分享丨風洞實驗，知多少？！

提示：

為什么要做風洞實驗？

我們人類所賴以生存的貼近地球表面的大氣層里，有許多與我們的生活密切相關值得研究的現象。其中最為普遍的現象就是風對物體的作用力，以及物體運動時所受的力。大風呼嘯而過時，可以折樹倒屋，掀翻航船，造成嚴重的災難，而利用風能的風車又可以提水發(fā)電，為人類效力。車船在空氣中前進，會受到阻力，而飛機要靠在空氣中前進速度引起的空氣動力才能夠在空中飛行。

物體表面與空氣接觸，會產生兩種力：一種是垂直于表面的，一種是與表面相切的。這些力的大小，在表面和周圍情況不變的條件下，只與物體和空氣的相對速度有關。也就是說，同樣的物體，物體以同一姿態(tài)均勻速度在空氣中運動，和物體在同樣姿態(tài)下，空氣以相同的速度流過物體，所受的力是相同的。物體表面所受的這些力的合力，組成合力和合力矩。決定了物體在空氣中的行為。特別是當物體在風作用下所受的力，或者物體在空氣中運動時所受的阻力和升力，這是人們十分關心的問題。

最早為了測量這些力，是在英國數學家和工程師若賓(Benjamin Robins, 1707-1751)所設計的懸臂機的設備上進行的。將要測量的物體固定在懸臂的末端，當懸臂以一定的速度旋轉起來時，從所加的驅動力P就可以換算出物體所受的阻力。這種懸臂機使用了很長的時期。不過它有一個缺點，就是當懸臂旋轉了一些時間之后，空氣或水會隨著懸臂一同旋轉，這樣會使實驗的精度大受影響。

既然在空氣中物體所受的力只和物體與空氣的相對速度有關，于是就可以讓空氣運動而物體固定來測量物體所受的力。這就是原始的風洞的想法。最早的風洞是為了研究物體在空中飛行時所受的升力與阻力的需要來設計的，也就是為了早期設計飛機所需要來設計的。

風洞的歷史

第一個設計與建造實驗風洞的是英國人溫翰姆(Francis Herbert Wenham, 1824-1880)，他是英國航空學會創(chuàng)始人之一。他在1871年設計建造了一個風洞。1884年另外一個英國人菲里普(Hiratio Phllips, 1845-1912)又建造了一座改進的風洞。1901年，美國發(fā)明家萊特兄弟(哥哥Wilbur Wright, 1867-1912, 弟弟Orville Wright, 1871-1948)為了研制飛機建造了一座風洞。1902年俄羅斯的力學家茹可夫斯基(Nikolai E. Joukowski, 1847-1921)在莫斯科大學建造了一座直徑2英尺的風洞。

萊特兄弟風洞的復制品

1903年，萊特兄弟成功地實現了人類的第一次飛行，開辟了航空事業(yè)的新時代。1901年萊特兄弟為了實驗和改進機翼，建造了風洞并在風洞中研究與比較了200種以上的機翼形狀。到1902年秋，已經積累了上千次滑翔經驗，掌握了飛行的理論與技術。這些為他們的成功奠定了堅實的基礎。

1903年以后，隨著航空事業(yè)的開展，各國紛紛建造了各種各樣的風洞。風洞的尺寸越來越大，功能不同，形式各異。德國早在1907年就成立了“哥廷根空氣動力試驗院”，為德國航空工業(yè)長期處于世界領先地位做出了卓越貢獻。美國1915年建立了航空(航天)咨詢委員會NACA(后改為NASA)那樣的機構，除了領導和組織航空和航天方面的研究外，還建造和管理不同形式的風洞。1918年蘇聯則成立了中央空氣動力學研究所(ЦАГИ)，蘇聯力學家茹可夫斯基出任所長，1921年當茹可夫斯基逝世后，由他的學生恰普雷金(Сергей Алксеевич Чаплыгин,1869－1942)繼任。研究所也建造了許多不同功能的風洞，據統(tǒng)計，僅上世紀90年代，美國、英國、法國、德國、加拿大、荷蘭和日本7個國家共建有186座風洞，其中美國就有114座。目前全世界的風洞已經有千余座。

