摘 要

本次设计目的在于设计实验用压力风洞中的观察段。该风洞主要用于模拟发动机缸内流场分布，并能在此条件下进行喷雾测试。喷雾的光学测试，主要通过试验段体现。与普通低速风洞不同的是该风洞的压强可达4MPa。因此，该试验段设计需要考虑可视与压力的影响。

本文所设计的风洞是试验段内部尺寸为100mm×100mm的回流式低速压力风洞，主要对其内部结构进行设计。设计风洞的试验段部分，该部分包括试验段的整体框架，可视窗压板，高压密封件等。通过各种方案的分析，在满足技术要求的情况下选择最佳方案。

在压力风洞试验段结构设计部分：试验段的基本框架的设计；可视窗材料的选择；高压密封件的设计；风速测量装置的选用；连接件的选择。并用Solidworks建立结构模型。通过理论计算确定试验段框体壁厚、可视窗厚度、压板厚度。通过ANSYS分析仿真各结构的变形量、应力和应变，与该结构的标准要求进行比较，满足要求。设计试验段框体大致为长方体，中间开100mm×100mm方形管道；可视窗材料选择石英玻璃；对高压密封件进行了设计，通过几个方案的比较，在满足强度要求的条件下采用最合理结构；对三种风速测试仪进行比较，从实验条件、精度、成本等各方面综合考虑，最终采用皮托管风速仪；选择连接件，对试验段的各个零件以及可视系统与风洞整体进行连接。最后完成各个部分结构的零件和装配体的设计，在尽量不影响精度的情况下，尽可能采用简单的加工方式，降低加工成本。

本文旨在设计出低速回流式压力风洞的试验段结构。搭建实验平台，模拟发动机内部流场，能够满足科研工作的基本需要。此研究对小型实用型风洞的推广也具有实际意义。

关键词：压力风洞；试验段；可视窗；高压密封；风速测试

Abstract

The purpose of this design is to design the experimental section of the pressure tunnel. The wind tunnel is mainly used to simulate the flow field distribution in the engine cylinder, and can be carried out under the conditions of the spray test. Spray the optical test, mainly through the visual observation section. Different from the ordinary low-speed wind tunnel is the pressure of the wind tunnel up to 4MPa. Therefore, the visual design needs to take into account the visual and pressure effects.

The wind tunnel designed in this paper is a return-type low-speed pressure wind tunnel with a size of 100mm × 100mm in the test section. The structure of the internal structure is mainly designed. Design the high pressure visual system part of the wind tunnel, that is, the wind tunnel test section, which includes the overall frame of the visual system, the window pressure plate, the high pressure seal and so on. Through the analysis of various programs, to meet the technical requirements of the case to choose the best solution.

The design of the basic frame of the visual system; the selection of the window material; the design of the high-pressure seal; the selection of the wind speed measuring device; the choice of the connector. And use Solidworks to build the structural model. The wall thickness, visual window thickness and platen thickness of the visual system are determined by theoretical calculation. Through ANSYS analysis and simulation of the deformation of the structure, stress and strain, and the structure of the standard requirements to meet the requirements. The design of the visual system frame is roughly rectangular, the middle open 100mm × 100mm square pipe; window material selection of quartz glass; the design of high-pressure seals, through several program comparison, to meet the strength requirements of the conditions used the most reasonable Structure; the three kinds of wind speed tester to compare, from the experimental conditions, precision, cost and other aspects of comprehensive consideration, the final use of Pitot tube anemometer; select the connector, the visual system of the various parts and visual system and the wind tunnel as a whole To connect. Finally, the completion of the various parts of the structure of the parts and assembly design, as far as possible without affecting the accuracy of the case, as far as possible the use of simple processing methods to reduce processing costs.

This paper aims to design a low-speed reflow type pressure wind tunnel test section structure. Build the experimental platform to simulate the engine internal flow field, to meet the basic needs of scientific research. This study also has practical significance for the promotion of small practical wind tunnel.

