[科普中国]-风洞测试

发展历史

空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视，不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。

美国早在80年代中期出台的震撼全球的超级跨世纪工程--"星球大战"计划中，就曾把作为基础学科的空气动力学放在非常突出的重要位置上。的确，如果不先在空气动力学上获得重大突破，这个将耗资1万亿美元的超级工程，很多关键技术将无法解决。紧接着在1985年发表的"美国航空航天2000年"中，也把空气动力学列为需要解决的七个问题中的第一个。而剩下的六个问题中还有四个与空气动力学有关。这使美国花费巨额投资研制了每秒20亿次的超级计算机专门为空气动力学研究服务。

前苏联在"十月革命"胜利后的第二年，列宁就下令组建了国家空气动力研究机构--中央流体动力研究院，并任命"俄罗斯航空之父"茹可夫斯基担任院长，这一决策为前苏联成为世界上另一个航天大国奠定了坚实的基础。二次大战之前，斯大林曾下令建造了世界上第一座可用于进行整架飞机试验的全尺寸风洞。与美国相比，前苏联在空气动力学的整体水平上毫不逊色，甚至在许多方面都领先于美国，它在航空航天领域取得的一系列成就足以说明这一点。

英、法两国在二次大战前均为名列前茅的老牌航空先进国家，然而战后他们突然发现自己比美、苏等国落后了一截，于是两国重振旗鼓、奋起直追。在战后第二年，法国政府便决定把因战争和被占领分散到全国各地的研究机构组织到一起，组建了国家空气动力研究机构，并在阿尔卑斯山腹地开始创建莫当试验中心，堪称世界一流的大功率空气动力试验风洞设备。曾经发明了世界上第一座风洞的英国人更是不甘落后，除了政府加强对空气动力学的领导规划之外，充分利用大学进行基础学科的研究。据有关资料透露，在英国的46所大学里，至少有30个以上高水平的空气动力研究试验室。

日本在战后受到限制的情况下，航空工业曾有过长达8年的空白。但在此期间，其基础研究--空气动力学则进展神速。仅60年代，就先后仿制出11种飞机，自行设计8种飞机。2017年4月本田公司称，计划投资1.24亿美元(约合8.54亿元人民币)在俄亥俄州东自由市交通研究中心创建一个航空声学风洞试验中心。1

实验原理风洞一般称之为风洞测试。简单地讲，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的"绿色通道"。简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个"天空"。至于我们国家的风洞为什么会选择建在大山深处，那是历史原因造成的。2

实验分类空气动力学实验分实物实验和模型实验两大类 。实物实验如飞机飞行实验和导弹实弹发射实验等，不会发生模型和环境等模拟失真问题，一直是鉴定飞行器气动性能和校准其他实验结果的最终手段，这类实验的费用昂贵，条件也难控制，而且不可能在产品研制的初始阶段进行，故空气动力学实验一般多指模型实验。

空气动力学实验按空气(或其他气体)与模型(或实物)产生相对运动的方式不同可分为3类:

①空气运动，模型不动，如风洞实验 。

②空气静止，物体或模型运动，如飞行实验、模型自由飞实验(有动力或无动力飞行器模型在空气中飞行而进行实验)、火箭橇实验(用火箭推进的在轨道上高速行驶的滑车携带模型进行实验)、旋臂实验(旋臂机携带模型旋转而进行实验)等。

③空气和模型都运动，如风洞自由飞实验(相对风洞气流投射模型而进行实验)、尾旋实验(在尾旋风洞上升气流中投入模型，并使其进入尾旋状态而进行实验)等。

进行模型实验时，应保证模型流场与真实流场之间的相似，即除保证模型与实物几何相似以外，还应使两个流场有关的相似准数，如雷诺数、马赫数、普朗特数等对应相等(见流体力学相似准数)。

实际上，在一般模型实验(如风洞实验)条件下，很难保证这些相似准数全部相等，只能根据具体情况使主要相似准数相等或达到自准范围。例如涉及粘性或阻力的实验应使雷诺数相等;对于可压缩流动的实验，必须保证马赫数相等，等等。应该满足而未能满足相似准数相等而导致的实验误差，有时也可通过数据修正予以消除，如雷诺数修正。洞壁和模型支架对流场的干扰也应修正。空气动力学实验主要测量气流参数，观测流动现象和状态，测定作用在模型上的气动力等。实验结果一般都整理成无量纲的相似准数，以便从模型推广到实物。

缺点风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准确。概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。与此同时，相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。

