【流体力学微教材】典型航空气动声学风洞

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风流知音【流体力学微教材】典型空气动力学风洞 CFDJC(2017)1005

典型空气动力学风洞

刘沛清

北京航空航天大学

前言

刘沛清，人称沛公，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流动显示委员会副主任委员，全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。

风洞（wind tunnel）设备是试验空气动力学和飞行器研制最广泛使用的一种管道型的装置。其是通过一种管状设备，可人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可测量气流对物体的运动与作用力。风洞设备是几乎所有飞机和导弹在研制过程中都需要经过试验的设备，而且随着航空和航天技术的发展，对风洞试验的要求也越来越高。随着计算机和数值计算技术的不断提高，风洞的测量技术和精度也在大幅度提高，同时风洞试验模拟的现象愈来愈复杂，研制新款飞机所需要的风洞试验时间，几乎是按指数规律随年代增长的。

刘沛清教授

1、北京航空航天大学D5气动声学风洞

北京航空航天大学陆士嘉实验室（如图1所示和图2所示）于2013年在沙河新校区建成的1米×1米低速回流风洞（如图3所示），是一座低湍流度低噪声风洞（简称D5气动声学风洞），不仅可以进行飞行器气动布局预研、定常和非定常实验、流体力学或空气动力学的基础性研究，也可以进行飞行器部件气动噪声机理和降噪措施研究。D5风洞拥有良好的流场品质和低背景噪声水平，其气动噪声指标满足设计要求。D5气动声学风洞（如图4所示）是由试验段、扩散段、拐角段、动力段、稳定段等多个部分组成。试验段截面为正方形，截面宽度1.0m，高度1.0m，试验段长度2.5m，试验段采用开、闭口两用，包围试验段的是一个7m×6m×6m的全消声室，当风洞以开口形式运行时，是一个典型的气动声学风洞。D5风洞既能进行常规的气动试验，也能完成声学试验。试验段速度10～100m/s，湍流度0.08%。

图1 北航沙河校区陆士嘉实验室

图2 北航陆士嘉实验室揭幕仪式留念

图3 D5气动声学风洞

图4 D5气动声学风洞总体结构

航空声学风洞除了流场品质的要求高外，还有声场品质，包括低的背景噪声和无反射的自由场条件以及足够的空间尺寸以满足远场声测量。D5风洞通过在洞壁铺设声衬材料和动力段微穿孔板消声器来降低风洞背景噪声水平，通过在试验段外建设消声室达到无反射条件和远场声测量。风洞试验段的背景噪声通常分为两部分：一是由风洞中轴流风扇在运转过程中产生的旋转噪声和涡流噪声，简称为风扇气流噪声；二是气流在风洞中流动时与壁面摩擦引起的再生噪声。背景噪声中既有宽频的噪声，也有离散噪声。因此需要采取必要的降噪措施，对风洞回路及回路中的部件做声学处理，以达到降低背景噪声的目标。通过大量研究，D5风洞采用了洞壁声衬和动力段微穿孔板消声器相结合的消声方案。在风扇动力段采用微穿孔板消声器（厚度300mm），以消除风扇发出的低中频离散噪声。风洞洞壁声衬处理（厚度150mm，超细玻璃丝棉密度34kg/m³）以消除中高频宽带噪声。

D5风洞的背景噪声测量，是在开口试验段运行时在消声室中测量的。测量位置位于气流场外，距离风洞中心轴线1.5倍风洞直径（即1.5m）处，距离喷口下游1m，与风洞中心轴线齐平。试验中，测量了风洞试验段速度为20m/s～80m/s下背景噪声值，并与国外其它声学风洞的总声压级进行了对比。通过分析可得：在无风情况下，消声室内声压级为23.7dB；在80m/s的时候，消声室内总声压级为87dBA，其8000Hz对应的声压级为67.7dBA，满足设计要求。同时，D5风洞声学特性达到韩国现代汽车声学风洞的背景噪声水平（如图5所示），可以进行部件气动声学试验（如图6和图7所示）。