Key words: pressure wind tunnel; test section; visual window; high pressure sealing; wind velocity measurement 

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景以及国内外发展现状 1

1.2 研究目的和意义 2

1.3 研究预期目标 2

第二章 实验原理 4

2.1 风洞的组成 4

2.2 压力容器钢结构强度要求 4

2.3 压力容器可视窗结构强度要求 4

第三章 结构模型 6

3.1 压力风洞试验段总体概括 6

3.2 压力风洞试验段框体结构设计 6

3.3 高压密封件的设计 8

3.4 玻璃的选择与安装 10

3.4.1玻璃材料的选择 10

3.4.2 玻璃安装 10

3.5 压板的结构设计 12

3.6 试验段密封性的研究 12

3.7 连接件的选用 14

3.8 风速测试仪种类的选择及原理 15

3.8.1 风速测试仪的选用 15

3.8.2 皮托管风速仪原理 16

3.9 风速测量装置的选用原则 17

第四章 强度校核 18

4.1 玻璃强度的校核 18

4.1.1 玻璃强度理论计算 18

4.1.2 玻璃强度ANSYS仿真 19

4.2 压板的强度校核 21

4.2.1 压板强度理论计算 21

4.2.2 压板强度ANSYS仿真 21

4.3整体模型的强度校核 23

第五章 结论 25

参考文献 26

致谢 27

第一章 绪论

1.1 研究背景以及国内外发展现状

1871年英国科学家弗兰克H.韦纳姆在格林威治建造了世界上第一座风洞。1914年法国的科学家艾菲尔建造了第一座没有回路的开路式风洞。随着科学技术的不断发展，现代风洞试验设备已经得到了极大的发展与进步，现代风洞的起源是于1916年建成的普朗特风洞^[1]。1925年至1933年，低速风洞向高速风洞和大型风洞两个方向发展。一座12.2m×24.4m的大型风洞于1944年在美国阿姆斯科技研究中心建成，同时由于对新型垂直短距起落飞行器和新型直升机的需要，1982年又重新对该大型风洞做了重要改进，为该风洞增加了一个新的试验段，其尺寸为24.4m×36.6m。直到今天，此大型风洞依旧是世界上尺寸最大的风洞。1956年，美国空军阿诺德工程建成了试验段尺寸为4.88m×4.88m的超声波风洞是当时世界上最大的风洞，该超声波风洞的功率高达161000kW，马赫数范围为1.5~4.75。在超声速风洞出现了之后，科学家们又研发出了跨声速风洞。1947年，世界上第一座跨声速风洞由美国NACA兰利研究中心成功研制，方法是将试验段洞壁开槽。到目前为止世界上已经建成的跨声速风洞大约有30座，其中大部分是1950年之后才建造的。其中最大跨声速风洞的是LRC4.88m风洞和AEDC4.88m风洞，分别位于美国兰利中心和美国空军阿诺德工程发展中心^[2]。1984年美国建成了2.5m×2.5m跨声速风洞，该风洞能获得的最高雷诺数，最高雷诺数可达120×10⁶。到今天为止，世界上已经建成有不同尺寸、不同速度范围、不同类型的风洞数百座。其中美国的风洞约有114座主要为NASA和工业部门所有。苏联的风洞拥有60多座，主要集中分布在中央流体动力研究院、中央机械制造研究所及新西伯利亚航空研究所。英、法、加、德、荷、日等6个国家约有70余座风洞。

1934年，清华大学设计了我国的第一座低速风洞，该低速风洞是在1936年建成的。1958年，我国开始大力发展风洞。21世纪初，我国已有低速风洞13座，跨超声速风洞15座，高超声速和超高速试验风洞16座。目前我国大量风洞设备稳居亚洲第一，例如中国空气动力研究所的双试验段直流式低风洞、引射式跨声速风洞以及激波风洞。同时，我国还建成了一些用于教学、研究的小型低速风洞。国内已经建成的这些风洞为我国先进科学技术的研发，综合国力的增强提供了大量试验数据，为我国航天计划的发展铺平了道路。