中國的風洞

我國第一座風洞是1934年清華大學自行設計的低速風洞。該風洞于1936年建成，后因日本侵華戰(zhàn)爭爆發(fā)，風洞被毀。此后，在南昌籌建的4.57米低速風洞1937年基本完工，1938年受損于日本飛機的轟炸中?？箲?zhàn)勝利后，清華大學、浙江大學都建過風洞，主要用于教學。

我國第一座航空風洞，1937年攝

1949年之后，哈爾濱軍事工程學院、北京大學等都相繼建造了低速風洞。為了加速發(fā)展中國的航空航天事業(yè)，根據力學家錢學森、郭永懷的構想，國家于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機構。 四十多年來，中國空氣動力研究與發(fā)展中心建造了數十座高質量的風洞，其規(guī)?？胺Q亞洲之最，為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻。

風洞的類型

現今，風洞的形式和功能已經發(fā)展得很復雜。

從吹風的形式來說，有直流式、有的為了節(jié)約能耗做成回流式；從吹風持續(xù)時間來說有持續(xù)式和暫沖式；從實驗段形狀看有圓形、方形、六角形、八角形等。

從風速來說，有低速風洞(風速在130米/秒以下)、高速風洞(實驗段內氣流馬赫數為0.4-4.5的風洞)、亞音速風洞(實驗段氣流馬赫數為0.4-0.7)、跨音速風洞(實驗段氣流馬赫數為0.5-1.3)、超音速風洞(實驗段內氣流馬赫數為1.5-4.5)、高超音速風洞(實驗段內氣流速度馬赫數大于5)。馬赫數是氣流速度與聲音傳播速度之比。

從風洞的特別用途來說，有模擬風對近地結構作用的大氣邊界層風洞、用于測量車輛行進時的阻力的汽車風洞、有模擬沙漠遷移規(guī)律的風沙風洞等、為測量高空氣流特性的稀薄氣體風洞、為研究飛機穿過云霧飛行時飛機表面局部結冰現象的冰風洞、此外還有激波風洞、熱沖風洞等等，不一而足。

風洞中的科技含量

也許你認為，建造一個風洞是很簡單的問題，無非是建造一個大的洞體，再由一個巨大的風扇吹風就妥了。其實風洞的建造是很復雜的問題，就拿洞內的氣流來說，要實驗段各處風的速度均勻，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范圍內，這就是所謂對流場品質的要求。對于高速風洞，除了對流場品質的要求外，對氣流的濕度和溫度還有要求。另外洞體合乎要求后，還要有配套的許多測試設備和儀器。要有測力矩和測量流場各點的速度壓強的設備。由于這些數據的量很大，所以又需要有數據的自動采集和處理的設備。

所以現代化風洞的建立，是現代科技水平的體現。風洞的水平完全能夠體現一個國家綜合科技水平和實力。有的風洞的尺寸很大，可以把一架飛機裝在里面吹風。任何一架飛機或火箭的設計都需要成千上萬次的風洞試驗。建造一座現代化的風洞，耗資可以達數億美元乃至數十億美元之巨。

風洞的各種用途

有了合格的風洞，究竟能夠做些什么實驗呢？風洞的產生和發(fā)展首先是同航空航天科學的發(fā)展緊密相關的。風洞廣泛用于研究空氣動力學的基本規(guī)律，以驗證和發(fā)展有關理論，并直接為各種飛行器的研制服務，通過風洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能?，F代飛行器的設計對風洞的依賴性很大。例如，50年代美國B-52型轟炸機的研制，曾進行了約10000小時的風洞吹風實驗，而80年代第一架航天飛機的研制則進行了約100000小時的風洞實驗。包括測量在不同姿態(tài)、不同速度、不同大氣條件下的阻力、升力和壓力分布。所以風洞試驗的水平，體現了一個國家航空航天的水平，也體現了一個國家國防中制空權的水平。

隨著現代科學發(fā)展的整體化趨勢的出現，空氣動力學特別是低速空氣動力學已跨出航空航天領域，正在向國民經濟各個領域滲透，發(fā)揮越來越大的作用，并逐步形成了一門新興的邊緣學科——工業(yè)空氣動力學(Industrial Aerodynamics)。工業(yè)空氣動力學這個名詞最早在20世紀60年代初使用，主要是指非航空、航天工程的空氣動力學問題。

