風(fēng)洞的作用

【專(zhuān)家解說(shuō)】：如今"風(fēng)洞"這個(gè)名詞已為許多讀者，乃至廣大青少年所熟悉。風(fēng)洞，是指在一個(gè)管道內(nèi)，用動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)一股速度可控的氣流，用以對(duì)模型進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)備。最常見(jiàn)的是低速風(fēng)洞。最近位于四川綿陽(yáng)的中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)研究和發(fā)展中心已建成具有世界水平的2.4米跨聲速風(fēng)洞(風(fēng)洞常以試驗(yàn)段尺度命名)。這樣大尺度的跨聲速風(fēng)洞，世界上只有美國(guó)和俄羅斯等少數(shù)國(guó)家才有。大家知道，風(fēng)洞是發(fā)展航空航天事業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，研制任何飛機(jī)，包括軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)以及航天飛機(jī)，都必須首先在風(fēng)洞中進(jìn)行大量試驗(yàn)，試驗(yàn)飛機(jī)能不能飛起來(lái)，能飛多高多快和多遠(yuǎn)以及其他各項(xiàng)飛行性能等。2.4米跨聲速風(fēng)洞的建成表明，我國(guó)已進(jìn)入世界航空航天大國(guó)的行列。 風(fēng)洞--研制飛行器的先行官 決定一架飛機(jī)或其他飛行器的飛行性能，如速度、高度等，除飛機(jī)重量、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等要素外，最重要的因素是作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力。空氣動(dòng)力主要決定于飛機(jī)的外形。在設(shè)計(jì)和研制飛機(jī)時(shí)，首先是設(shè)計(jì)其外形，由此就可以確定作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力并推算飛行性能。但是，這個(gè)工作只能做在最前，不能在飛機(jī)造出來(lái)以后。確定飛機(jī)空氣動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是風(fēng)洞。人們把風(fēng)洞和風(fēng)洞試驗(yàn)叫做航空航天的先行官是恰如其分的。 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基本原理是相對(duì)性原理和相似性原理。根據(jù)相對(duì)性原理，飛機(jī)在靜止空氣中飛行所受到的空氣動(dòng)力，與飛機(jī)靜止不動(dòng)、空氣以同樣的速度反方向吹來(lái)，兩者的作用是一樣的。但飛機(jī)迎風(fēng)面積比較大，如機(jī)翼翼展小的幾米、十幾米，大的幾十米(波音747是60米)，使迎風(fēng)面積如此大的氣流以相當(dāng)于飛行的速度吹過(guò)來(lái)，其動(dòng)力消耗將是驚人的。根據(jù)相似性原理，可以將飛機(jī)做成幾何相似的小尺度模型，氣流速度在一定范圍內(nèi)也可以低于飛行速度，其試驗(yàn)結(jié)果可以推算出其實(shí)飛行時(shí)作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力。 飛行器(包括飛機(jī)、直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈等)在風(fēng)洞中的試驗(yàn)內(nèi)容主要有測(cè)力試驗(yàn)(測(cè)量作用于模型的空氣動(dòng)力，如升力、阻力等，確定飛行性能);測(cè)壓試驗(yàn)(測(cè)量作用于模型表面壓力分布，確定飛機(jī)載荷和強(qiáng)度);布局選型試驗(yàn) (模型各部件做成多套，可以更換組合，選擇最佳的飛機(jī)布局和外形)等等。隨著飛行器性能的提高和改進(jìn);風(fēng)洞試驗(yàn)所需要的時(shí)間不斷增加。40年代，研制一架螺旋槳飛機(jī)，風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間是幾百小時(shí)。至70年代初，一架?chē)姎馐娇蜋C(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間是4-5萬(wàn)小時(shí)。航天器(如洲際導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等)大部分航行在大氣層外，基本上與空氣無(wú)關(guān)，但其發(fā)射和返回是在大氣層中，仍然需要在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)。