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【航空航天】科学趣谈:说说风洞实验
令狐小冲 2015-11-26
导语

风洞(wind tunnel)即风洞实验室,是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备,它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。


绵阳风洞群中的2.4米跨声速风洞巨大的圆形导流孔,高度超过两层楼。

风洞的来历

我们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。大风呼哨而过时,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速度引起的空气动力才能够在空中飞行。

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。这些力的大小,在表面和周围情况不变的条件下,只与物体和空气的相对速度有关。也就是说,同样的物体,物体以同一姿态均匀速度在空气中运动,和物体在同样姿态下,空气以相同的速度流过物体,所受的力是相同的。物体表面所受的这些力的合力,组成合力和合力矩。决定了物体在空气中的行为。特别是当物体在风作用下所受的力,或者物体在空气中运动时所受的阻力和升力是人们十分关心的问 题。

最早为了测量这些力是在英国数学家和工程师若宾(Benjamin Robins,1707-1751)所设计的悬臂机的设备上进行的。将要测量的物体固定在悬臂的末端,当悬臂以一定的速度旋转起来时,从所加的驱动力P就可以换算出物体所受的阻力。这种悬臂机使用了很长的时期。不过它有一个缺点,就是当悬臂旋转了一些时间之后,空气或水会随着悬臂一同旋转,这样会使实验的精度大受影响。

既然在空气中物体所受的力只与物体与空气的相对速度有关,于是就可以让空气运动而物体固定来测量物体所受的力。这就是原始的风洞的想法。

风洞的历史

最早的风洞是为了研究物体在空中飞行时所受的升力与阻力的需要来设计的,也就是为了早期设计飞机所需要来设计的。第一个设计与建造实验风洞的是英国人温翰姆(Francis Herbert Wenham,1824-1880),他是英国航空学会创始人之一。他在1871年设计建造了一个风洞。1884年另外一个英国人菲里普(Hiratio Phllips,1845-1912)又建造了一座改进的风洞。1901年,美国发明家莱特兄弟(哥哥Wilbur Wright,1867-1912,弟弟Orville Wright,1871-1948)为了研制飞机建造了一座风洞。1902年俄罗斯的力学家茹可夫斯基(Nikolai E. Joukowski,1847-1921)在莫斯科大学建造了一座直径2英尺的风洞。

1903年,莱特兄弟成功地实现了人类的第一次飞行,开辟了航空事业的新时代。1901年莱特兄弟为了实验和改进机翼,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,已经积累了上千次滑翔经验,掌握了飞行的理论与技术。这些为他们的成功奠定了坚实的基础。

1903年以后,随着航空事业的开展,各国纷纷建造了各种各样的风洞。风洞的尺寸越来越大,功能不同,形式各异。德国早在1907年就成立了“哥廷根空气动力试验院”,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1915年建立了航空(航天)咨询委员会(NACA后改为NASA)那样的机构,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年苏联则成立了中央空气动力学研究所(ЦАГИ),苏联力学家茹可夫斯基出任所长,1921年当茹可夫斯基逝世后,由他的学生恰普雷金(Сергей Алксеевич Чаплыгин,1869-1942)继任。研究所也建造了许多不同功能的风洞。

据统计,仅上世纪90年代,美国、英国、法国、德国、加拿大、荷兰和日本7个国家共建有186座风洞,其中美国就有114座。目前全世界的风洞已经有千余座。

国内发展

我国第一座风洞是1934年清华大学自行设计的低速风洞。该风洞于1936年建成,后因日本侵华战争爆发,风洞被毁。此后,在南昌筹建的4.57米低速风洞1937年基本完工,1938年受损于日本飞机的轰炸中。抗战胜利后,清华大学、浙江大学都建过风洞,主要用于教学。

1949年之后,哈尔滨军事工程学院、北京大学等都相继建造了低速风洞。为了加速发展中国的航空航天事业,根据力学家钱学森、郭永怀的构想,国家于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。