隨著科學技術的發(fā)展，風洞的應用范圍愈益廣泛。降落傘、船帆、球類、標槍、鐵餅、汽車、建筑物、橋梁、奧運火炬、風車、通風機、冷卻塔等等，凡是在空氣和風中的行為不清楚的，都需要在風洞中試驗和研究。

舉例來說，在1940年建成的美國西北部一座跨海灣的吊橋，即長853.4m的塔科馬 (Tacoma) 大橋，建成后不久，由于同年11月7日的一場不大的風（僅每秒19m）引起了振幅接近數米的“顫振”，在這樣大振幅振蕩下結構不一會兒便塌毀了。事后的風洞研究發(fā)現了這座橋在設計上的問題，這是以往設計橋梁的土木工程師們所沒有預見到的。自此之后，凡是設計跨度較大的吊橋，都必須進行風洞模型試驗，和對橋梁所受的空氣動力進行詳細的論證。

其中，ρ是空氣密度，S是物體的截面積，v是氣流的速度，而k是與物體形狀有關的系數，也稱為阻力系數或形狀系數。這個系數k只能靠風洞試驗來確定。表示不同形狀的物體的阻力系數，可以看出形狀不同，對所受阻力的影響可以達到數倍到數十倍之大。20世紀70年代以前，一般小汽車的阻力系數約在0.4到0.6之間，在70年代以后，由于油價飆升，節(jié)油成為汽車的重要指標，經過不斷改進，現今一般小汽車的阻力系數已經降低到0.28到0.4之間，這都是借助于風洞來實現的。目前全世界有專用于汽車空氣動力學研究的風洞有50多座，大部分分布在歐、美、日等國。

汽車風洞實驗

近年來人們對環(huán)境問題日益重視。例如，美國洛杉機市市區(qū)三面環(huán)山很少有風，40年代初，由于有250多萬輛汽車每天向大氣排放大量的碳氫化合物、氮氧化物、一氧化碳等廢氣，致使廢氣在日光作用下，形成光化學煙霧，造成嚴重的光化學煙霧污染事件，許多居民出現了眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰弱等現象。65歲以上的老人兩天內死亡400多人。城市中高樓鱗次櫛比，密集的建筑群與風相互作用，在不同的風場條件下出現繞流渦、下沖流、角區(qū)流、變化的尾流和穿堂風等效應和現象，這些給城市環(huán)境都帶來了很大影響。如城市建設中缺乏科學合理布局，使得有些地方塵土飛揚，而有些區(qū)域由于樓群的阻塞使得空氣滯留，通風不暢，空氣混濁，烏煙瘴氣。據統(tǒng)計，我國空氣質量超過國家三級標準、屬于嚴重污染的城市占到40%左右。城市懸浮顆粒物超標比較普遍，酸雨的覆蓋面積已占國土面積的30%以上，污染造成經濟損失和影響人體健康。因此研究建筑群及城市的環(huán)境流動指導科學合理的城市規(guī)劃建設，是十分必要的。

由于這方面的研究，利用風洞實驗來模擬大氣邊界層流動特性及大氣擴散現象，早在20世紀20年代就開始摸索了。1941年，Sherlock和Stalker在風洞中研究地形及建筑物對煙囪排放出來的煙氣擴散的影響。1952年，Strom在風洞試驗段裝上加熱氣流的格柵及阻尼網，形成溫度梯度及速度梯度的氣流，研究大氣擴散現象。直到1963年世界上第一座長試驗段大氣環(huán)境風洞——美國科羅拉多州立大學氣象風洞的出現，使大氣擴散風洞模擬研究，從在常規(guī)的航空低速風洞中的探索階段進入到專用的大氣環(huán)境風洞中的發(fā)展階段。

由于水和空氣都是流體，風洞不僅可以模擬物體在空氣中的受力，也可以模擬物體在水下受力。只不過在實測阻力系數下，用水的密度來計算實際阻力。所以風洞在研究潛水艇的改進中也發(fā)揮著巨大的作用。

總之，風洞經過一百多年來的發(fā)展和改進，本身就是一種體現綜合科學技術實力的高科技領域。它的種類愈益繁多、功能愈益完善。發(fā)展航空航天事業(yè)，離不開風洞，改進建筑離不開風洞。風洞還可以為減災、環(huán)境保護、提高體育運動成績、車船節(jié)能貢獻力量。

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來源：嘉峪檢測網

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