风洞如何“循环用风”？——揭秘回流式风洞的气动设计

回流低速风洞是一种能人工产生和控制气流来模拟飞行器或物体周围气体的流动，以达到研究气体流动及其与物体的相互作用，并且气流在风洞内循环流动的风洞。它是低速风洞的一种类型，“低速”一般是指风速低于约 0.3 倍声速（马赫数 Ma＜0.3）的流动，此时空气可近似看作不可压缩流体；“回流”则是指气流在风洞中形成封闭的循环回路，不断重复使用。其结构包括实验段、稳定段、收缩段、扩散段和回流段，通过调节驱动系统实现风速控制‌。

风洞：一种管道状的实验设备，通过人造且可控的气流，来模拟物体在空气中运动时所受到的空气动力作用。简单说，就是“让空气跑，让模型静”，以便于进行精确测量。

低速：指风洞实验段的气流速度较低，通常以马赫数（Ma）小于0.3（约100米/秒以下）为界。在这个速度范围内，空气可以被视为不可压缩流体，密度变化可以忽略不计。这是研究汽车、建筑、桥梁、体育运动、大多数飞机起飞降落状态等最常用的风洞类型。

回流：指气流的循环路径是封闭的、循环的。气流从实验段流出后，不会直接排放到大气中，而是通过一个回路再被引导回风扇的入口，重新加速使用。

工作原理

空气经风机驱动，从风洞的稳定段开始，依次经过收缩段、试验段、扩散段，然后通过回流道回到稳定段，形成一个封闭的循环。在试验段，放置需要测试的模型，通过精确控制气流的速度、方向等参数，模拟不同的飞行或流动工况，研究人员可以观察和测量模型与气流之间的相互作用，如模型的受力、压力分布、流场结构等。

核心结构

1. 动力系统

功能：风洞的“心脏”，为空气流动提供能量，克服整个回路中的流动阻力。

位置：通常安装在扩散段之后，由一个或多个大功率风扇组成，由电机驱动。风扇叶片的角度可以调节，以精确控制风速。

2. 稳定段与收缩段

功能：这是气流到达实验段前的“梳妆台”。

稳定段：内部装有蜂窝器和阻尼网。蜂窝器（通常为六边形管道）将大尺度的涡旋打碎，矫正气流方向；阻尼网则进一步减小湍流度，使气流更加均匀平稳。

收缩段：一个横截面积逐渐减小的流线型管道。根据伯努利原理，气流在这里被加速，同时湍流度会被进一步降低，最终形成一股均匀、平行、低湍流的优质气流送入实验段。

3. 实验段

功能：风洞的“舞台”，所有实验模型都放置在这里进行测试。这是风洞最核心的部分。

类型：

开口式：实验段向周围环境开放。优点是便于安装模型和观察，缺点是气流边界不受约束，能量损失较大。

闭口式：实验段由固体壁面封闭。优点是气流品质高，能量效率高，缺点是模型尺寸受限制，安装不如开口式方便。

设备：内部装有各种测量仪器，如天平（测量力与力矩）、压力传感器、烟流发生器或粒子图像测速仪 (PIV) 等用于流场可视化。

4. 扩散段

功能：位于实验段之后，是一个横截面积逐渐增大的管道。根据伯努利原理，气流在这里速度降低，压力升高。这个“增压”过程可以有效地回收气流的动能，将其转换为压力能，从而显著降低风洞运行所需的动力，提高能源效率。

5. 拐角与导流片

功能：在回流通道的四个拐角处，气流需要转向90度。如果没有导流片，会在拐角处产生巨大的涡旋和能量损失。导流片是一系列弯曲的翼型叶片，它们能引导气流平顺地转弯，极大减少压损和湍流。