四十多年来,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。

风洞的类型

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、八角形等。

从风速来说,有低速风洞(风速在130米/秒以下)、高速风洞(实验段内气流马赫数为0.4~4.5的风洞)、亚音速风洞(实验段气流马赫数为0.4~0.7)、跨音速风洞(实验段气流马赫数为0.5~1.3)、超音速风洞(实验段内气流马赫数为1.5~4.5)、高超音速风洞(实验段内气流速度马赫数大于5)。马赫数是气流速度与声音传播速度之比。

从风洞的特别用途来说,有模拟风对近地结构作用的大气边界层风洞、用于测量车辆行进时的阻力的汽车风洞、有模拟沙漠迁移规律的风沙风洞等、为测量高空气流特性的稀薄气体风洞、为研究飞机穿过云雾飞行时飞机表面局部结冰现象的冰风洞、此外还有激波风洞、热冲风洞等等,不一而足。

如何建造一个风洞

也许你认为,建造一个风洞是很简单的问题,无非是建造一个大的洞体,再由一个巨大的风扇吹风就妥了。其实风洞的建造是很复杂的问题,就说洞内的气流来说,要实验段各处风的速度均匀,速度的方向平行,湍流度要控制在一定范围内,这就是所谓对流场品质的要求。对于高速风洞,除了对流场品质的要求外,对气流的湿度 和温度还有要求。另外洞体合乎要求后,还要有配套的许多测试设备和仪器。要有测力测力矩和测量流场各点的速度压强的设备。由于这些数据的量很大,所以又需要有数据的自动采集和处理的设备。

所以现代化风洞的建立,是现代科技水平的体现。风洞的水平完全能够体现一个国家综合科技水平和实力。有的风洞的尺寸很大,可以把一架飞机装在里面吹风。任何一架飞机或火箭的设计都需要成千上万次的风洞试验。建造一座现代化的风洞,耗资可以达数亿美元乃至数十亿美元之巨。

风洞干什么用?

有了合格的风洞,究竟能够做些什么实验呢?风洞的产生和发展首先是同航空航天科学的发展紧密相关的。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律,以验证和发展有关理论,并直接为各种飞行器的研制服务,通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如50年代美国B-52型轰炸机的研制,曾进行了约10000小时的风洞吹风实验,而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约100000小时的风洞实验。包括测量在不同姿态、不同速度、不同大气条件下的阻力、升力和压力分布。所以风洞试验的水平,体现了一个国家航空航天的水平,也体现了一个国家国防中制空权的水平。

随着现代科学发展的整体化趋势的出现,空气动力学特别是低速空气动力学已跨出航空航天领域,正在向国民经济各个领域渗透,发挥越来越大的作用,并逐步形成了一门新兴的边缘学科——工业空气动力学(Industrial Aerodynamics)。工业空气动力学这个名词最早在20世纪60年代初使用,主要是指非航空、航天工程的空气动力学问题。

随着科学技术的发展,风洞的应用范围愈益广泛。降落伞、船帆、球类、标枪、铁饼、汽车、建筑物、桥梁、奥运火炬、风车、通风机、冷却塔,等等,凡是在空气和风中的行为不清楚的,都需要在风洞中试验和研究。

举例来说,在1940年建成的美国的西北部一座跨海湾的吊桥,即长853.4m的塔科马(Tacoma)大桥,建成后不久,由于同年11月7日的一场不大的风(仅每秒19m)引起了振幅接近数米的“颤振”,在这样大振幅振荡下结构不一会便塌毁了。事后的风洞研究发现了这座桥在设计上的问题,这是以往设计桥梁的土木工程师们所没有预见到的。自此之后,凡是设计跨度较大的吊桥,都必须进行风洞模型试验,和对桥梁所受的空气动力进行详细的论证。

