风洞那些事(1)
 |
 |
人类所赖以生存的贴近地球表面的大气层里，有许多与我们的生活密切相关、值得研究的现象。其中最为普遍的现象就是风对物体的作用力以及物体运动时所受的力。呼啸而过的大风可以折树倒屋，掀翻航船，造成严重的灾难；而利用风能的风车又可以提水发电，为人类效力。车船在空气中前进，会受到阻力；而飞机又靠在空气中前进所引起的空气动力，才能够飞行。
物体表面与空气接触会产生两种力：一种是垂直于表面的，一种是与表面相切的。在物体表面和周围情况不变的条件下，这些力的大小只与物体和空气的相对速度有关。也就是说，同样的物体，如果以同一姿态在空气中匀速运动所受的力，是和物体在同样姿态下，空气以相同的速度流过物体时所受的力相同的。物体表面所受的这些力的合力组成合力与合力矩，它们决定了物体在空气中的行为。
人们十分关心物体在风的作用下所受的力，以及物体在空气中运动时所受的阻力和升力情况。为了解这些力的大小，研究人员在英国数学家和工程师本杰明·罗宾斯所设计的悬臂机上进行了测试：将要测量的物体固定在悬臂末端，当悬臂以一定速度旋转起来时，从所加的驱动力就可以换算出物体所受的阻力。这种悬臂机使用了很长时间。不过，它有一个缺点，就是当悬臂旋转了一段时间后，周围的空气或水会随着悬臂一同旋转，导致实验精度大大降低。
既然物体在空气中所受的力只和物体与空气的相对速度有关，那么，是不是可以将物体固定起来，只让空气运动，进而测量出物体所受的力呢？这就是人们最初建造风洞的想法。
“飞行器的摇篮”
早期的风洞就是为了研究物体在空中飞行时所受的升力与阻力来设计的，即为了飞机设计所需。第一个设计与建造实验风洞的是英国人温翰姆，他是英国航空学会的创始人之一。他在1871年设计、建造了一座风洞。1884年，英国人菲利普建造了一座改进的风洞。1901年，美国莱特兄弟为了研制飞机建造了一座风洞。1902年，俄罗斯力学家茹科夫斯基在莫斯科大学建造了一座直径大约为0.61米的风洞。
1903年，莱特兄弟成功地让人类建造的飞机飞上了天空，开辟了航空史上的新纪元。这次成功的试飞得益于他们的风洞。1901年，莱特兄弟为实验和改进机翼，建造了风洞并在风洞中研究与比较了200种以上的机翼形状。到1902年秋，他们已经积累了上千次滑翔经验，掌握了飞行的理论与技术。这些为他们之后的成功奠定了坚实的基础。
因此，风洞被称为“飞行器的摇篮”，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。这种管道状实验设备能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象。
风洞实验，就是根据相对运动原理和相似理论，在风洞中测量飞行器缩比模型的空气动力特性，并研究相应的流动现象与流动机理。风洞实验要遵循几何相似、流动相似等一系列相似准则。
1903年以后，伴随航空业的发展，各国纷纷建造风洞。风洞的尺寸越来越大，功能多样，形式各异。德国早在1907年就成立了“哥廷根空气动力实验院”，为德国航空工业长期处于世界领先地位做出了卓越贡献。美国在1915年建立了航空(航天)咨询委员会(英文缩写为NACA，其后改为NASA)，该机构除了领导和组织航空和航天方面的研究外，还建造和管理不同形式的风洞。1918年，苏联成立了中央流体动力研究院，苏联力学家茹科夫斯基出任所长。1921年，茹科夫斯基逝世后，研究所由他的学生恰普雷金继任。研究所也建造了许多不同功能的风洞。据统计，仅20世纪90年代，美国、英国、法国、德国、加拿大、荷兰和日本这7个国家共建有186座风洞，其中，美国有114座。目前，全世界的風洞已经有千余座。
我国第一座风洞是1934年由清华大学自行设计的低速风洞。该风洞建成于1936年，后因日本侵华战争爆发，风洞被毁。此后，在南昌筹建的4.57米低速风洞于1937年基本完工，该风洞在1938年毁于日本飞机的轰炸。抗战胜利后，清华大学、浙江大学都曾建过风洞，主要用于教学需要。
1949年之后，位于哈尔滨的解放军军事工程学院和北京大学等相继建造了低速风洞。为了加速发展中国的航空航天事业，根据著名科学家钱学森、郭永怀的构想，我国于1965年在四川组建了高速空气动力研究机构，随后又相继迅速组建了超高速和低速空气动力研究机构。
40多年来，中国空气动力研究与发展中心建造了数十座高质量的风洞，其规模堪称亚洲之最，为我国航空航天事业的发展做出了突出的贡献。
风洞什么样
风洞名称中通常会使用尺寸，风洞实验段尺寸决定了实验模型的大小。一般风洞实验模型尺寸比真实飞行器的尺寸小得多，当模型尺寸太小时，飞行器上的几何细节和小部件难以模拟。风洞越大，实验模型尺寸越大，模型保真度越高，实验数据就越可靠；但是，风洞尺寸越大，建设难度越大、运行成本就越高，这就要求权衡模拟准确度、可行性与经济性，合理确定风洞尺寸。
为此，世界主要空气动力研究机构都对风洞尺寸进行统一规划，按大、中、小尺寸配套，成体系地进行建设。其中，小型风洞主要用于基础研究和先进气动技术探索、多学科研究及计算流体力学(CFD)验证；中型风洞主要用于中小型飞行器选型、校核和定型实验，先进气动技术的验证；大型风洞主要用于大型飞行器的选型、校核和定型实验等。
现今，风洞的形式和功能已经发展得很复杂。
从吹风的形式来说，有直流式，有的为了节约能耗做成回流式。从吹风持续时间来说，有持续式和暂冲式。从实验段形状看，有圆形、方形、六角形和八角形等。 (武际可)