大學生物理實驗報告

　　篇一：風洞試驗綜合

一. 風洞試驗簡述：

實驗空氣動力學是空氣動力學的一個分支，是用實驗方法研究飛行器及其它物體在與空氣或其它氣體作相對運動時的氣動特性、運動規律和各種複雜物理現象。由於是直接研究物體與真實氣流間的相互作用，所得數據可以用作工程設計的依據，驗證理論計算結果並能揭示新的流動現象，爲理論分析提供物理模型。

實驗空氣動力學作爲一門分支學科是20世紀40年代形成的。它的形成同飛行器高速發展，要求迅速獲得大量複雜、精確、可靠的設計數據有關。它的主要內容除空氣動力學基礎理論外，還包括實驗理論、實驗方法和實驗設備的知識。

實驗空氣動力學的主要任務是利用風洞進行模型實驗，以發現和確認流動現象、探索和揭示流動機理、尋求和了解流動規律，併爲飛行器提供優良氣動佈局和空氣動力特性數據，風洞實驗所依據的基本理論是相對運動原理和相似理論。

相對運動原理：無論是固體以某一均勻速度在靜止的流體中運動，還是流體以相同速度流經固體，兩者之間的相互作用力恆等。

相似理論：論述物理現象相似的條件和相似現象的性質的學說。是模擬的理論基礎。相似理論的重要課題是確定各種物理現象的相似準數。

風洞是進行空氣動力學實驗的一種主要設備，幾乎絕大多數的空氣動力學實驗都在各種類型的風洞中進行。風洞的工作原理是使用動力裝置在一個專門設計的管道內驅動一股可控氣流，使其流過安置在實驗段的靜止模型，模擬實物在靜止空氣中的運動。測量作用在模型上的空氣動力，觀測模型表面及周圍的流動現象。根據相似理論將實驗結果整理成可用於實物的相似準數。實驗段是風洞的中心部件，實驗段流場應模擬真實流場，其氣流品質如均勻度、穩定度（指參數隨時間變化的情況）、湍流度等，應達到一定指標。

風洞實驗的主要優點是：

① 實驗條件（包括氣流狀態和模型狀態兩方面）易於控制。

② 流動參數可各自獨立變化。

③ 模型靜止，測量方便而且容易準確。

④ 一般不受大氣環境變化的影響 。

⑤ 與其他空氣動力學實驗手段相比，價廉、可靠等。

缺點是難以滿足全部相似準數相等，存在洞壁和模型支架干擾等，但可通過數據修正方法部分或大部分克服。

風洞實驗的主要常規試驗有測力試驗、測壓試驗和流態觀測試驗等。測力和測壓試驗是測定作用於模型或模型部件（如飛行器模型中的一個機翼等）的氣動力及表面壓強分佈，多用於爲飛行器設計提供氣動特性數據。流態觀測試驗廣泛用於研究流動的基本現象和機理。

二. 實驗內容：

1. 根據風洞實驗段尺寸和實驗項目要求完成實驗模型的結構和模型支撐結構的設計。

2. 編寫模型測力和流動顯示實驗大綱（或實驗任務書）。

3. 固定風速，改變模型姿態（例如，改變模型迎角）測量不同姿態下的模型氣動力；對模型做重複性試驗。

4. 對測力模型做流動顯示實驗（分別做模型煙流顯示實驗和油流顯示實驗）

三. 實驗儀器及設備：

D1低速風洞主要組成部分爲實驗段、擴壓段、拐角和導流片、穩定段、收縮段以及動力段。實驗段截面爲橢圓面，其入口長軸爲102cm，短軸爲76cm，出口處長軸爲107cm，短軸爲81cm；實驗段全長1.45m；實驗段的最大流速爲50m/s；紊流度爲0.3%；實驗段模型安裝區內，速壓不均勻度3%。其上游收縮段的收縮比爲8.4。D1低速風洞採用可控硅控制無級調速；配置有尾撐式—機構及內式六分量應變天平。由信號放大器（GDA—10），A/D模數轉換數據採集板和計算機構成測力天平信號數據採集系統。

實驗原理：

當物體以某一速度在靜止的空氣中運動時，氣流對物體的作用與同一速度的氣流流過靜止物體時的作用完全相同。風洞就是一種產生人工氣流，對固定於風洞試驗段的模型產生氣動力作用的管道設備。

