小型鸟类及昆虫飞行气动特性测试风洞设计及流场校测

荣 臻， 叶 耀

（浙江大学航空航天学院，杭州310027）

0 引 言

风洞一直是鸟类及昆虫飞行运动和气动特性的重要测试手段和数据来源，源于风洞人工气流内允许在受控环境中对相对静止的飞行生物进行详细观察，例如开展运动学三维实时测试、动态流场可视化测量等研究，同时还可对已有的理论分析和数值计算结果进行验证；另外在风洞人工气流中改变各种环境条件，诸如淋雨量和照射光强等，开展鸟类及昆虫迁徙飞行过程中新陈代谢的演化特性［1］。目前，新建的风洞还允许人工饲养飞行生物来研究与迁徙飞行相关生物特性，利用基于飞行的功率—速度关系的迁移理论以及飞行距离方程［2-3］，评估风洞中鸟类及昆虫的飞行特性。此外，风洞中还可以开展鸟类及昆虫滑翔和爬升飞行期间的性能，以及大气气压、湿度和湍流对鸟类飞行的影响，包括对持续飞行期间飞行生物的能量消耗、食物消化成分、蛋白质转化、水平衡等进行研究［4］。

在过去将近50 年内，众多生物学和空气动力学实验室建造了各式各样的用于研究鸟类及昆虫飞行的风洞［5］。Pennycuick［6］报道了最早研究生物飞行的风洞。该风洞为下吹式直流风洞，实验段为开放空间，虽然飞行生物方便放置，也有利于开展测量，但风洞气流品质较差。之后，Tucker 等［7］建造了目前常见的吸气式直流风洞，实验段为负压且要密闭，不方便放置飞行生物。1994 年，Pennycuick 等［8］建成一个用于鸟类飞行实验的回流式风洞。风洞气流流速范围0 ～38 m／s，气流轴线可实现-8° ～8°倾斜。Gerson 等［9］建成一座专门用于飞行生物飞行性能研究的回流式风洞，但受限于收缩比较低，气流湍流度较高。近期，Ouinn等［10］也建成一座用于鸟类和微型飞行器空气动力学研究，其独特的特性在于可变湍流度。另外，现有的先进风洞通常会配备多台用于拍摄记录扑翼运动轨迹的高速摄影机和用于测量扑翼绕流空间以及尾流流场速度分布的粒子图像测速（PIV），同时还会采用特殊仪器和测量技术来记录飞行动物的生理和形态特征［11］。

目前，国内尚未有专门开展仿生气动研究的小型风洞的报道，尤其是具有改变来流倾斜角实现飞行生物飞行攻角状态、人工制造淋雨和光强调节等多种功能的风洞。该类风洞可大量开展小型飞行生物或者微型飞行器气动特性研究、绕流空间流场特性、飞行运动学特性等；飞行生物迁徙飞行高度一般在1 km 左右，该飞行高度的气流湍流度相较近地面要低很多，因此风洞要采用低湍流度设计。低湍流度风洞设计不仅要达到有关规范所提出的气流稳定性、均匀性、方向性指标，还必须使实验段湍流度低于0.05%。

本文介绍浙江大学新建成的一座用于小型鸟类及昆虫飞行及气动特性研究的小型低湍流度低速风洞。该风洞采用了大收缩比回流式布局，稳定段设置10 层阻尼网，利用激光多普勒测速仪（LDV）开展流场品质校测，来流15 m／s条件下，实验段中心区湍流度在开口条件下低于0.05%；在模型区75%的横向截面内动压场系数≤0.5%，满足设计指标要求，为开展小型飞行生物迁徙过程中新陈代谢作用的规律及环境影响规律，以及小型飞行生物的高机动高性能气动特性及流动机理提供了研究基础。

1 风洞总体设计及布局

1.1 总体设计指标和要求

小型鸟类及昆虫飞行风洞实验通常是训练或喂食飞行生物在没有物理约束情况下在实验段飞行，无法实现相对静止飞行也可采用悬吊或者支杆辅助支撑，不会像常见风洞中将模型安装在天平上进行测量，同时还要具有：①飞行生物在实验过程中易于放置入实验段；②飞行生物无法实现自动或受控改变飞行攻角，要求气流可改变倾斜角以实现攻角改变。常见的小型鸟类蜂鸟和昆虫蜻蜓，飞行速度一般15 m／s 左右，考虑到风洞场地尺寸限制和低湍流度要求，该风洞实验段设计为0.27 m×0.27 m，风速范围0 ～20 m／s。借鉴已建成的低湍流度静声风洞设计理念和经验，风洞选用了性能良好的蜂窝器、损失系数适当的10 层阻尼网以及优良的大收缩比（14.8）收缩段曲线等先进的低湍流度设计［12］。