在气流中的物体,所受气流的迎风阻力f,是由公式f=½ρkSv*2给出的,其中ρ是空气密度,S是物体的截面积,v是气流的速度,而k是与物体形状有关的系数,也称为阻力系数或形状系数。这个系数k只能靠风洞试验来确定。表示不同形状的物体的阻力系数,可以看出形状不同,对所受阻力的影响可以达到数倍到数十倍之大。

从20世纪70年代以前一般小汽车的阻力系数约在0.4到0.6之间,在70年代以后,由于油价飙升,节油成为汽车的重要指标,经过不断改进,现今一般小汽车的阻力系数已经降低到0.28到0.4之间,这都是借助于风洞来实现的。目前全世界有专用于汽车空气动力学研究的风洞有50多座,大部分分布在欧、美、日等国。

关于自行车在空气中的阻力,测试表明,当车速度上升到每秒11米时,空气阻力便占前进总阻力的80%。而最有效的措施是减少“人-车系统”在前进方向上的截面积。身体蜷伏、臀部高跷、背部平直的骑行姿势能大大减少空气阻力,“羊角把”的设计便是为了实现这种姿势。

近年来人们对环境问题日益重视。例如美国洛杉机市市区三面环山,很少有风,40年代初,由于有250多万辆汽车每天向大气排放大量的碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳等废气,致使废气在日光作用下,形成光化学烟雾,造成严重的光化学烟雾污染事件,许多居民出现了眼睛红肿、流泪、喉痛、胸痛和呼吸衰弱等现象。65岁以上的老人两天内死亡400多 人。城市中高楼鳞次栉比,密集的建筑群与风相互作用,在不同的风场条件下出现绕流涡、下冲流、角区流、变化的尾流和穿堂风等效应和现象,这些给城市环境都 带来了很大影响。如城市建设中缺乏科学合理布局,使得有些地方尘土飞扬,而有些区域由于楼群的阻塞使得空气滞留,通风不畅,空气混浊,乌烟瘴气。据统计, 我国空气质量超过国家三级标准、属于严重污染的城市占到40%左右。城市悬浮颗粒物超标比较普遍,酸雨的覆盖面积已占国土面积的30%以上,污染造成经济损失和影响人体健康。因此研究建筑群及城市的环境流动指导科学合理的城市规划建设是十分必要的。

由于这方面的研究,利用风洞实验来模拟大气边界层流动特性及大气扩散现象早20世纪20年代就开始摸索了。1941年,Sherlock和Stalker在风洞中研究地形及建筑物对烟囱排放出来的烟气扩散的影响。1952年,Strom在风洞试验段装上加热气流的格栅及阻尼网,形成温度梯度及速度梯度的气流,研究大气扩散现象。直到1963年世界上第一座长试验段大气环境风洞——美国科罗拉多州立大学气象风洞的出现,使大气扩散风洞模拟研究从在常规的航空低速风洞中的探索阶段进入到专用的大气环境风洞中的发展阶段。

由于水和空气都是流体,风洞不仅可以模拟物体在空气中的受力,也可以模拟物体在水下受力。只不过在实测阻力系数下,用水的密度来计算实际阻力。所以风洞在研究潜水艇的改进中也发挥了和发挥着巨大的作用。

总之,风洞经过一百多年来的发展和改进,本身就是一种体现综合科学技术实力的高科技领域。它的种类愈益繁多、功能愈益完善。发展航空航天事业,离不开风洞,改进建筑离不开风洞。风洞还可以为减灾、环境保护、提高体育运动成绩、车船节能贡献力量。

参考文献

1.   中国空气动力学会风工程和工业空气动力学专业委员会网页

http://www.chinawes.net/default.aspx

2.   WIND TUNNELS OF NASA

http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/SP-440/contents.htm

 (本文原创,作者北京大学力学系伍际可老师,授权发布)

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文章评论(1)
爱因斯坦[北京航空航天大学]

话说航空发动机是在风洞中吹出来的。没有大量的实验测试,是很难设计出优秀的发动机的,风洞很重要,同样实验设施,实验人员的素质也是决定性作用。

997天前 | 回复
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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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