六分量應變天平：是一種專用的測力傳感器。用於測量作用在模型上的空氣動力的大小。該天平能測量升力、阻力、側力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉力矩。它由應變片、彈性元件、天平體和一些附件組成。應變天平是一種將機械量轉變爲電量輸出的專用設備。它是運用位移測量原理，利用天平的變形來測量外力大小。將應變片貼在天平彈性元件上，彈性元件上的應變與外力大小成比例，應變片連接組成測量電橋，接入測量線路中，即可測出力的大小。應變天平在測量過程中的參量變化過程如下：

PRUV

其中：

P—天平彈性元件上承受的氣動力。

—在氣動力P的作用下彈性元件上的應變。

R—貼在彈性元件上的應變片在彈性元件產生應變的情況下產生的電阻增量。

U—由應變片產生的電阻增量R而引起的測量電橋產生的輸出電壓增量（mV）。

V—檢測儀器所指示的讀數增量（V）。

右下圖爲一六分量應變天平測量電橋示意圖。圖中標有號碼處爲粘貼有電阻應變片的天平元件。例如號碼1、2、3、4爲天平升力元件的四個電阻阻值相等的應變片，它們構成了一個全橋電路。當天平升力元件

受載後，在電橋AC端將會有電壓信號U輸出，

該信號U將被引入信號放大器。

信號放大器（GDA—10）：其功用是將來自於天平

各分量電橋的微小電壓輸出放大到能被計算機接

受的電壓值。

A/D模數轉換數據採集板：由於計算機只能處理數

字信號，而天平各分量的輸出信號是模擬信號，因

此須先用A/D模數轉換數據採集板將天平輸出的模擬信號轉換成數字信號，方能由計算機對採集的信號數據進行處理。

計算機：通過已有程序軟件對試驗模型的測力進行過程控制、數據採集和後處理。 模型煙線流動顯示、表面油流顯示原理參見附錄1、2。

四. 實驗步驟：

1） 將實驗模型安裝於測力天平上。對試驗模型做水平或垂直調整。將模型的

攻角、側滑角分別調整爲0角。

2） 檢查各有關設備之間的連線是否連接正確。

3） 打開計算機，然後是放大器及天平電源。

4） 通過計算機測力系統軟件檢測天平各分量的信號輸出值是否正常。通常未

　　篇二：風洞試驗研究綜述

摘要：本文介紹了大氣邊界層風洞的發展過程和模擬方法。大氣邊界層的模擬方法主要有主動模擬方法和被動模擬方法，前者包括多風扇風洞技術與振動尖塔技術，後者採用尖劈、粗糙元、擋板、格柵等裝置進行模擬。被動模擬技術較爲經濟、簡便，所以得到了廣泛採用。

關鍵詞：風洞；大氣邊界層；主動模擬；被動模擬.

Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layerin Wind

Tunnels

xude

Abstract：In this paper ,the simulation of atmospheric boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the methods of atmospheric boundary layer simulation contain activesimulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiplefans wind tunnel technology and vibratile spire

technology. The equipments of thepassive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. Thepassive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used.

Key words：wind tunnel; atmospheric boundary layer; active simulation; passivesimulation.

一、引言

1940年，美國塔科馬懸索橋由於風致振動而破壞的風毀事故,首次使科學家和工程師們認識到了風的動力作用的巨大威力[1]。在此之前， 1879年發生了蘇格蘭泰橋的風毀事故已經使工程師們認識到風的靜力作用。塔科馬橋的風毀開始了土木工程界考慮橋樑風致振動的新時期，並以此爲起點, 發展成爲了現代結構風工程學。

結構風工程研究方法可分爲現場測試、風洞試驗和理論計算三種。

現場測試方法是一種有效的驗證理論計算和風洞試驗方法和結構的手段；然而，現場測試需要花費巨大，試驗環境條件很難人爲控制和改變。與現場測試方法相比，風洞試驗兼具直觀性和節約的優點，同時可以上人爲地控制、調節和重複一些試驗條件，是一種很好的研究結構風工程現象的變參數影響和機理的手段。近些年來隨着流體力學和計算機技術的發展，計算流體動力學逐漸成爲風工程研究中越來越重要的工具。然而，由於風工程問題的複雜性，要深入瞭解由於空氣流動所引起的許多複雜作用，風洞試驗仍然是起着非常重要的作用。