1.2 总体结构组成

该风洞为回流式布局，由稳定段（含蜂窝器和10层阻尼网）、收缩段、试验段、第1 扩散段、第1 拐角、第2 扩散段、第2 拐角、过渡段、动力段、第3 扩散段、第3拐角、第4 拐角等部分组成，如图1 所示。选用回流式开／闭口两用结构形式。动力系统包括变频电动机、风扇，测控系统包括测控计算机、数据采集处理系统。测量系统包括激光多普勒测速系统和PIV 流场测量系统。根据实验场地大小，风洞洞体设计总长7.05 m，最大宽度1.36 m，最大高度3.07 m。实验段截面尺寸270 mm×270 mm，长度754 mm。风洞轴线倾斜角变化范围在-8° ～6°。

图1 风洞示意图

1.3 低湍流度设计

由于小型鸟类及昆虫在自然界飞行时翼翅或身体表面的边界层都处于层流状态，因此低湍流度设计指标是该风洞的一个主要特点。

低湍流设计很大程度取决于气流的收缩比，即收缩段上游入口与收缩段下游出口面积；另外稳定段入口的蜂窝器可过滤气流中大脉动漩涡结构，之后气流经过多层阻尼网，还可将漩涡打散成更小的涡流。收缩比越大，稳定段气流速度越低，驱动气流经过阻尼网所需功率会越小；而阻尼网层数布置越多气流会越平滑。一般认为［13］，收缩比为12 或＞12，可以实现实验段速度偏差的均方根（RMS）值低于来流的0.05%，也是湍流度低于0.05%。

2 风洞部件设计

2.1 动力段

风扇系统主要由风扇段管道，风扇，动力机及其支架，预扭导流片及反扭导流片，整流罩等组成。风扇设计的好坏对风洞的效率和性能有决定性的影响。

为了降低噪声并保证效率，实现气流最大风速20 m／s左右，动力段采用大弦长的风扇桨叶，风扇桨叶为6 片，电动机型号为Y100L-2，其最大转速为3 000 r／min，最大使用频率为50 Hz，功率3 kW，风量为10 200 m3／h，风压为510 Pa。

2.2 实验段

实验段有开、闭口两种测试方式，两者的区别为开口式在实验段出口要安装收集器，而闭口式实验段由透明密闭玻璃组成，实验段出口处开有调压缝。开口式实验段方便实验人员对在气流中进行训练的飞行生物进行接触和操作；闭口式实验段两侧开设合叶门，最大气流速度更大，湍流度较小；为避免边界层充分发展而不发生分离，壁面扩散角为0.5°。闭口实验段进行PIV实验测试时，要求闭口段激光入射和相机拍摄的两个面选用光学玻璃，而背景面需选用哑光黑色板面。

2.3 收缩段

收缩段的作用是加速气流，使其达到实验段所需的速度。然而一座风洞要真正达到好的流场品质，收缩段应满足：①气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离；②收缩段出口的气流要求均匀、平直且稳定；③收缩段不宜过长。

在进口和出口部分的壁型应该变化缓慢，具有尽可能小的曲率。收缩曲线初步选取近年常用的双三次方收缩曲线，公式为：

根据上述设计要求，该风洞收缩比选择14.8，满足低湍流度设计要求。

2.4 扩压段及拐角

该风洞洞体有3 个扩散段，将实验段气流的动能变成压力能。由于风洞损失与流速的三次方成比例，所以经过实验段的气流应尽量降低速度，把动能转变成压力能。但减速必然伴随损失，即动能不能全部转化成压力能。在没有分离的情况下，气流在扩散段的损失主要是摩擦损失。气流在经过风洞4 个拐角时其能量损失占风洞总能量损失的40% ～60%。气流经过拐角时很容易发生分离，出现很多漩涡，因而使流动不均匀或发生脉动。因此在拐角处必须设置拐角导流片，目的是防止分离和改善流动。

