[科普中国]-烟风洞

基本原理

在气流中引入煤烟或有色气体，借助光线对烟气质点的散射，可以显示流体质豫的运动，这就是烟风洞观察流动的基本原理。

通常可以用电炉将机油加热，或者燃烧木材、卫生香、烟草等，然后将产生的烟气引入气流中，也可以引入碘、氯气等有色气体或利用四氯化钛或四氮化锡的液体。四氯化钛等在室温下是液体，但是暴露在空气中就会和空气中的水蒸汽起化学作用。产生包括氧化盐、盐酸和水的小雾点，悬挂在空气中，就可以观察到顺气流的一条白线，放烟时间可维持数分钟之久。

烟风洞是一种低速风洞，主要用于形象地显示绕流物体的流动图形或拍摄成流谱的照片。烟风洞由风洞本件、发烟器、风扇和照明装置组成。风洞本体的剖面呈矩形，为闭口直流式。烟气喷口处装有很多等距并列的细金属管组成的梳状管，气流由此流出而形成一条条细长的烟流线，流过其中安装实验模型的实验段。为了看得清楚和便于拍照，实验段后壁常漆成黑色，并用管状的电灯来照明。使用表面装有放烟小孔的特制模型，还可以观察附面层从层流到紊流的转变过程和了解转捩点的确切位置。

烟风洞可以得到完整的细致的流动图形，方i去也很简单实用。但是当风速近乎2m/s时或者有旋涡产生时，烟流便会被冲散。当风速太小时，由于烟气质点重子空气，下降的影响过大，就不能正确地反映流体的真实流动状态。当采用氮化物时，要注意人身安全。2

烟风洞实验烟风洞是利用烟流法观察空气流过物体时流动图形的设备。用电阻丝将矿物油加热，或用其他方法，如点香等方法产生烟，然后通过等距离分布的并排的金属管将烟引入烟风洞中，这些管子装置在物体的前面，气流带着烟流过物体，这些烟便明显地让人看出气流的流动。

将流线型物体，如水翼、舵的模型，安装在烟风洞中。流动图形的特点是：流体流过物体时，烟流变密，流速加大，压力降低。物体前部烟流的分叉处称为“驻点”，在该点速度为零。在物体尾部某一区域烟流被冲散，反映流动极不规则，这里为“尾涡区”或“尾迹”。

当攻角不为零时，物体上部的烟流变得更密，下面的烟流变疏。上面流速大，压力降低；下面的流速变小，压力增大。于是上、下两表面压力不平衡，产生了向上的压差力，即“升力”，这就是升力产生的原因。攻角越大，上、下两表面处烟流的疏密程度相差越大，压力相差越大，因而升力越大。当攻角增加时，尾涡区也在扩大，在达到某一定值后，由于尾涡区过于扩大，于是产生剧烈的振动，同时升力迅速下降，阻力也剧增，这种现象称为“失速”。3

二维烟风洞把变压器油倒人油杯中，寻缓慢地滴入加热电炉内的坩埚中，便可产生大量白烟。白烟经导烟管导入风洞，由位于模型前方的梳状管喷出，形成烟流。烟流与实验段气流一起流过模型，从而显示出绕模型的流动，此即烟流法。烟流最后经排气管排到风洞外。在使用中，烟风洞气流速度不宜太高，以使气流保持层流流动，由梳状管喷出的烟流就不会散乱。向风洞气流。巾引入烟流的另一种方法是，在机翼前缘表面上开一个小孔或小槽，用管道把烟导入机翼内并从小从小孔或小槽中喷出，则可以根据烟流流态确定机翼表面附面层状态。在层流附面层中，烟流的轮廓很清晰，如果发生层流分离，能清楚地观察到烟流从：溪型表而分离的位置，而且在分离点下游一段距离内，烟流轮廓仍很清楚。当附面层由层流转捩成紊流，烟流会突然被扩散开，烟流扩散区从转捩点后一直扩展到翼型后缘。通常也能观察到紊流分离点位置。4