6. 冷却系统

功能：由于风扇持续对空气做功，空气的温度会不断升高（能量守恒）。冷却系统（通常是热交换器）用于将这部分热量带走，维持气流温度恒定，确保实验条件的一致性。

优点与缺点

优点：

▪高能量效率：得益于扩散段和导流片，回流式风洞的能量损失远小于直流式风洞（空气从大气吸入，实验后直接排出），运行成本更低。

▪气流品质高：稳定的回流循环和精心设计的稳定段，能产生湍流度极低、非常均匀平稳的气流。

▪环境可控：气流温度、湿度等参数可以被控制，避免了外界天气变化对实验结果的干扰。

▪安全环保：可以用于进行烟雾、油雾等可视化实验，而不必担心污染物排放到外界。

缺点：

▪建造复杂，成本高：结构比直流式风洞复杂得多，需要更多的空间和建筑材料。

▪边界效应（对于闭口实验段）：模型尺寸受到实验段壁面的限制，壁面本身会对流场产生干扰（称为“阻塞效应”），需要通过理论进行修正。

结构特点：

▪闭口回流式：气流在封闭的管道内循环，不受外界干扰。

▪试验段：通常有多个试验段，尺寸和流速范围可以根据需求定制。

▪流场品质：流速稳定性高，流速均匀性好，气流偏角小，紊流度低。

▪结构紧凑：气流路径呈环形或矩形回路，整体布局较为紧凑，适合空间有限的实验室环境。

▪气流效率高：由于气流在系统内循环使用，能量损失较小，相比直流式风洞更节能，运行成本较低。

▪低速范围适用：一般用于马赫数低于0.3的低速流动实验，如汽车、建筑、无人机、机翼模型等的气动力测试。

▪噪音相对较低：由于气流在封闭系统中循环，且可通过消声设计降低噪音，适合在教学或办公环境中使用。

具体参数（以某型号为例）：

▪试验段尺寸：500mm × 500mm × 1500mm（可定制）。

▪流速范围：0.1~30 m/s（可定制）。

▪流速稳定性：≤0.5%。

▪流速均匀性：≤1%。

▪气流偏角：≤1°。

▪紊流度：±0.5%。

▪电机功率：25kW。

▪噪声：<80dB。

回流低速风洞的方案设计与建设步骤

一、项目规划与需求分析

1. 明确使用目标

•测试对象：如机翼、汽车模型、建筑模型等。

•测试参数：风速范围（如 10–50 m/s）、雷诺数范围、湍流度要求（通常 < 0.5%）。

•试验段尺寸：根据模型尺寸确定（如 1m × 1m × 2m）。

•用途：教学、科研、工业测试？是否需要力测量、PIV、压力扫描等设备？

2. 确定风洞类型

•回流式（闭口循环） vs 直流式（开口）

•回流式更节能、流场稳定，适合长期运行。

•本方案以回流低速风洞为主。

二、总体方案设计

1. 风洞布局设计（典型四拐角回流式）

试验段 → 扩散段 → 拐角1 → 稳定段（蜂窝器+阻尼网）→ 收缩段 → 风扇段

↑ ↓

拐角4 ← 扩压段 ← 拐角3 ← 热交换段（可选）← 拐角2 ← 风扇电机

2. 关键参数设计

•试验段风速：10–60 m/s（低速范围）

•收缩比：通常 6:1 到 10:1，用于加速并整流

•湍流度：< 0.3%（高质量风洞）

•马赫数：< 0.3（不可压缩流假设成立）

•雷诺数模拟：尽量接近实际工况（可通过增压或变密度设计提升）

三、分系统详细设计

1. 试验段

•透明或金属结构（亚克力/铝合金）。

•可设计为开口或闭口。

•配备模型支架接口、观察窗、压力测点。

2. 收缩段

•型线设计：采用多项式或指数曲线（如 3 次样条），避免流动分离。

•收缩比：6:1～10:1。

•材料：玻璃钢、铝合金或复合材料。

3. 稳定段

•包含：

•蜂窝器：消除大尺度涡，孔径约 3–5 mm。

•阻尼网：2–3 层，开孔率约 70–80%，降低湍流。

•长度应足够（一般 ≥ 1m）以充分整流。

4. 风扇系统

•类型：轴流或对旋风扇。

