increases with the increase in the turbulence intensity. Results also reveal that the flow featuring turbulence can effectively delay the stall characteristics of an airfoil by attaching the flow over the airfoil for an extended region. Additionally, attempts were made to understand the influence of turbulence on the aerodynamic hysteresis.     

Statistical Analysis of Velocity Measuring Systems Employing the Photon Correlation Technique

Velocities of fluid flows and solid objects can be measured by performing photon count correlations on laser light scattered from the measuring region, the most common optical configuration being the laser Doppler system. A statistical analysis for the counting process is presented for both the constant velocity case and for turbulent fluid flows with formulations for specific laser Doppler configurations. For turbulent flow, relationships are derived for the shape of the count correlation in terms of the mean velocity and rms turbulent intensity, taking into account the shape of the turbulence correlation curve. Experimental results recorded for both a constant velocity solid object and for an unseeded turbulent air flow in a wind tunnel are presented, and, in the latter case, comparisons are made with hot-wire measurements.     

风洞模拟近地面大气边界层

本文通过大气边界层风洞的模拟实验，介绍一种在风洞中模拟近地面大气边界层的方法。根据大风地区的现场实测资料，对大气的风剖面及湍流度等有关参数，提出了一些特殊的要求。常规的模拟方法难以保证与实际风环境的相似，为此专门研制了一种在保证平均风剖面相似的前提下，可使气流产生大湍流度的装置，简称湍流度调节器。通过对模拟边界层的平均风速，湍流度及风速谱的测量分析，证明与实际风区大风环境的风结构相当一致。为解决实     

旋转槽道湍流的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟对雷诺数为194,旋转数从0~5.0的旋转槽道湍流进行数值模拟.采用动态亚格子应力模型模化滤波后的不封闭项,修正二阶矩作用力模型计算压力梯度、哥氏力.对平均速度、均方根脉动速度、雷诺应力以及湍流结构进行了计算.结果显示哥氏力使流场平均速度呈现不对称性:在压力面,随着旋转数的增加,湍流度增强;而在吸力面湍流脉动减弱,具有层流化的趋势.将格子Boltzmann模型与直接数值模拟求解进行对比,结果验证了格子Boltzmann方法在旋转湍流模拟中的可行性.      

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一，平均速度剖面，湍流度剖面，积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性，得到湍流度，积分尺度以及风谱的变化规律，然后在变化基中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下，研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化，从而确定每个因素的独立变化对模型所受风荷的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风载都有很重要的影响，在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑，否则将会引起风荷载实验结果的偏差。     

润扬悬索桥桥址区实测强风特性的对比研究

2005年8月与9月期间,台风"麦莎"和"卡努"分别袭击江苏,润扬悬索桥健康检测系统(WASHMS)记录了经过桥址区的两个强风样本.通过对实测风速风向数据的分析,得到了平均风速和风向、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱密度函数等强风特性.分析结果表明,桥址区实测"卡努"台风的湍流强度比"麦莎"台风的要高,且二者均高于规范建议值;二者水平湍流功率谱密度函数与Kaimal谱均吻合得不太理想,低频段偏低,高频段偏高.最后对实测的脉动风谱离散数据进行了非线性最小二乘法拟合,得到拟合自谱曲线及相应的拟合参数,为该桥的抗风研究提供参考.     

翼型近尾迹流动的PIV研究—运动学特性

利用在线式PIV系统(ParticleImageVelocimetry),在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了实验研究。实验结果表明,在较高的雷诺数下翼型近尾迹流动是一种以旋涡的运动学和动力学特性为主导的湍流剪切流。在测量范围内,翼型的尾缘处是近尾迹涡街的形成区;尾缘后0.5倍弦长的区域存在类似于卡门涡街的有序结构,是旋涡发展区域,旋涡具有较好的稳定性;距翼型尾缘0.5倍弦长至1倍弦长的区域,是翼型近尾迹流动由有序走向无序区域,旋涡开始破裂。翼型表面边界层对翼型近尾迹湍流剪切流的演化有重要影响。实验结果还给出了近尾迹流动的平均速度、湍流强度和剪切应变变化率,以及速度脉动量的二阶关联量u'u',u'v'和v'v' 的分布。      

声学风洞风扇段流场特性数值模拟

风扇段是声学风洞的核心部段之一,风扇气动性能和声学性能对风洞的能耗与试验段背景噪声有重要影响。为了获得静叶构型的优化设计参数,采用数值模拟方法,对0.55m×0.4m低湍流度航空声学风洞风扇段的流场特性进行了研究,根据叶片的流动现象,分析了风扇段内部的工作形态,并将其性能与试验数据进行了对比,结果证明该方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟。采用该方法得到了动静叶间距、静叶后掠、静叶倾斜对风扇气动性能、流场形态和噪声的影响,静叶后掠对气动性能的影响较小,有助于减小出口的旋转速度,增大动静叶间距对气动性能的影响较大,会增大出口的旋转速度,而静叶倾斜是最适宜的降噪方式。     

Evolution of turbulent boundary layer over a three-dimensional bump

A bump is typically used in the inlet system of an aircraft engine to compress the incoming airflow and to reduce boundary layer thickness developed over fuselage. In this work, the turbulent flow over a three-dimensional bump is experimentally studied. The bump model is mounted in a closed return wind tunnel operated at the nominal velocity 10 m/s, corresponding to a friction Reynolds number of 2300. The flow field upstream the bump, along the bump centerline and at two different spanwise plane...     