边界效应或边界干扰真实飞行时，静止大气是无边界的。而在风洞中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界附近的流线弯曲，使风洞流场有别于真实飞行的流场。其影响统称为边界效应或边界干扰。克服的方法是尽量把风洞试验段做得大一些(风洞总尺寸也相应增大)，并限制或缩小模型尺度，减小边界干扰的影响。但这将导致风洞造价和驱动功率的大幅度增加，而模型尺度太小会使雷诺数变小。近年来发展起一种称为"自修正风洞"的技术。风洞试验段壁面做成弹性和可调的。试验过程中，利用计算机，粗略而快速地计算相当于壁面处流线应有的真实形状，使试验段壁面与之逼近，从而基本上消除边界干扰。

支架干扰风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在，产生对模型流场的干扰，称为支架干扰。虽然可以通过试验方法修正支架的影响，但很难修正干净。近来，正发展起一种称为"磁悬模型"的技术。在试验段内产生一可控的磁场，通过磁力使模型悬浮在气流中。

相似准则不能满足的影响风洞实验的理论基础是相似原理。相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。最常见的主要相似准则不满足是亚跨声速风洞的雷诺数不够。以波音737飞机为例，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飞行，雷诺数为2.4×107，而在3米亚声速风洞中以风速100m/s试验，雷诺数仅约为1.4×106，两者相距甚远。提高风洞雷诺数的方法主要有:

(1)增大模型和风洞的尺度，其代价同样是风洞造价和风洞驱动功率都将大幅度增加。如上文所说俄国的全尺寸风洞。

(2)增大空气密度或压力。已出现很多压力型高雷诺数风洞，工作压力在几个至十几个大气压范围。我国也正在研制这种高雷诺数风洞。

(3)降低气体温度。如以90K(-1830C)的氮气为工作介质，在尺度和速度相同时，雷诺数是常温空气的9倍多。世界上已经建成好几个低温型高雷诺数风洞。我国也研制了低温风洞，但尺度还比较小

优点风洞实验尽管有局限性，但有如下四个优点:①能比较准确地控制实验条件，如气流的速度、压力、温度等;②实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便;③实验项目和内容多种多样，实验结果的精确度较高;④实验比较安全，而且效率高、成本低。因此，风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面，以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中，都有广泛应用。

测试观察风洞中流态观察方法大致为分两类:第一类是示踪方法;第二类是光学方法。

示踪方法在流场中添加物质，如有色液体、烟、丝线和固体粒子等，通过照相或肉眼观察添加物随流体运动的图形。只要添加物足够小，而且比重和流动介质接近，显示出来的添加物运动的图形就表示出气流的运动。这是一种间接显示法，特别适合于显示定常流动。常用的有丝线法、烟流法、油流法、升华法、蒸汽屏法和液晶显示法等六种:

①丝线法 将丝线、羊毛等纤维粘贴在要观察的模型表面或模型后的网格上,由丝线的运动(丝线转动、抖动或倒转) 可以判明气流的方向和分离区的位置以及空间涡的位置、转向等。图6为一个模型实验时机翼的丝线显示气体流动图。现在又发展到用比丝线更细的尼龙丝，有时细到连肉眼都看不清。将尼龙丝用荧光染料处理后再粘在模型上。这种丝线在紫外线照射下显示出来，并且可以拍摄下来。粘丝很细，对模型没有影响，可同时进行测力实验。此法称为荧光丝线法。

②烟流法 用风洞中特制烟管或模型上放出的烟流显示气体绕模型的流动图形。这是一种很好的观测方法。世界各国建设了不少烟风洞。通常是在风洞外把不易点燃的矿物油用金属丝通电加热而产生的烟引入风洞;也有将涂有油的不锈钢或钨丝放在模型前，实验时通电将钨丝加热,产生细密的烟雾。为了保证烟束清晰不散,必须采用大收缩比的收缩段、稳定段或风洞入口加装抗湍流网和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施，保持烟流为层流状态。烟流法除用于观察绕模型的流动，还可用来测量边界层过渡点位置和研究涡流结构。图7为模型烟流实验中拍摄的照片。

③油流法 在粘性的油中掺进适量指示剂(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊状液态物，均匀地涂在模型表面。实验时通过指示剂颗粒沿流向形成的纹理结构，显示出模型表面的流动图形。如果油中加入少量荧光染料，则在紫外线照射下可以显现出荧光条纹图，称为荧光油流图。它可以显示模型表面气流流动方向、边界层过渡点位置、气流分离区、激波与边界层相互干扰等流动现象。图8为模型油流实验照片。

④升华法 将挥发性的液体或容易升华的固体喷涂在模型表面，依据涂料从模型上散失的速度与边界层状态有关的原理(在湍流边界层内由于气流的不规则运动导致该处蒸发量或升华量大于层流处)来区分边界层状态，确定过渡点的位置。