图5 国际上不同气动声学背景噪声对比

图6 D5气动声学风洞起落架噪声试验

图7 D5风洞超临界机翼气动噪声试验

2、日本高铁低噪声风洞

RTRI大尺度低噪声风洞是日本铁道技术研究院于1994年开始设计、1996年建成投产（如图8所示）。该风洞是一座单回流式开闭两用的低湍流度、低噪声风洞，用于铁路高速列车空气动力学及气动声学试验（如图9所示），其开口试验段截面尺寸为8m×3.0m×2.5m、闭口试验段截面尺寸为20m×5m×3m，对应的试验段最大风速111m/s和83m/s，试验段湍流度0.2%，在83m/s（300km/h）下试验段背景噪声75dBA。风洞由风洞洞体、测控系统、动力系统、模型支撑系统和升降系统等组成，动力段轴流风扇直径5m，设计转速550rpm，最大功率7000KW。消声大厅，长22m、宽20m、高13m。

图8 RTRI大尺度低噪声风洞布置

图9 RTRI大尺度低噪声风洞试验段

3、DNW风洞（气动声学风洞）

DNW-- LLF是德国-荷兰1980年共同投资建造的（如图10所示），该风洞具有三个闭口试验段，其是欧洲最大的低湍流度、低噪声风洞，用于飞机、直升机和非航空项目的空气动力学及航空声学试验，也是世界上为数不多的具备航空声学试验研究能力的风洞之一，它有3个可互换的试验段，试验段截面尺寸分别为：9.5m×9.5m、8m×6m、6m×6m，对应的试验段最大风速62m/s、116m/s和152m/s；还有一个开口试验段（如图11所示），口径为8m×6m，最大风速为80m/s，试验段场外噪声指标78dBA。这四个试验段可相互更换使用，在一项试验完成后可快速切换到另一项试验。风洞由风洞洞体、测控系统、动力系统、模型支撑系统和升降系统等组成。利用这座大型气动声学8×6m风洞，空客公司完成了A320、A340、A380等大型客机的航空气动声学风洞试验。由于DNW LLF风洞具有优良的气动声学试验能力，也吸引了美国在内的许多客户，我国ARJ21、C919等机型的航空气动声学试验也在该风洞中进行。

图10 德国-荷兰DNW-LLF气动声学风洞

图11 德国-荷兰DNW-LLF气动声学风洞试验段

4、FL-17气动声学风洞

中国空气动力研究与发展中心，2013年建成并投入使用的5.5m（宽）x 4m（高）航空声学风洞（FL-17，如图12所示）是一座开/闭口试验段两用的低湍流度低噪声回流式低速风洞，是我国首座大型航空声学风洞。该风洞试验段尺寸5.5m×4m，试验段风速10～100m/s，湍流度0.05%。在试验段风速80m/s下，开口试验段场外总声压级75.6dBA。该风洞配备了多功能支撑平台、模型腹撑/尾撑支撑装置、声学测量系统、静态压力测量系统、测力天平等设备，主要承担气动声学试验和气动力试验。

图12 FL-17气动声学风洞试验段

5、全尺寸风洞

迄今世界上最大的低速风洞位于美国国家航空和航天局(NASA)埃姆斯(Ames)研究中心，试验段尺寸为24.4m（宽）×12.2m（高）的全尺寸低速风洞（可以完成全尺寸飞行雷诺数风洞试验）。这个风洞建成后又增加了一个36.6m（宽）×24.4m（高）的新试验段，风扇电机功率也由原来25兆瓦提高到100兆瓦（如图13～图14所示）。

图13 在全尺寸风洞中进行的B777客机缩比半模气动噪声试验

图14 全尺寸风洞外景与进口

6、中国大型气动声学汽车风洞

我国同济大学以科技创新和新能源汽车开发为指导思想，以创新科研机制和组织架构为特色，2009年建成投产一座航空气动声学汽车风洞。声学风洞的试验段截面6.35m×4.2m，最大风速69.4m/s，在风速44.4m/s下试验段场外噪声指标61dBA。此“风洞”不仅可以为汽车做整车测试，而且可以进行高速列车的模拟试验，技术属于国际一流水平，目前世界上有10余座这样大小的汽车声学风洞，同济大学的风洞就属于其中之一，此风洞建成为中国自主汽车品牌的创立奠定了基础（如图15～图16）。作为公共性汽车和轨道车辆的关键技术平台，汽车风洞将为我国汽车和轨道车辆工业，特别是为新能源汽车的自主研发提供重要的基础***，也将为我国汽车工业从“中国制造”迈向“中国创造”提供重要的技术支撑。试验段，设有五带移动地面系统和六分量测试天平，将成为国际上同等大小汽车风洞中最安静的风洞。风洞中心能够进行包括轿车、客车、SUV、卡车在内的各类汽车整车和零部件、轨道车辆模型等系列试验。