可压缩流体恒温热线风速仪校准方法

开展了恒温(CT)热线风速仪校准方法的研究,以满足可压缩流体中湍流度测量需求。将对数函数与多元回归技术相结合,建立了恒温热线风速仪校准的数学模型,并进行了风洞湍流度测量试验验证。在马赫数Ma=0.3~0.55范围内进行了校准试验,根据建立的数学模型对试验数据进行拟合,拟合优度R2=0.999 82,平均绝对速度偏差Δu=0.18m/s,基本满足了恒温热线风速仪校准精度要求。对马赫数Ma=0.55条件下流场进行了湍流度测量,速度测量偏差为0.034%,流场湍流度Tu=0.14%。试验结果证明了恒温热线风速仪应用于可压缩流体速度测量的可行性。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

波瓣混合流场流向涡的数值分析

借助N-S方程对波瓣喷管混合装置的流场进行了数值分析。采用三维贴体曲线坐标,非交错网格法和K－ε两方程湍流模型,对波瓣喷管内外两侧的气流通道及波瓣喷管下游的混合段流场统一进行了数值计算。得出了速度场和流向涡及正交涡的分布,并对流向涡的发展规律及其对正交涡分布规律的影响作了分析。并对混合管壁面的压力分布和出口速度型与实验值进行了比较。     

k-ε（RNG）、LES模拟建筑物周围气流特征及湍流扩散的风洞试验验证

采用k-ε（RNG）与LES湍流模型在来流与建筑物迎风侧呈不同角度的情形下,模拟了位于立方体建筑物顶部污染源所排放污染物的流动和扩散规律,并与相应的风洞试验结果进行了比较。流场分析结果表明：数值模拟能够较好地模拟建筑物顶部回流、背风侧空腔区以及再附着点等。浓度场分析结果表明：来流与建筑物成45°时,建筑物顶部回流区与背风侧空腔区的数值模拟结果略低于风洞试验结果;来流与建筑物成90°时,建筑物顶部回流区数值模拟结果略高于风洞试验结果,而背风侧空腔区的数值模拟结果与风洞试验结果基本一致。综合分析表明：建筑物周围的流场影响浓度场的分布,LES、k-ε（RNG）模型都能够较好地模拟建筑物周围的流动和扩散规律,两种模型相比,LES模型与风洞试验吻合得更好。总之,风洞试验和数值模拟相结合能较好地研究建筑物对流动和扩散的影响。     

湍流特性对矩形高层建筑风荷载影响的研究

为研究湍流特性对矩形高层建筑风荷载及周围绕流特性的影响,对4种不同地貌条件下9种深宽比的矩形高层建筑进行了风洞测压试验,考察了湍流度与湍流积分尺度对不同深宽比建筑平均、脉动与极值风压,以及横风向气动力谱和流动分离再附特性的影响规律。结果表明,随湍流度增大,分离流更早再附于侧风面上,郊区地貌下再附点出现位置较开阔地貌提前约30%,且分离流下平均风压减小、极值风压增大(均指绝对值),最不利脉动风压与极值出现位置更靠近前缘;随湍流积分尺度减小,迎风面、背风面与侧风面的平均和极值风压均减小,但湍流积分尺度对分离再附流形态及分离流下的风压分布形状影响不大。相对于深宽比更大的情况,湍流特性对深宽比介于1到2的建筑影响更大。     

压气机转子出口流场的发展及三维紊流特性

用单斜热丝和高频压力探针仔细测量了单级压气机转子出口及下游的三维紊流流场, 揭示转子出口流场的变化, 分析不同流量状态下单级压气机转子出口的三维紊流特性。      

主动来流条件类平板断面气动力荷载效应分析

利用日本宫崎大学11×9多风扇主动控制来流风洞和高精度动态天平测力设备,测量了类平板断面在正弦风波来流条件三分量气动力荷载,比较了不同来流平均风速、波动幅值、脉动频率和积分尺度等参数条件下类平板断面荷载效应。报导并证实了大气边界层物理风洞固定壁面边界反射效应所产生的倍频放大效应;在获得并验证正弦风波加载离散频率荷载效应可线性迭加的有效频段区间内,初步比较了来流积分尺度和风速湍流度效应对于气动荷载效应的影响,阐明典型节段模型风洞试验结果与传统随机抖振气动力理论的差异。