分享丨風(fēng)洞實驗，知多少？！

提示：

為什么要做風(fēng)洞實驗？

我們?nèi)祟愃囈陨娴馁N近地球表面的大氣層里，有許多與我們的生活密切相關(guān)值得研究的現(xiàn)象。其中最為普遍的現(xiàn)象就是風(fēng)對物體的作用力，以及物體運動時所受的力。大風(fēng)呼嘯而過時，可以折樹倒屋，掀翻航船，造成嚴(yán)重的災(zāi)難，而利用風(fēng)能的風(fēng)車又可以提水發(fā)電，為人類效力。車船在空氣中前進(jìn)，會受到阻力，而飛機(jī)要靠在空氣中前進(jìn)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(chǎn)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(guān)。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(dāng)物體在風(fēng)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(guān)心的問題。

最早為了測量這些力，是在英國數(shù)學(xué)家和工程師若賓(Benjamin Robins, 1707-1751)所設(shè)計的懸臂機(jī)的設(shè)備上進(jìn)行的。將要測量的物體固定在懸臂的末端，當(dāng)懸臂以一定的速度旋轉(zhuǎn)起來時，從所加的驅(qū)動力P就可以換算出物體所受的阻力。這種懸臂機(jī)使用了很長的時期。不過它有一個缺點，就是當(dāng)懸臂旋轉(zhuǎn)了一些時間之后，空氣或水會隨著懸臂一同旋轉(zhuǎn)，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(guān)，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(fēng)洞的想法。最早的風(fēng)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(shè)計的，也就是為了早期設(shè)計飛機(jī)所需要來設(shè)計的。

風(fēng)洞的歷史

第一個設(shè)計與建造實驗風(fēng)洞的是英國人溫翰姆(Francis Herbert Wenham, 1824-1880)，他是英國航空學(xué)會創(chuàng)始人之一。他在1871年設(shè)計建造了一個風(fēng)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(jìn)的風(fēng)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(jī)建造了一座風(fēng)洞。1902年俄羅斯的力學(xué)家茹可夫斯基(Nikolai E. Joukowski, 1847-1921)在莫斯科大學(xué)建造了一座直徑2英尺的風(fēng)洞。

萊特兄弟風(fēng)洞的復(fù)制品

1903年，萊特兄弟成功地實現(xiàn)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(jìn)機(jī)翼，建造了風(fēng)洞并在風(fēng)洞中研究與比較了200種以上的機(jī)翼形狀。到1902年秋，已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗，掌握了飛行的理論與技術(shù)。這些為他們的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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(fēng)洞。風(fēng)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(lǐng)先地位做出了卓越貢獻(xiàn)。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(jī)構(gòu)，除了領(lǐng)導(dǎo)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(fēng)洞。1918年蘇聯(lián)則成立了中央空氣動力學(xué)研究所(ЦАГИ)，蘇聯(lián)力學(xué)家茹可夫斯基出任所長，1921年當(dāng)茹可夫斯基逝世后，由他的學(xué)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(fēng)洞，據(jù)統(tǒng)計，僅上世紀(jì)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(fēng)洞，其中美國就有114座。目前全世界的風(fēng)洞已經(jīng)有千余座。

中國的風(fēng)洞

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

我國第一座航空風(fēng)洞，1937年攝

1949年之后，哈爾濱軍事工程學(xué)院、北京大學(xué)等都相繼建造了低速風(fēng)洞。為了加速發(fā)展中國的航空航天事業(yè)，根據(jù)力學(xué)家錢學(xué)森、郭永懷的構(gòu)想，國家于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機(jī)構(gòu)，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機(jī)構(gòu)。 四十多年來，中國空氣動力研究與發(fā)展中心建造了數(shù)十座高質(zhì)量的風(fēng)洞，其規(guī)模堪稱亞洲之最，為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。

風(fēng)洞的類型

現(xiàn)今，風(fēng)洞的形式和功能已經(jīng)發(fā)展得很復(fù)雜。

從吹風(fēng)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(fēng)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(fēng)速來說，有低速風(fēng)洞(風(fēng)速在130米/秒以下)、高速風(fēng)洞(實驗段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為0.4-4.5的風(fēng)洞)、亞音速風(fēng)洞(實驗段氣流馬赫數(shù)為0.4-0.7)、跨音速風(fēng)洞(實驗段氣流馬赫數(shù)為0.5-1.3)、超音速風(fēng)洞(實驗段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為1.5-4.5)、高超音速風(fēng)洞(實驗段內(nèi)氣流速度馬赫數(shù)大于5)。馬赫數(shù)是氣流速度與聲音傳播速度之比。

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

風(fēng)洞中的科技含量

也許你認(rèn)為，建造一個風(fēng)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(fēng)扇吹風(fēng)就妥了。其實風(fēng)洞的建造是很復(fù)雜的問題，就拿洞內(nèi)的氣流來說，要實驗段各處風(fēng)的速度均勻，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范圍內(nèi)，這就是所謂對流場品質(zhì)的要求。對于高速風(fēng)洞，除了對流場品質(zhì)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(shè)備和儀器。要有測力矩和測量流場各點的速度壓強(qiáng)的設(shè)備。由于這些數(shù)據(jù)的量很大，所以又需要有數(shù)據(jù)的自動采集和處理的設(shè)備。

