[科普中国]-航空风洞

发展历史

世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国的莱特兄弟于1901年建造了风速12米/秒的风洞，从而发明了世界上第一架飞机。风洞的大量出现是在20世纪中叶。德国在1907年就成立了“哥廷根空气动力试验院”，并在此后不惜巨资修建了一批低速、高速、超高速和特种风洞，在世界上率先研制出喷气式飞机、弹道导弹；美国于1915年成立了国家空气动力研究机构。到目前为止，我国已建成配套齐全功能完备的各类风洞140余座，在风洞试验、数值计算、模型飞行试验等领域取得长足进步，空气动力学设备、技术和人才均跨入国际先进行列。

1936年，清华大学建造了中国第一座自行设计的风洞。风洞采用回流式，最大直径为3米，试验段剖面为圆形，直径1.5米。4月24日，风洞第一次开车试验成功。该校王士倬等4人关于此风洞的论文被评为1936年中国工程师学会论文第一奖。1937年，该校在南昌建造成4.5米回流式大风洞，圆形剖面试验段正常直径为4.57米，可以缩小一半，也可放大到6米，最大气流速度58米/秒。1947年至948年，该校在北平又设计制造了铁壳风洞，椭圆形剖面试验段尺寸为0.762平方米×1.016平方米,气流速度约为40米～50米/秒。

国民政府和意大利关系密切的时候，航委会花了75000元(一说是8万元)从意大利买回来一个航空风洞。航委会资助中央大学创办航空工程系时，就把这个风洞拨给了南京中央大学。

这是一个用钢板制成的单回流式风洞。试验段是开口式的，剖面是圆的，直径有1.2米。风洞的收缩比是5，在扩压段有克罗口式进气喇叭口，在两个180度转弯处设有导流板。用75马力柴油机带动50千瓦直流发电机，转动一个木制四叶螺旋桨。风洞的气流速度可以达到55米/秒。风洞附带的设备有吊挂式三分力天平，还有一套螺旋桨试验设备。

1935年底，开始在中央大学安装这个风洞，到1936年中开始运转。以后给学生开实验课，还作过流场测量工作。1937年抗日战争爆发后，由于风洞外壳尺寸太大，不便搬运，就拆卸了，埋藏在南京城外，把其他设备都运到重庆。

1942年秋，重庆中央大学航空系想利用从南京搬来的风洞设备，再配制一个风洞外壳。这是一个木制的直流式风洞。试验段是开口的，有椭圆形剖面，尺寸是3英尺×5英尺(约0.9米×1.5米)。1943年风洞造成，1945年春开始试车。2

在我国四川西北的群山深处，有一个总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群，在世界上仅次于美国和前苏联。我国自行研制的各种航空航天飞行器，都要在这里进行空气动力试验。中国空气动力研究与发展中心自主设计、建设了亚洲规模最大、功能最完备的风洞群，拥有50余座配套的低速、高速、超高速气动力和气动热试验设备和特种试验设备。

分类按气流速度分，风洞有亚音速风洞和超音速风洞两类。

小型风洞采用高速风扇提供风力，其风速都在每小时1200千米之内。而中型与大型风洞采用事先储存的气体在短暂的几秒，甚至几毫秒中释放，形成威力巨大的冲击风力。测试的对象越是先进高级，其检测的难度越大，风洞的规模也越大。例如美国和俄罗斯，他们的风洞内可放进整架飞机，不像其他国家的中小型风洞只能蚂蚁啃骨头似地以零代整分别测试。美国为了检测当前最昂贵的F-22隐形战斗机的特殊的菱形机身，动用了22种不同的风洞检测，得出机身表面每平方米的阻力系数仅为0.034。而美国的航天飞机“哥伦比亚号”反反复复做各种不同的风洞俭测达3万多小时，点点滴滴丝毫无误，确保了其飞行的安全与正常运转。然而建立一个大型风洞耗资非常巨大，美国在1968年建设的一个大型风洞，就耗费了5.5亿美元巨资，风洞是高科技设施，施工难度大，例如2.4米超音速风洞，仅在基础施工中便需浇注8000多吨水泥，打进地下的水泥柱多达700多个，最粗的达33米，其安装设备的难度也非常之高。

