第3卷第3期实验力学198 8年9月J O U RNALO FEXPE R IMENT A LME C HAN ICSVOL.3,NO.35ep.,19 8 8羽毛球风洞的设计与应用谷嘉锦陈玉清(南京航空学院)摘要本文根据空气动力学基本原理,对刃毛球的空气动 力作了分析研完.设计了为评定羽毛球质量 所需的羽毛球风洞。本文还提出一种羽毛球的风洞试验结果与运动员经验评定羽毛球质量的结果逃行相关的方法.实践证明,该风洞在评定刃毛球质 量方面,取得了十分满意的结果.关健 词风洞,刃毛球试验1引言众所周知,几乎所有的球类在运 动中都存在空气动力学问题,不过,羽毛球的 空气动力特性更加复杂.利用 羽毛球的风洞实 验来区分羽 毛球产品的等级,是我们设计羽毛球风洞的目的.一个好的羽 毛球应该是羽毛球 离中心线的偏摆小,绕重心的偏转小.并且在一定的速度(前迸)之下,旋转频率 达到 某一要求值。本文设计了一种专门进行 羽毛球实验的风洞.它具有良好的 空气动力特性,即流场品质(点速度和点角度)均 匀性好;结构简单,便于测试;而且噪 声低,即生产环境处于环境 保护指标之下.本文分析了羽 毛球的空气动力特性。指 出旋转 乃是羽 毛球的最主要空气动力性能,质量 分布和羽 毛攻角都对它有影响。本文 还提 出一种将风洞试验结果与羽毛球经验评定结果迸行相关的方法.实践证明,该风洞作为羽毛球质量判定仪的 主体取 得良好的效果.按照 相关曲线以及风洞试脸的质量评定,其 级别评 定准确率达百分之九十二以上。本文的方法将有助于体育空 气动力学的研 究.2羽毛球风洞的设计图1是本文设计的羽毛球风洞,它 是 由动力段、洞体和中心分离杆组成的。动力段由电机和风扇叶片构成.本风洞 采用直流电机作动力源。风扇叶片的设计主 要考虑叶片效 率和空气动力噪声.本文的叶片外形如 图2所示,共三片.具有较低的涡流噪 声和旋转噪声,总声级低于 5 6d B( A ).迸气段的四周开很多进气孔,目的是均 匀迸气且降低迸气噪声.迸气段 和 整流段的外壳19 87年4月1 8日收到。227采用 币150m m的硬塑料管。整流段内安装二道 1 4目整流网和厚50mm的整流峰窝器,具 目. . . . .幻幻 L L L一一D D D布布布布布l l l l l l l l l爪爪爪l图1羽毛球风洞示意图图2风扇叶片外形图3羽 毛球的气动 力平衡的是将风扇造成的气流逃行整 流、切割旋涡、均 立气流,以取 得 良好的流动.为了便于观察和测试需要.收缩段和试验段 采用有机玻 璃 壳体.收缩段和试验 段都呈 收缩形,收缩段技维 氏方法t3边;行曲线设计,并从圆过渡到 长方形.试验段 两侧平行,以利 于平 行光透过;另两侧呈收缩形。这 都是为了兼顾自动测试系统的耍求而损失部分空气动力特性。羽毛球能稳定 在试验段作旋转运动,主要靠分离杆的效果.分离杆的Z心流分离作用,将在羽球下 方的 一个区域 里造成局部低压。根据空气动力平衡的原理,羽 毛球 将稳定 在低压区的 上 方,见图3。我们希望 低压区很小,但过分小的低压区将使羽毛球难以稳定,将导致羽毛球 沿着试验段 出口边缘 上下飘浮.分 离杆长度、分离头的形状和尺寸,理论上 很难设计,主 要根据实 践.经实验 分析,选择了比较理 想的尺寸。飘 浮现象很小且不影响数据分析的应用。3羽 毛球空气动力的分 析3.1相似准则根据 本文研 究的对象,支配 现象的物理法则 为L:压缩 力、空气惯性力、空气粘性力咬重力。2 2 8, f:缩 力空气惯性力空气粘性力重力F_=尸吐厂尸二PI口F。=拌luF=四13!式中,户为空气密度,。为风 速,刀为重力加速度,l为模型特征长度,拼为粘性系数.音速,:为比热比.相似法 则为:二,(雷诺数)二F、_P刃同样气体男互沉F,拜同样物体卜I U,、 一一,万二1; U,l二,(马赫数)二uu同样气体au=,a二a,峥典 Vr(1)a为(2)一一凡一o F二:(费鲁德数)二同样物体二”一共=V下自 口2 口口一一F ,一几对羽 毛球风洞试验,由于 采用同样气体,同样物体(模 型 即实物),满足 相似 准 则 只 要求。. =。就够了.3.2漪毛球气动 特性羽毛球在空中运动 时,运动的特点是旋转加上前进运 动.风 洞是 用人造气流流经模 型来取 代物体在空中的运动的设备.为了模拟这样一个运动,并比较各个羽 毛球的差异,我们希望羽 毛球在试验 段里旋 转且稳定在风洞中心线 士.聪定性的好坏表现为羽毛球离中心线的偏摆小,羽毛球绕重 心的的偏 转小,这直接反映了羽 毛球的质量。