[科普中国]-管风洞

简介

管风洞可以认为是一种特殊类型的下吹式风洞。它是西德格廷根大学Ludwieg(1955)首先提出的。起初,它作为超音过或高超音速风洞而受到注意,后来在迫切需要建立高雷诺数风洞的背景下,作为一种高雷诺数跨音速风洞而问世1。

管风洞构造简单,提高贮气压力较易.因为试验段气流驻点压力与贮气压力之比决定于贮气管道与喷管喉道面积之比.只要提高贮气压力就能提高试验段流动雷诺数.因此,小型设备也能达到足够高的雷诺数.如果结合低温技术,雷诺数还能进一步增加2。

背景飞行雷诺数的提高与试验设备可达雷诺数的差距对于气动力模拟来说，主要的模拟参数是飞行马赫数和雷诺数。但是在上世纪50年代以前，飞行器的飞行雷诺数与试验可达雷诺数之间的差距还不太大，一般认为只要试验雷诺数达到一定的范围以上，就可以得到比较满意的结果，所以实际上并未重视对雷诺数的模拟。60年代以后，飞行器的实际飞行雷诺数越来越高。

由于现代飞行器的飞行机动性要求越来越高，飞行动作越来越复杂，有些飞行器的外形与传统的流线型差别很大，这样就出现了许多与雷诺数有关的气动力与气动热问题。例如，火箭可以是平截头的，表面上可以有陡角、突起部等。这样的外形在飞行时会引起激波与边界层的干扰所造成的广泛的脱体区，在大攻角飞行时还会出现属于粘性横向流的脱体涡等。在处理这些间题时，传统的看法——达到湍流边界层后，雷诺数就不再是一个相似准则——已不再适用。也就是说，即使雷诺数大到边界层成为湍流边界层以后，还必须考虑雷诺数的效应。

特点由于管风洞的运行原理是通过非定常膨胀波对流动进行加速，因而它的特点就是流动平稳、光滑、能得到高质量的一元定常流动。同时，设备造价低而试验时间并不太短。

因为构造简单，提高贮气压力就比较容易。贮气管流通面积对喷管喉道面积的收缩比决定了试验段的流动驻点压力与贮气压力之比。所以只要提高压力，小型设备也能得到高雷诺数。当然，模型及支架的强度对压力的提高有限制作用。

在管风洞中进行的实验管风洞受到重视的理由，一是它可成为高雷诺数实验用的大型设备，二是可进行很多基础研究。基础研究包括高雷诺数下特有的管内流动问题，也包括设备本身的研究，如:

1.起动问题:设备本身的起动，喷管起动，快开阀位置的影响，以及有效实验时间的延长手段等。

2.流动品质的研究:包括边界层增长的影响及噪声等。

3.激波——边界层干扰，分离流等。

4.测试技术和手段。

实用性的模型研究也进行了不少，如机翼表面压力分布、气动力、传热等。