低速风洞实验段气流速度在130米/秒以下(马赫数≤0.4)的风洞。世界上第一座风洞是F.H.韦纳姆于1869～1871年在英国建造的。它是一个两端开口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，长3.05米。美国的O.莱特和W.莱特兄弟在他们成功地进行世界上第一次动力飞行之前，于1900年建造了一个风洞，截面40.6厘米×40.6厘米,长1.8米,气流速度为40～56.3千米/小时。以后,许多国家相继建造了不少较大尺寸的低速风洞。基本上有两种形式,一种是法国人A.-G.埃菲尔设计的直流式风洞；另一种是德国人L.普朗特设计的回流式风洞。现在世界上最大的低速风洞是美国国家航空和航天局(NASA)埃姆斯(Ames)研究中心的12.2米×24.4米全尺寸低速风洞。这个风洞建成后又增加了一个24.4米×36.6米的新实验段，风扇电机功率也由原来25兆瓦提高到100兆瓦。低速风洞实验段有开口和闭口两种形式,截面形状有矩形、圆形、八角形和椭圆形等，长度视风洞类别和实验对象而定。60年代以来，还发展出双实验段风洞，甚至三实验段风洞。

高速风洞实验段内气流马赫数为0.4～4.5的风洞。按马赫数范围划分，高速风洞可分为亚声速风洞、跨声速风洞和超声速风洞。

亚声速风洞风洞的马赫数为0.4～0.7。结构形式和工作原理同低速风洞相彷，只是运转所需的功率比低速风洞大一些。

跨声速风洞风洞的马赫数为0.5～1.3。当风洞中气流在实验段内最小截面处达到声速之后，即使再增大驱动功率或压力，实验段气流的速度也不再增加，这种现象称为壅塞。因此，早期的跨声速实验只能将模型装在飞机机翼上表面或风洞底壁的凸形曲面上，利用上表面曲率产生的跨声速区进行实验。这样不仅模型不能太大，而且气流也不均匀。后来研究发现，实验段采用开孔或顺气流方向开缝的透气壁，使实验段内的部分气流通过孔或缝流出，可以消除风洞的壅塞，产生低超声速流动。这种有透气壁的实验段还能减小洞壁干扰，减弱或消除低超声速时的洞壁反射波系。因模型产生的激波，在实壁上反射为激波,而在自由边界上反射为膨胀波,若透气壁具有合适的自由边界，则可极大地减弱或消除洞壁反射波系。为了在各种实验情况下有效地减弱反射波，发展出可变开闭比（开孔或开缝占实验段壁面面积的比例）和能改变开闭比沿气流方向分布的透气壁。第一座跨声速风洞是美国航空咨询委员会(NACA)在1947年建成的。它是一座开闭比为12.5%、实验段直径为308.4毫米的开缝壁风洞。此后跨声速风洞发展很快，到50年代就已建设了一大批实验段口径大于1米的模型实验风洞。

超声速风洞洞内气流马赫数为1.5～4.5的风洞。风洞中气流在进入实验段前经过一个拉瓦尔管而达到超声速。只要喷管前后压力比足够大，实验段内气流的速度只取决于实验段截面积对喷管喉道截面积之比。通常采用由两个平面侧壁和两个型面组成的二维喷管。喷管的构造型式有多种,例如:两侧壁和两个型面装配成一个刚性半永久性组合件并直接与洞体连接的固定喷管；由可更换的型面块和喷管箱侧壁组成喷管，并将喷管箱与洞体连接而成的固块喷管；由两块柔性板构成喷管型面，且柔性板的型面可进行调节的柔壁喷管。实验段下游的超声速扩压器由收缩段、第二喉道和扩散段组成(图4),通过喉道面积变化使超声速流动经过较弱的激波系变为亚声速流动，以减小流动的总压损失。第一座超声速风洞是普朗特于1905年在德国格丁根建造的,实验马数可达到1.5。1920年A.布泽曼改进了喷管设计,得到了均匀超声速流场。1945年德国已拥有实验段直径约1米的超声速风洞。50年代，世界上出现了一批供飞行器模型实验的超声速风洞，其中最大的是美国的4.88米×4.88米的超声速风洞。3