⑤蒸汽屏法 在风洞中形成过饱和的蒸汽，在需要观察的截面，垂直气流方向射入一道平行光，气流经过光面时，由于离心力的作用，旋涡内外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能显示出涡核的位置。此法多用来观察大攻角脱体涡的位置。

⑥液晶显示法 利用液晶颜色随温度而改变的特性来识别层流、湍流边界层和激波。液晶是一种油状有机物,温度较低时，无色透明,随着温度上升，便以红、黄、绿、蓝、无色的顺序改变，能鉴别有微小温差的层流和湍流边界层流动以及激波前后的温差。它适用于高速和超声速流态观察。液晶的涂法与漆类似，先稀释，再喷涂。液晶对污物杂质敏感，喷涂时，模型表面必须干净。

光学方法根据光束在气体中的折射率随气流密度不同而改变的原理制造出来的光学仪器，如阴影仪、纹影仪、干涉仪(见风洞测试仪器)和全息照相装置等，都可用来观察气体流动图形。这种方法不在流场中添加其他物质，不会干扰气体流动，而且可以在短时间内采集大量的空间数据。它是一种直接显示方法，特别适合于观察可压缩流动和非定常流动，如激波、尾流和边界层过渡等。

注入能量法除了以上两大类方法外，还有一种向流场中注入能量的方法。如在低密度风洞中向气流发射电子束，使气体分子激发出荧光，荧光的光通量与气流密度大小有关。根据光通量的变化，就可以显示出气流密度的变化，这种方法可以显示高超声速稀薄气体流动的激波位置和形状以及用于定量测量流场密度。

图象法70年代后期，发展出一种彩色照相图示流态观察技术。它用总压探管在所测流场区域扫描，并将感受的压力转换成电压值。根据不同的电压触发不同颜色的光，在照相机上曝光。通过多种颜色信号光记录的流场等压线图，可以清晰地看到涡旋分布和飞机模型后的涡流图像。这项技术最近发展成为直接把传感器感受的压力信号记录在磁带上，并输入计算机处理。传感器探头可以用压力探头也可以用热丝或热膜或其他探头。处理后的数据可由彩色电视显示。3

因为不用照相装置，而代之以计算机，这就带来了很大的方便:可以一次处理很多数据(可以是一个也可以是好几个探头感受的数据);显示的颜色可多达4 096种(但由于人眼分辨率的限制,常用的也只有20~30种);对于特别有兴趣的区域可以放大和增加颜色详细显示;此外，还可以根据需要，旋转显示的数据平面，以得到从不同角度观察的流场彩色显示图像。例如，可以在垂直风洞轴线的平面观察，也可以在平行风洞轴线的平面或其他任意平面观察。高分辨率的彩色电视屏幕可以用颜色和箭头表示流动方向。

中国现状从常规风洞到特种风洞，从风洞试验单一手段到三大手段融合，从提供试验数据到引领型号创新发展……经过40余年艰苦努力，中国空气动力研究与发展中心科研能力已跻身世界先进行列。记者日前在该中心科研试验新区看到，数十座现代化风洞设备星罗棋布，100余项国家级重点科研项目全面铺开，数十个关键气动难题取得历史性突破。

风洞被称为“航空航天飞行器的摇篮”，被世界各国视为重要的战略资源。2010年5月，中国空气动力研究与发展中心启动科研试验新区建设。据中心主任阮祥新介绍，多种新型飞机在科研试验新区首次实现了模型飞行试验，上百万组数据分类入库，中心目前已全面具备了风洞试验、数值计算和模型飞行三大手段。

继结冰风洞之后，一座座新型风洞在该中心相继建成：某新型风洞，为我国载人航天、深空探测等提供了先进的地面试验手段；首座大型航空声学风洞，为飞行器和地面交通工具气动噪声的测试和评估提供了重要的技术支撑；某高超声速低密度风洞，为我国开展稀薄气体动力学等学科领域研究打下坚实基础。

“十二五”以来，该中心完成了载人航天、探月工程等一系列重点工程气动试验任务1500余项，取得了一批具有世界先进水平的创新研究成果，为新型航空航天器研制提供了可靠的气动数据，在国产大飞机、风力发电机、动车组等民用产品气动力学和气动声学性能设计与评估中发挥了不可替代的作用。

2016年3月，中国航天科技集团公司五院508所圆满完成了降落伞超音速风洞试验，此次试验是在亚洲最大的超音速风洞中首次开展的降落伞超音速风洞试验。针对试验难点，该所技术人员多次深入分析，并根据试验验证结果最终确定了改进方案，保证了试验的有效进行。最终该试验获得了丰富、宝贵的降落伞超音速气动力参数，也对超音速风洞试验技术、超音速降落伞的工作特性有了更深入的认识。4