我们希望 偏摆、偏转 很小,而旋 转频率 达到某一要求值.由于气流流经分离杆,将造成低压 区,而羽 毛球正处于 低压区,按气动平衡原理,羽毛球将稳定 在低 压区的上方.造成羽 毛球旋 转的原因是羽毛 带有迎角.而在一定的 迎角下,旋转的频率基本上是气流速度的函数,气流速度要同羽 毛球运动时的速度相一致.如果一个球的 的何片羽 毛的攻角都 一 致,将不可能产生偏转和 偏摆.事实上,每片羽毛的迎角是不同的。升力、阳力和侧力都是迎 角的 函数.在羽 毛球的检测过程中,平行 光线透过羽 毛球照到 光 电池上,该光电池共四片,可测得羽 毛球前端的偏摆以及后部的偏摆.如果两者偏摆相 同,即为纯 偏摆,如果 两者偏 摆不 同,即为偏摆加上绕重 心的偏转。实验一 证实了这 一点。图4羽毛球的偏转与偏摆2294翻毛球风 洞的应 用为了使羽 毛球风洞成为检验 羽毛球质量的生产性风洞,必须 提供数据以作判定。具体做法是 采用相关处理法,即:1)随机的选择一 组羽毛球(约1 00一2 0 0只)。2)由国家级运动员来试打,以区分出各种等 级的羽毛球,一般可分为三一四级.3)将一一标定的羽毛球放入羽 毛球风洞迸行试验,测得各种数据.4)可以将两者 相关处理,得 到相关曲线.5)随机的选择 另一组羽 毛球,重复且与相关曲线比较得到各种等级的标定.6)由国家级运动员来校核,以作相关曲线的修正.综上所述,我们作如下进一步分析。参见图5。=f( R,。)(3)式中,。为羽 毛球旋转速度,刀为气动力在戈方 向的不平衡力,。为风洞风速。在比较性试 验中,口二cst.故。二j(R)(4)假如所有力的气动力在y方向动 平衡,由于羽方球的羽毛迎角不同,在方向的力有可能不平衡,我们认为它是一种不平衡力刀.随着旋转,尸的方向不 断改变,如果尸过重心,则产生 纯偏移,如 果R不过重心,则除了偏转外还有绕重 心的偏转。用占、上和 入下来代表 上述效应造成的位移量,故得。一=f(占、上,乙、一下)(5)口42 50300二50哪。o口呜, o图5相关处理示意 图图6相关处理曲线山于R力 在亚心 上方,沁上是 两效应的相加,而咨、一F是两效应的相减。故方程 变为。二j(k)(6)式才,汽之孙.丫下 十侈、上信由实验确定)以。为横坐标,人为纵坐标。我们可以得到风洞数据与运 动员判据 的经 验曲线,见 图6从图上可以查得各种等级的数据.整个数据已贮存于计算机,当羽毛球试验时,将自动打印出该球的等级以及其它参数。从应用的的角度来说,本文设计的羽毛球风洞具有良好的使用价值.目前已在南京运动器具厂投入生产性使用.本文纵然对 羽毛球的空气动力试验作了介绍,但分析仍远远不够.对230旋转一类的气动力试验问题还需进行更深入 的研究.汪乔森教授对羽毛球风洞这一 课题多次给予指 导,在 此深表谢意.!121参考文献Fuka n o,T.,etal.,Nois ege刀 er atedbylowpressureaxialflowfa ns,Jo u r”alojs ou拄d&犷ibrati。”,1977.AlanPope,JohnJ.HarPer,Low一spe edwindTu n nelTesting,Jobnwiley&Sons,In e.1966。谷嘉锦,NH一1风洞设计与使用手册,南京航空学院科技资料,总编 号1 92,1 9 77.日江 守一朗等著,郭廷玮,李安定译,模型实验的理 论和 应 用,科学 出版社,198 4年。BadmintonsTestingWindTun nel-ItsDesignandTestingGuJiajinC he nYuqi,:g(Na行7f竹g月er o刀a “tfc alIn :t云矛“t召)AbstraetThebehaviorofbadm inton s15st以diedae eordingtothebasieprineiplesofaer odynamiesa ndawindtu n n el15madosPeeiall少fo,thispur-pos e.Amethodtoeorrelatethetestingr esultswiththecxperie neeofplayors15als opres ented.It15shownthattlliswindtunn el15very:atisfaetoryi,1ex aminingthequalityofbadm into n s.Keywo rdsWindtu n ncl,bed,nintoxltestil lg.