2.5 飞行生物保护装置

为防止飞行生物在实验过程中飞入稳定段或扩压段，分别在实验段入口处纵向加装多根高碳钢琴丝和实验段出口处加装安全网，保证实验测量可以顺利开展。

2.6 PIV示踪粒子注入装置

粒子图像测速技术（PIV）是风洞流场测试实验中常用的空间流速定量测量技术，具备较高的空间流速测量精度和分辨率，同时可以实现非接触式流动测量，对飞行生物飞行状态不产生干扰。PIV测量需要在待测流场中布撒示踪粒子，布撒浓度适中且均匀，PIV示踪粒子注入方式非常重要。实验中在实验段出口中心位置处搭设一根粒子布撒管路［14］，管路径向开设喷烟口，粒子气流在外部高压气流推注下与风洞主气流混合后在回流式风洞管路中循环使用，实现PIV 示踪粒子布撒。

3 流场校测

流场校测试验的目的是检验风洞性能和测试设备性能。每座风洞建成后，必须进行流场校测，实测出新风洞的性能、流场品质和实验数据的精准度，检验是否达到风洞设计任务书规定的各项指标。根据风洞设计要求，流速标定、湍流度以及流场均匀性测量是流场校测重要内容。

3.1 校测设备

流场校测选用美国MSE 公司的miniLDV 对瞬时流场单点流速进行测量采集，如图2 所示。激光多普勒测速仪中两个相干激光束交叉（形成探针体积）以产生干涉条纹。当粒子或微观纹理表面穿过该区域时，它反射的光线对应于其通过相长干涉区域的光线。由于条纹之间的间隔是恒定的，因此粒子或表面的速度与反射的突发的频率成比例。miniLDV传感器的测量范围为1 mm／s ～300 m／s，重复性不确定度为0.1%，精度为99.7%［15］。实验测试中将LDV放置在三维移动架上，在x、y、z 方向上位移调节范围覆盖实验段空间，移动间距为0.1 mm；激光多普勒测速时需要流场有一定浓度的示踪粒子，因此示踪粒子布撒装置发烟机放置在实验段出口上端，如图3 所示。

图2 激光多普勒测速系统图

图3 流场校测系统布置图

3.2 风速标定

新建风洞风速需要标定，也就是获得电动机转速与气流速度的对应关系。流场校测首先利用激光多普勒测速仪对实验段轴线中心位置处气流流速进行采集，进而改变电动机转速获得实验段气流流速并做记录。如图4 所示。风速与电动机频率线性关系良好，电机最大频率是最大风速可达22.5 m／s。

图4 风速v与电动机频率f对应关系

3.3 湍流度测试

湍流度是度量风洞气流速度脉动程度的参数，通常用脉动速度均方和与时均速度之比来表示，湍流度的表达式为

式中：n为测量点数；vi为第i点的速度，m／s；¯v为气流平均速度，m／s。

利用激光多普勒测速仪开展来流风速为v ＝5，10，15，20 m／s下距离实验段入口x ＝377 mm处，也就是实验段轴线中点处湍流度测量，结果如图5 所示，v＝15 m／s湍流度为0.05%，达到风洞设计指标要求。

3.4 流场均匀性

流场均匀性是风洞试验段流场品质的重要指标，任何一座风洞，风洞试验段气流速度的大小和方向一般都不是完全均匀的，均匀性越好的试验段流场，越能更好地模拟飞行生物飞行时的真实流场。测试中用μi表示来流均匀性：

式中：i为测量点数；μi为动压稳定系数；q为动压。

将激光多普勒探头放置在三维运动坐标架上，如图3 所示。测量试验段3 个截面，第1 个截面距实验段入口188.5 mm，第2 截面距实验段入口377 mm，第3 个截面距实验段入口565.5 mm。y向位置测量9 个点，z向设置9 个点。来流风速15 m／s 状态下实验段x ＝377 mm截面动压场分布，如图6 所示，可以看到在该截面75%的区域内，动压稳定系数均小于0.005。

图5 湍流度测量结果

图6 测量点和测试结果

4 结 语

小型鸟类及昆虫飞行气动特性测试风洞建成后可开展小型鸟类及昆虫起飞、降落、爬升及俯冲等状态下气动及运动特性以及流场可视化测量。①经过流场校测，风洞气流流速范围为0 ～20 m／s；②在风速15 m／s下，湍流度在0.05%左右，达到低湍流度设计；x ＝377 mm截面75%的流场均匀性低于0.5%。