在整個50 年代和60 年代初，建築物和橋樑風洞試驗都是在爲研究飛行器空氣動力學性能而建的“航空風洞”的均勻流場中進行，而試驗結果往往被發現與實地觀測結果不一致，原因顯然在於風洞中的均勻氣流與實際自然風的紊流之間所存在明顯差別。1950 年代末，丹麥的傑森對風洞模擬相似率問題作了重要的闡述，認爲必須模擬大氣邊界層氣流的特性。

1965 年，加拿大西安大略大學建成了世界上第一個大氣邊界層風洞，即具有較長試驗段、能夠模擬大氣邊界層內自然風的一些重要紊流特性的風洞。緊接着，在美國的科羅拉多州立大學，舍馬克教授也負責建造了一個大氣邊界層風洞，並首次用被動模擬方法對大氣邊界層的風特性進行了模擬，使結構抗風試驗進入了精細化的新階段，世界各地也隨之陸續建成了許多不同尺寸的邊界層風洞，從而大大促進了結構風工程的研究。

在早期的風洞中,大氣邊界層主要研究大氣剪切流場的模擬.而在近期,除注意剪切流場的模擬外,已認識到流場湍流結構特性模擬的重要性,特別對大跨橋樑、高層建築和高聳結構的風載和風振試驗有十分重要的意義.

二、大氣邊界層風洞簡介

2.1風洞試驗的概念

風洞是指一個按一定要求設計的、具有動力裝置的、用於各種氣動力試驗的可控氣流管道系統[2]。雖然實際風洞有多種多樣的形式，以適應不同的研究要求，但是從流動方式來看，總體上可劃分爲兩個基本類型：即閉口迴流式風洞和開口直流式風洞。而從風洞試驗段的構造來看又有封閉式和敞開式之分。

圖1.閉口迴流式風洞

風洞試驗目前是結構抗風研究中最主要的方法。借鑑航空領域的技術和方法，風洞試驗在土木工程結構的抗風研究中發揮了巨大的作用。但相比而言，土木工程結構的模型試驗和航天航空器的模型試驗有很多不同之處。前者外形非常複雜，而後者則相對簡單；前者處在高湍流的近地風場中且風場變化類型多，而和後者相關的流動則是低紊流流動；此外，前者尺度大，因而模型縮尺比例小，導致雷諾數模擬的難度比後者更加突出；前者處在低速流動中，不需要考慮流體的壓縮性，而後者則需考慮流動的壓縮效應，等等。

相對於航空風洞來說，用於土木工程結構的風洞一般都是風速較低的低速風洞，並且通常採用封閉式試驗段。爲了能在風洞中對建築結構所處的大氣邊界層風場進行合理的模擬，其試驗段長度一般較大，因此，也被稱爲邊界層風洞。

早在1894年丹麥人J.O.V. Irminger在風洞中測量建築物模型的表面風壓，然而直到1931年爲了確定帝國大廈的設計風荷載，研究人員利用航空風洞進行了專門的模型風試驗，風洞試驗才成爲研究結構風荷載的重要手段。

1940年美國舊塔科馬海峽大橋發生風振坍塌事故後，人們纔開始逐步研究並認識風對結構的動力作用。1950年，爲了探究塔科馬海峽橋的風毀事故的確切原因，美國華盛頓州立大學的法庫哈森教授通過全橋氣彈模型風洞試驗，成功地重現了塔科瑪海峽大橋的顫振風毀現象，並對對橋樑的風振振動進行了研究，這也是第一次結構氣彈模型試驗。結構風洞試驗開始成爲結構抗風設計和檢驗的重要手段而得到普遍發展，