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

風(fēng)洞的各種用途

有了合格的風(fēng)洞，究竟能夠做些什么實驗?zāi)?？風(fēng)洞的產(chǎn)生和發(fā)展首先是同航空航天科學(xué)的發(fā)展緊密相關(guān)的。風(fēng)洞廣泛用于研究空氣動力學(xué)的基本規(guī)律，以驗證和發(fā)展有關(guān)理論，并直接為各種飛行器的研制服務(wù)，通過風(fēng)洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能?，F(xiàn)代飛行器的設(shè)計對風(fēng)洞的依賴性很大。例如，50年代美國B-52型轟炸機(jī)的研制，曾進(jìn)行了約10000小時的風(fēng)洞吹風(fēng)實驗，而80年代第一架航天飛機(jī)的研制則進(jìn)行了約100000小時的風(fēng)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(fēng)洞試驗的水平，體現(xiàn)了一個國家航空航天的水平，也體現(xiàn)了一個國家國防中制空權(quán)的水平。

隨著現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的整體化趨勢的出現(xiàn)，空氣動力學(xué)特別是低速空氣動力學(xué)已跨出航空航天領(lǐng)域，正在向國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)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(xué)科——工業(yè)空氣動力學(xué)(Industrial Aerodynamics)。工業(yè)空氣動力學(xué)這個名詞最早在20世紀(jì)60年代初使用，主要是指非航空、航天工程的空氣動力學(xué)問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞的應(yīng)用范圍愈益廣泛。降落傘、船帆、球類、標(biāo)槍、鐵餅、汽車、建筑物、橋梁、奧運火炬、風(fēng)車、通風(fēng)機(jī)、冷卻塔等等，凡是在空氣和風(fēng)中的行為不清楚的，都需要在風(fēng)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(fēng)（僅每秒19m）引起了振幅接近數(shù)米的“顫振”，在這樣大振幅振蕩下結(jié)構(gòu)不一會兒便塌毀了。事后的風(fēng)洞研究發(fā)現(xiàn)了這座橋在設(shè)計上的問題，這是以往設(shè)計橋梁的土木工程師們所沒有預(yù)見到的。自此之后，凡是設(shè)計跨度較大的吊橋，都必須進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗，和對橋梁所受的空氣動力進(jìn)行詳細(xì)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(guān)的系數(shù)，也稱為阻力系數(shù)或形狀系數(shù)。這個系數(shù)k只能靠風(fēng)洞試驗來確定。表示不同形狀的物體的阻力系數(shù)，可以看出形狀不同，對所受阻力的影響可以達(dá)到數(shù)倍到數(shù)十倍之大。20世紀(jì)70年代以前，一般小汽車的阻力系數(shù)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(biāo)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，現(xiàn)今一般小汽車的阻力系數(shù)已經(jīng)降低到0.28到0.4之間，這都是借助于風(fēng)洞來實現(xiàn)的。目前全世界有專用于汽車空氣動力學(xué)研究的風(fēng)洞有50多座，大部分分布在歐、美、日等國。

汽車風(fēng)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(jī)市市區(qū)三面環(huán)山很少有風(fēng)，40年代初，由于有250多萬輛汽車每天向大氣排放大量的碳?xì)浠衔?、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(xué)煙霧，造成嚴(yán)重的光化學(xué)煙霧污染事件，許多居民出現(xiàn)了眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰弱等現(xiàn)象。65歲以上的老人兩天內(nèi)死亡400多人。城市中高樓鱗次櫛比，密集的建筑群與風(fēng)相互作用，在不同的風(fēng)場條件下出現(xiàn)繞流渦、下沖流、角區(qū)流、變化的尾流和穿堂風(fēng)等效應(yīng)和現(xiàn)象，這些給城市環(huán)境都帶來了很大影響。如城市建設(shè)中缺乏科學(xué)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(fēng)不暢，空氣混濁，烏煙瘴氣。據(jù)統(tǒng)計，我國空氣質(zhì)量超過國家三級標(biāo)準(zhǔn)、屬于嚴(yán)重污染的城市占到40%左右。城市懸浮顆粒物超標(biāo)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(jīng)濟(jì)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(dǎo)科學(xué)合理的城市規(guī)劃建設(shè)，是十分必要的。

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

由于水和空氣都是流體，風(fēng)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(shù)下，用水的密度來計算實際阻力。所以風(fēng)洞在研究潛水艇的改進(jìn)中也發(fā)揮著巨大的作用。

總之，風(fēng)洞經(jīng)過一百多年來的發(fā)展和改進(jìn)，本身就是一種體現(xiàn)綜合科學(xué)技術(shù)實力的高科技領(lǐng)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(fēng)洞，改進(jìn)建筑離不開風(fēng)洞。風(fēng)洞還可以為減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、提高體育運動成績、車船節(jié)能貢獻(xiàn)力量。

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來源：嘉峪檢測網(wǎng)

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