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风洞实验概述
  风洞,是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,是进行空气动力学实验的一种主要设备,几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。历史上风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分,现在它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,随着工业空气动力学的发展,在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。
  风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统三个部分组成,各部分的形式因风洞类型而异。其中驱动系统有连续式风洞和暂冲式风洞两类,第一类多在低速风洞中使用,另一类建造周期短,投资少,一般雷诺数较高,它的工作时间可由几秒到几十秒,多用于跨声速、超声速和高超声速风洞。
  用风洞作实验的依据是相对性原理和相似性原理。根据相对性原理,模型或实物在静止空气中飞行所受到的空气动力,与模型或实物静止不动、空气以同样的速度反方向吹来,两者的作用是一样的。实验时,常将模型或实物固定在风洞内,使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流,使其流过安置在实验段的静止模型,模拟实物在静止空气中的运动。这种方法,流动条件容易控制,因此可重复地、经济地取得实验数据。
  为使实验结果准确,实验时的流动必须与实际流动状态相似,即必须满足相似律的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制,在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的,通常是按所要研究的课题,选择一些影响最大的参数进行模拟。试验进行时测量作用在模型上的空气动力并观测模型表面及周围的流动现象。根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。此外,风洞实验段的流场品质必须符合一定的标准,并定期进行检查测定。
  风洞按其功效可分为飞机风洞、汽车风洞。一架飞机或其他飞行器的飞行性能,如速度、高度等,除去飞机重量、发动机推力等要素外,最重要的因素是作用于飞机的空气动力。而空气动力主要决定于飞机的外形,因此在设计和研制飞机时,首先是由风洞试验设计其外形,由此就可以确定作用于飞机的空气动力并推算飞行性能。可以根据相似性原理,将飞机做成几何相似的小尺度模型,气流速度在一定范围内(可以低于飞行速度),其试验结果可以推算出其实飞行时作用于飞机的空气动力。飞行器等(包括飞机、直升机、巡航导弹等)在风洞中的试验内容主要有测力试验;测压试验;布局选型试验等等。汽车风洞有模型风洞、实车风洞和气候风洞等,模型风洞较实车风洞小很多,其投资及使用成本也相对小些。在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行试验,其试验精度也相对低些。实车风洞则很大,建设费用及使用费用极高。目前世界上的实车风洞还不多,主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司。气候风洞主要是模拟气候环境,用来测定汽车的一般性能(如空洞性能等)的风洞。
  自从英国人F.H.韦纳姆于1869~1871年在英国建造了世界上第一座风洞(一个两端开口的木箱)以来,目前全世界的风洞总数已达千余座。其中最大的低速风洞足以实验一架完整的真飞机;雷诺数最高的风洞采用了喷注液氮的技术,用来降低实验气体温度,从而使风洞实验的雷诺数达到或接近飞行器的实际飞行值。
  近些年来,为了满足各种特殊实验的需要,还发展了各种专用风洞。例如供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,供研究飞机尾旋飞行特性之用的尾旋风洞等等。
顺应现代飞机设计越来越强调设计的精确、精细和精准的要求,各国风洞在配有先进的测量显示仪器和数据采集处理系统的同时,都普遍采用一些新的位移精确测量技术。一些技术已从研究转入实用,风洞的生产能力和精细化水平显著提高,如:低速风洞中的压敏漆技术,风洞中的航空声学测量技术,模型位置、姿态以及变形测量技术,地面效应模拟测量技术等。像激光片光、粒子图像测速技术等半定量、定量流场测量技术已成为大型生产型风洞的非接触流场测量手段,在固定翼和旋翼飞行器研究中发挥了重要作用。
  满足未来飞行器研制需求的新概念风洞也在研制中,如:亚声速高升力飞行风洞,跨超声速等离子体风洞,高超声速试验与评估风洞等。
  在风洞试验的发展中,计算机的广泛使用和计算空气动力学的发展大大提高了风洞的实验能力。现阶段风洞的发展趋势是进一步增加风洞的模拟能力和提高流场品质,消除跨音速下的洞壁干扰,发展自修正风洞。
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