許多學者把研究機翼顫振的風洞試驗方法引用到了橋樑的

顫振研究，取得了一定的成果。

1950 年代末，丹麥的傑森提出了建築結構風洞試驗必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，在達文波特負責下，加拿大西安大略大學建成了第一個大氣邊界層風洞，即具有較長試驗段、能夠模擬大氣邊界層內自然風的一些重要紊流特性的風洞。隨後，在美國建成了第一個用被動模擬方法對大氣邊界層風特性進行了模擬的結構風洞，使結構抗風試驗進入了精細化的新階段，世界各地也隨之陸續建成了許多不同尺寸的邊界層風洞，從而大大促進了結構風工程的研究。

2.2大氣邊界層的概念

按照大氣運動的動力學性質可以將對流層中的大氣沿垂直方向粗略地分爲上部自由大氣層和下部的大氣行星邊界層。受粗糙地表的摩擦而引起的阻滯作用的影響，大氣邊界層中的氣流在近地表處的速度明顯減慢，並在地表處降爲零。而由於相鄰氣層之間的紊流摻混使得這種地表阻滯或摩擦的影響可擴展到整個大氣邊界層，並在沿高度方向各氣層之間產生剪切應力。嚴格地講，大氣邊界層的高度可達1~1.5km，在此範圍內，風速是隨高度的變化而變化。再往上就是自由大氣層，地表摩擦力對大氣運動的影響可以忽略，氣層之間的剪切應力基本等於零。在自由大氣層中，無加速的空氣相對於地表的水平運動可以通過氣壓梯度力、地轉偏向力和離心力之間的平衡來確定，風向與等壓線保持一致，風速與高度無關。

圖3.對流層結構示意圖 圖4.大氣邊界層中的風速螺旋線

大氣流體動力學中，把氣壓梯度力、地轉偏向力和離心力到達平衡的'、與高度無關的定常風速稱爲梯度風速，常用UG 表示，邊界層高度也因此而常被稱爲梯度風高度。當所關心的區域遠離氣象系統中的低壓或高壓區時，

等壓線的半徑

很大，曲率很小，可近似爲直線，此時可忽略作用在空氣微團的離心力，與高度無關的定常風速由氣壓梯度力和地轉偏向力的平衡條件確定，成爲地轉風速。

在大氣邊界層中，由於粗糙地表產生的摩擦力的影響，風向與等壓線成一定的夾角。隨着高度的增加，地面摩擦效應的影響逐漸降低，這種夾角也越來越小，在梯度風高度處，夾角降爲零，風向與等壓線一致。大氣邊界層內風速風向隨高度的這種變化規律可用如圖5.3所示的螺線來描繪，從地面至邊界層高度頂，風向角的變化約爲20°。由於土木工程結構均建在大氣邊界層中，因此大氣邊界層內的風特性是土木工程結構設計者最爲關心的。

三、大氣邊界層的風特性

風特性研究是風工程的基礎工作。過去, 關於風的資料主要來源於各氣象站約10米高風標上所安裝的旋轉杯式風速儀。這種於1846 年發明的風速儀至今還在使用, 但由於儀器的慣性大, 它所測量的是有一定時距的平均風。近50 年來, 測風儀器有了巨大的進步, 從較靈敏的螺旋槳式風速儀發展到激光、超聲以及微波風速儀, 可用來測量空氣的微小瞬時運動。

經過長期的現場實測，近地風可處理爲平均風速和脈動風速的疊加；平均風速沿高度可用對數律或冪函數來描述，而脈動風的主要特徵是紊流度、脈動風速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。其他風特性參數，例如陣風因子、摩阻速度以及空間相關函數等可以認爲是這些關鍵特性的延拓和補充。在初步掌握這些重要特性的基礎上，給出了這些特徵量的推薦值和推薦公式。

儘管人們在強風分佈及結構響應的實測方面做了很多努力，但是，由於強風分佈特性現場實測的費用大、週期長、難度大，人們對近地風特性的認識還遠不清楚。目前國際上常用的幾種脈動風速功率譜值（Davenport 譜, Kaimal譜和Karman 譜等）在某些重要頻段內相差很大，甚至以倍計。脈動風速相干函數指數的推薦範圍上下限的不同取值可能造成結構響應計算值的成倍差別。颱風的平均風剖面和紊流結構及登陸後的衰減特性如何？此外，人們對特殊地形（包括我國西部地區複雜地形）的強風分佈特性的理解也還甚淺。風參數的不確定性是影響結構抗風設計精度最重要的因素。