如美國(guó)的航天飛機(jī)，在不同風(fēng)洞中總共進(jìn)行了10萬(wàn)小時(shí)的試驗(yàn)。 風(fēng)洞的發(fā)展 世界上公認(rèn)的第一個(gè)風(fēng)洞是英國(guó)人于1871年建成的。美國(guó)的萊特兄弟 (O.Wright和W.wright)于1901年制造了試驗(yàn)段0.56米見(jiàn)方，風(fēng)速12/s的風(fēng)洞，從而于1903年發(fā)明了世界上第一架實(shí)用的飛機(jī)。風(fēng)洞的大量出現(xiàn)是在20世紀(jì)中葉。 為了試驗(yàn)炮彈的氣動(dòng)力作用和研究超聲速流動(dòng)，瑞士阿克雷特(G.Ackttet)于1932年建成了世界第一座超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段面積0.4米×0·4米，馬赫數(shù)(風(fēng)速與聲速之比)2。適應(yīng)跨超聲速飛行器的發(fā)展，1956年美國(guó)建成世界最大的跨超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段面積488米×4.88米，馬赫數(shù)0.8-4.88，功率為16.1萬(wàn)kW。1958年，美國(guó)航天局建成試驗(yàn)段直徑0.56米，馬赫數(shù)可高達(dá)18-22的高超聲速風(fēng)洞。 為了提高風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)(模擬尺度或粘性效應(yīng)的相似準(zhǔn)則)，1980年，美國(guó)將一座舊的低速風(fēng)洞改造成為世界最大的全尺寸風(fēng)洞(可以直接把原形飛機(jī)放進(jìn)試驗(yàn)段中吹風(fēng))，試驗(yàn)段面積24.4米×12.2米，風(fēng)速150m/s，功率10萬(wàn)kW。1975年，英國(guó)建成一座低速壓力風(fēng)洞，試驗(yàn)段5米×4.2米，風(fēng)速95-110m/s，壓力3個(gè)大氣壓，功率1.4萬(wàn)kW，試驗(yàn)雷諾數(shù)(它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù))8×106。80年代，美 國(guó)建成一座低溫風(fēng)洞，以氮?dú)?氮?dú)饽厅c(diǎn)低，適于低溫下工作)為工作介質(zhì)，溫度范圍340-78K，壓力可達(dá)9個(gè)大氣壓，試驗(yàn)段2.5米×2.5米，馬赫數(shù)0.2-1.2，雷諾數(shù)高達(dá)120×106。 我國(guó)的風(fēng)洞建設(shè)發(fā)展迅速。1977年，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心建成亞洲最大的低速風(fēng)洞，串聯(lián)雙試驗(yàn)段:8米×6米和16米×l2米，風(fēng)速100m/s，功率7800kW。1999年，又建成具有世界規(guī)模的跨聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段口徑2.4米，馬赫數(shù)0.6-1.2。 風(fēng)洞應(yīng)用擴(kuò)大到一般工業(yè) 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，從60年代開(kāi)始，風(fēng)洞試驗(yàn)(主要是低速風(fēng)洞)從航空航天領(lǐng)域擴(kuò)大到一般工業(yè)部門(mén)。反映各行各業(yè)的發(fā)展越來(lái)越需要空氣動(dòng)力學(xué)和風(fēng)洞試驗(yàn)的參與，已經(jīng)形成了新的學(xué)科:“工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)”和“風(fēng)工程學(xué)”。 例如，當(dāng)汽車(chē)速度達(dá)到180km/h時(shí)，空氣阻力可占總阻力的1/3。對(duì)小汽車(chē)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，合理修形。可使氣動(dòng)阻力減小75%。對(duì)建筑物模型進(jìn)行風(fēng)載荷試驗(yàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，大型建筑物如大橋、電視塔、大型水壩、高層建筑群等，己規(guī)定必須要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，而且模型必綱模擬實(shí)物的剛度 (即彈性模型)，測(cè)量"風(fēng)振特性"。這方面已有教訓(xùn)。1940年，美國(guó)塔科馬(Tacoma)大橋，一座大型鋼索吊橋，因?yàn)椴⒉缓艽蟮娘L(fēng)載荷，導(dǎo)致橋體強(qiáng)迫振動(dòng)和共振，引起斷塌，因而受到學(xué)界廣泛重視。