•功率计算：根据风速、阻力、效率估算（通常几十到几百千瓦）。

•调速：变频电机，实现风速无级调节。

•安装位置：通常位于风洞一侧或底部。

5. 拐角导流片

•4 个 90° 拐角，每个安装导流叶片（NACA 翼型或圆弧形）。

•减少二次流和流动分离。

•数量：每拐角 10–20 片，间距均匀。

6. 扩散段与扩压段

•扩散角 < 7°，防止气流分离。

•用于回收动能，提高效率。

7. 回流管道

•光滑内壁（抛光或喷涂），减少摩擦损失。

•截面形状：矩形或圆形，根据布局优化。

8. 辅助系统

•热交换系统：长时间运行时冷却空气（可选）。

•消声设计：吸声材料、消声器降低噪音。

•气流调节板：调节风速分布均匀性。

四、建设实施步骤

阶段 1：初步设计与仿真

•使用 CAD 软件建模。

•CFD 模拟验证流场均匀性、速度分布、压力损失。

•优化收缩段型线、导流片布局等。

阶段 2：详细工程设计

•出具全套施工图（结构、电气、控制）。

•选型采购：风扇、电机、钢材、亚克力、阻尼网、传感器等。

•控制系统设计：PLC 或工控机 + LabVIEW，实现风速控制、数据采集。

阶段 3：加工与制造

•委托机械加工厂制作金属部件（框架、导流片、管道）。

•试验段透明部分定制（如亚克力板粘接）。

•风扇与电机组装调试。

阶段 4：现场安装

•基础施工：地基加固，确保结构稳定。

•分段吊装、焊接或螺栓连接。

•安装蜂窝器、阻尼网、导流片。

•布设电气线路、传感器线缆。

阶段 5：调试与标定

•空载运行：检查振动、噪音、电机温升。

•流场标定：

•使用皮托管、热线风速仪测量试验段速度分布。

•调整导流片或阻尼网层数以优化均匀性。

•测量湍流度、边界层厚度。

•控制系统联调：实现风速设定、自动稳压、紧急停机。

阶段 6：验收与使用

•编写操作规程与安全手册。

•开展模型测试验证（如标准模型：NACA0012 翼型）。

•形成技术文档归档。

五、关键设计要点与注意事项

1. 能量损失最小化：优化拐角设计、减少突变截面。

2. 流场均匀性：收缩比、蜂窝器长度、阻尼网匹配设计。

3. 结构强度：风洞壳体需承受内外压差，防止变形。

4. 安全防护：风扇加装防护罩，设置紧急制动。

5. 可维护性：设计检修口、可拆卸面板。

六、典型参考参数（以教学风洞为例）

•试验段尺寸：0.6 m × 0.6 m × 1.2 m

•最大风速：40 m/s

•收缩比：7.2:1

•风扇功率：30 kW

•湍流度：< 0.4%

•噪音水平：< 85 dB(A)

•总长度：约 12–15 米（四拐角）

七、成本与周期估算（参考）

•设计周期：3–6 个月

•建设周期：6–12 个月

•成本范围：

•小型教学风洞：100–300 万元人民币

•中型科研风洞：500–1500 万元人民币

应用领域：

- 航空：研究飞行器的气动性能、外型设计、气动干扰等问题。

- 建筑：研究单体或群体建筑在风场中的受力状态及其对风载的响应特性。

- 环境：研究大气流动、污染物扩散等环境问题。

- 矿业：矿井通风实验，确保矿井安全生产。

适用场所：

- 实验室：煤矿通风实验室、矿山安全实验室、科研院所、高校等。

- 工业：汽车发动机进排气系统测试、风力机械测试等。

回流式低速风洞在多个领域都有广泛的应用，其稳定性和灵活性使其成为研究低速气流条件下空气动力学特性的理想工具。

回流低速风洞也称闭口回流式低速风洞，是一种常见的风洞类型，广泛应用于空气动力学研究、教学实验以及工业模型测试中。其“回流”指的是气流在风洞内形成一个闭合循环，从试验段流出后，经过导流段、扩散段、风扇、稳定段等部件再次回到试验段，构成一个闭环流动系统。