連續式超音速風洞

AF302

連續式超音速風洞採用真空吸入原理,透過高容量泵浦創造穩定的連續氣流,解決了間歇式風洞實驗時間受限的問題。系統配備三種可換式襯板以調整馬赫數,並設有精密齒輪機構與編碼器來控制模型攻角。透過多點壓力顯示單元與光學級觀測窗(支援紋影法),學生能長時間、穩定地研究二維模型在超音速下的壓力分佈與激波現象,是高階空氣動力學實驗室的核心設備。

 

 

主要功能與特色

與間歇式不同,這是一款吸入式且可連續運作的超音速風洞。它利用高容量真空泵產生下游低壓,將空氣吸入工作段,適合進行長時間的流場觀測與二維空氣動力學模型研究。

 

構造與控制

  • 連續運作:配備高效能真空泵,由遠端控制單元操作。相較於間歇式,連續式風洞能提供更長的實驗時間,便於精細調整與觀察。

  • 旁通導管:設有手動閥門,允許操作者在不干擾主氣流品質的情況下,減少流經工作段的風速。這對於系統啟動、關閉以及進行次音速測試時非常實用。

  • 收縮-擴張噴嘴:工作段頂部配有可更換的襯板,共有三種形狀,用以精確控制擴張段產生的最大馬赫數。

 

模型測試與壓力監測

  • 二維模型組:隨附多種模型,其中一個帶有壓力測孔,安裝於工作段的觀測窗之間。

  • 精密調整機構:配有齒輪機構,方便學生調整模型的攻角。

  • 電子角度測量:內建編碼器,可與 VDAS® 系統連動,精確記錄模型角度。

  • 模擬面板:儀表架上的壓力測孔連接至一個模擬面板,能直觀對應物理位置與壓力數據。

  • 多點壓力顯示單元:內建校準過的壓力感測器,可測量各點相對於大氣的壓力,並同時顯示模型表面的壓力分佈。

  • 參考壓力錶:類比壓力錶顯示真空泵的吸力(風洞參考壓力),此數據亦可傳輸至數據擷取系統。

 

視覺化與數據採集

  • 光學級觀測窗:工作段採用高品質光學聚碳酸酯視窗,專為搭配選購的 Schlieren 紋影儀 (AF302a) 設計,用於捕捉高速流場中的壓力波影像。

  • VDAS® 數據擷取:可快速連接至 VDAS® 介面,在電腦上對所有重要讀數進行精確的即時數據擷取、監測、顯示、計算與製圖。

 

學習成果

  • 拉瓦爾 (Laval) 噴嘴的壓力分佈:觀測空氣在收縮-擴張噴嘴中,由亞音速加速至超音速的完整壓力變化曲線。由於是連續流動,學生可以更穩定地記錄不同位置的壓力降。

  • 理論與實際壓力分佈的對比:將實測數據與等熵流(Isentropic Flow)理論值進行對比,藉此分析由於管壁摩擦與邊界層增長所造成的非理想損失。

  • 面積比與馬赫數的關係:在超音速狀態下,驗證噴嘴截面積比與馬赫數之間的數學關係。學生將學習如何從實驗壓力值推導出實際的馬赫數,並與理論截面積預測值進行比較。

  • 二維模型在不同攻角下的壓力表現:研究二維模型(如翼型或楔形體)在次音速與超音速流場中,其表面壓力分佈如何隨攻角的改變而移動。

  • 超音速流下的升力係數 (): 透過模型表面的多點壓力數據,計算並分析模型在超音速環境下的升力特性,並探討波阻對升力效率的影響。

  • 激波與膨脹波圖案的視覺化(需搭配選購的 Schlieren 紋影儀 AF302a):學生可以連續觀測並錄製模型周圍產生的激波與膨脹波。連續式風洞的優勢在於能讓學生緩慢改變模型角度,即時觀察激波位置與角度的動態演變。

 

介紹影片

連續式超音速風洞與 Schlieren 紋影儀

如何替換超音速風洞的襯板

超音速風洞與紋影系統實測:深入解析 1.8 馬赫流場

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