對(duì)于大型工廠、礦山群，也要做成模型，在風(fēng)洞中進(jìn)行防止污染和擴(kuò)散的試驗(yàn)。 為此，應(yīng)運(yùn)而生出現(xiàn)了許多"大氣邊界層風(fēng)洞"。在這種風(fēng)洞中，試驗(yàn)段的氣流并不是均勻的，從風(fēng)洞底板向上，速度逐漸增加，模擬地面"風(fēng)"的運(yùn)動(dòng)情況(稱(chēng)為大氣邊界層)。國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了十幾座這樣的風(fēng)洞。 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M的不足及其修正 風(fēng)洞試驗(yàn)既然是一種模擬試驗(yàn)，不可能完全準(zhǔn)確。概括地說(shuō)，風(fēng)洞試驗(yàn)固有的模擬不足主要有以下三個(gè)方面。與此同時(shí)，相應(yīng)也發(fā)展了許多克服這些不足或修正其影響的方法。 1.邊界效應(yīng)或邊界干擾 真實(shí)飛行時(shí)，靜止大氣是無(wú)邊界的。而在風(fēng)洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界 附近的流線彎曲，使風(fēng)洞流場(chǎng)有別于真實(shí)飛行的流場(chǎng)。其影響統(tǒng)稱(chēng)為邊界效應(yīng)或邊界干擾。克服 的方法是盡量把風(fēng)洞試驗(yàn)段做得大一些(風(fēng)洞總尺寸也相應(yīng)增大)，并限制或縮小模型尺度，減小邊界干擾的影響。但這將導(dǎo)致風(fēng)洞造價(jià)和驅(qū)動(dòng)功率的大幅度增加，而模型尺度太小會(huì)便雷諾數(shù)變小。近年來(lái)發(fā)展起一種稱(chēng)為"自修正風(fēng)洞"的技術(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)段壁面做成彈性和可調(diào)的。試驗(yàn)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)，粗略而快速地計(jì)算相當(dāng)于壁面處流線應(yīng)有的真實(shí)形狀，使試驗(yàn)段壁面與之逼近，從而基本上消除邊界干擾。 2.支架干擾 風(fēng)洞試驗(yàn)中，需要用支架把模型支撐在氣流中。支架的存在，產(chǎn)生對(duì)模型流場(chǎng)的干擾，稱(chēng)為支架干擾。雖然可以通過(guò)試驗(yàn)方法修正支架的影響，但很難修正干凈。近來(lái)，正發(fā)展起一種稱(chēng)為"磁懸模型"的技術(shù)。在試驗(yàn)段內(nèi)產(chǎn)生一可控的磁場(chǎng)，通過(guò)磁力使模型懸浮在氣流中。 3.相似準(zhǔn)則不能滿(mǎn)足的影響 風(fēng)洞試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理。相似原理要求風(fēng)洞流場(chǎng)與真實(shí)飛行流場(chǎng)之間滿(mǎn)足所有的相似準(zhǔn)則，或兩個(gè)流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的所有相似準(zhǔn)則數(shù)相等。風(fēng)洞試驗(yàn)很難完全滿(mǎn)足。最常見(jiàn)的主要相似準(zhǔn)則不滿(mǎn)足是亞跨聲速風(fēng)洞的雷諾數(shù)不夠。以波音737飛機(jī)為例，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飛行，雷諾數(shù)為2.4×107，而在3米亞聲速風(fēng)洞中以風(fēng)速100m/s試驗(yàn)，雷諾數(shù)僅約為1.4×106，兩者相距甚遠(yuǎn)。提高風(fēng)洞雷諾數(shù)的方法主要有: (1)增大模型和風(fēng)洞的尺度，其代價(jià)同樣是風(fēng)洞造價(jià)和風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)功率都將大幅度增加。如上文所說(shuō)美國(guó)的全尺寸風(fēng)洞。 (2)增大空氣密度或壓力。已出現(xiàn)很多壓力型高雷諾數(shù)風(fēng)洞，工作壓力在幾個(gè)至十幾個(gè)大氣壓范圍。我國(guó)也正在研制這種高雷諾數(shù)風(fēng)洞。 (3)降低氣體溫度。如以90K(-1830C)的氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)，在尺度和速度相同時(shí)，雷諾數(shù)是常溫空氣的9倍多。世界上已經(jīng)建成好幾個(gè)低溫型高雷諾數(shù)風(fēng)洞。我國(guó)也研制了低溫風(fēng)洞，但尺度還比較小。