[科普中国]-湍流风洞

湍流

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。

湍流是在大雷诺数下发生的，雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。

风洞风洞（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。

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。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、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法，流动条件容易控制。实验时，常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风，通过测控仪器和设备取得实验数据。

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相似参数进行模拟。

此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。

研究现状湍流模拟风洞的主动控制技术是通过向流场中输入一定密度的能量，提高流场低频部分的动能，来改善湍流功率谱和积分尺度的模拟能力。这方面应用最为成功的两种主动模拟技术为多通道风洞和震动栏栅。美国加州大学的大气边界层风洞在入口处有两列可以控制的震动栏栅，能够用四秒到十六秒的周期持续振动，而位于下方的湍流边界层的长度和横截面都可以满足一比一百的实验要求。日本九州的一所大学开发的多通道风洞能够仿真出与自然风湍流基本相同的风速时程，即使在风速突变点也能和目标曲线匹配的相当好。多通道风洞主动控制系统设计复杂并且研制成本比较高，振动翼栅虽然研制费用较低，但是只能模拟有限的风速工况，所以这些因素都限制了湍流模拟风洞的普及应用。

分类现在全球比较著名的大体积湍流风洞有二十多座，主要分布在美国、日本和欧洲一些发达国家，如图所示。二十多年过去了，大体积湍流风洞在土木防灾学上的发展经历了从被动模拟技术到主动模拟技术的转变，使得风洞系统可以更好的模拟各种地势和天气条件的大气边界层湍流场特性。按照风洞控制系统的类型，湍流场模拟风洞主要有两种类型:主动控制和被动模拟。

大气边界层湍流风洞被动模拟技术湍流场的被动模拟不需要额外注入机械能，通过湍流场中的障碍物的尾流形状来分离流场，通过特殊的设计来形成湍流以模拟大气边界层，现在普遍采用的方式主要有格栅、挡板、尖劈以及粗糙单元等。被动模拟湍流风洞中比较早出现的方式是平板栅格，将不同形状和间距的隔板以不同的方式组合置于风洞的出口段，这样就可以形成各种湍流来达到不同的研究目的，湍流的类型和强度随着隔板放置方式的不同而不同，如图所示。

国内的同济大学在1996年建成了用于土木工程的边界层风洞，采用被动模拟的方法模拟湍流场，这个风洞中可以采用的仿真工具有阻挡块、摩擦单元和尖顶的湍流仿真器。塔的高为127.5cm，在风场中它的外形是一个三角形，底部形成一个横向的挡板，可以起到挡风的作用。挡板主要用于模拟地势较高的地貌，可以形成大的湍流度。而其他地貌的湍流模拟不使用挡板。尖顶形的纵向阻挡块是一个直角梯形，上底长4cm，下底长2_Scm，高120cm。1

大气边界层湍流风洞主动模拟技术大气边界层主动模拟技术主要有两种方式，一种是依靠振动机构本身的运动来为风洞的气流注入随机脉动能量来实现主动控制，主要有振动翼栅、振动尖塔等;另外一种是变频调速风扇阵列，依靠风扇的变频调速运转来向风洞气流注入随机脉动能量，激励湍流涡旋的形成。如图所示为一个典型的主动控制模拟系统原理图，其中运动机构可以为振动格栅、振动尖塔或多风扇风洞等。

多风扇风洞是日本研制的一种更加完善的大气边界层主动模拟技术，其思想来源于Teunissen提出的多射流风洞(Multiple-jet wind tunnel)。Teunissen的多射流风洞由8X8个内径为6.2mm的射流管阵列组成，射流速度分别由阀门来控制。多射流风洞成功实现了湍流度大雨10%的湍流边界层流场的模拟，与传统被动方法相比，多射流风洞在模拟大尺度湍流方面具有明显优势。2