柔壁風洞

柔壁風洞指柔性壁風洞試驗。

Karmer在1957年首先提出柔性套用於減阻的構想。人們根據海豚的高泳速和體力推進效率判斷，海豚必有一種能力使皮膚大部分區域保持層流狀態。Karmer正是根據這一推測模擬海豚皮膚製成有柔性外套的模型，試驗時最大減阻達50%。

柔壁自適應風洞為消除洞壁干擾開闢了新途徑，摒棄了龐大的駐室和輔助抽氣系統;避免了通氣壁射流及噪音對主流的影響，可進一步提高流場品質。柔壁自適應風洞與其它先進實驗技術如低溫風洞和磁懸浮天平有良好的協調性，因此可望成為未來有效的空氣動力實驗手段。

基本介紹

• 中文名：柔壁風洞
• 外文名：flexible-walled wind tunnel
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：空氣動力學
• 風洞：飛行器研製工作中不可缺少的部分
• 類型：飛行術語

風洞

風洞是空氣動力學研究和試驗中最廣泛使用的工具。它的產生和發展是同航空航天科學的發展緊密相關的。風洞廣泛用於研究空氣動力學的基本規律，以驗證和發展有關理論，並直接為各種飛行器的研製服務，通過風洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能。現代飛行器的設計對風洞的依賴性很大。例如50年代美國B-52型轟炸機的研製，曾進行了約10000小時的風洞實驗，而80年代第一架太空梭的研製則進行了約100000小時的風洞實驗。

設計新的飛行器必須經過風洞實驗。風洞中的氣流需要有不同的流速和不同的密度，甚至不同的溫度，才能模擬各種飛行器的真實飛行狀態。風洞中的氣流速度一般用實驗氣流的馬赫數(M數)來衡量。風洞一般根據流速的範圍分類：M<0.3的風洞稱為低速風洞，這時氣流中的空氣密度幾乎無變化；在 0.3<M<0.8 範圍內的風洞稱為亞音速風洞，這時氣流的密度在流動中已有所變化； 0.8<M<1.2 範圍內的風洞稱為跨音速風洞；1.2<M<5範圍內的風洞稱為超音速風洞；M≥5的風洞稱為高超音速風洞。風洞也可按用途、結構型式、實驗時間等分類。

因為風洞的控制性佳，可重複性高，現今風洞廣泛用於汽車空氣動力學和風工程的測試，譬如結構物的風力荷載和振動、建築物通風、空氣污染、風力發電、環境風場、複雜地形中的流況、防風設施的功效等。這些問題皆可以利用幾何相似的原理，將地形、地物以縮尺模型放置於風洞中，再以儀器量測模型所受之風力或風速。一些研究也指出風洞實驗之結果與現地風場的觀測的結果相近，故風洞實驗是研究許多風工程問題最常用的方法。風洞實驗數據亦可用來驗證數值模型的有效性，找到較佳的模式參數。

柔性壁減阻

Karmer在1957年首先提出柔性套用於減阻的構想。人們根據海豚的高泳速和體力推進效率判斷，海豚必有一種能力使皮膚大部分區域保持層流狀態。Karmer正是根據這一推測模擬海豚皮膚製成有柔性外套的模型，試驗時最大減阻達50%。由於後來企圖證實這一結論的努力都失敗了，人們對此試驗結果遂表懷疑而傾向於認為，減阻只是柔性表面影響充分發展揣流邊界層的結果。

在Karmer試驗近三十年後，CarePnter和Garard對上述一系列試驗作了理論分析，發現Karmer型柔性套有一定的延遲轉挨作用。Gasetr報導的水池牽曳模型試驗與計算相結合的研究結果指出，人工激發的不穩定波在柔性表面比在剛性表面有較低的生長率。李萬平和周恆充分考慮了應力與速度在層流邊界層與柔性壁的交界面的連續性，通過計算證明Karmer型的非各向同性柔性壁有利於層流邊界層的轉捩延遲。任何不利因素，如柔性表面與剛性部分接縫處的台階、逆壓梯度、來流湍流水平過高等都不利於柔性表面的減阻。同時，專門設計的柔性壁只適用於某一雷諾數範圍,否則起不到延遲轉挨的作用。李萬平給出有柔性表面的平板模型的阻力測量結果。試驗目的是證實理論預測的有減阻作用的柔性壁的構造特徵，考察柔性表面揣流邊界層和層流邊界層延遲轉挨減阻的可能性。

Elastica反問題

Elastica，即彈性大撓度問題，多年以來一直是力學工作者十分感興趣的課題，尤其是在實際工程中會經常遇到。Frisch Fay早在20世紀60年代就這方面做了大量的研究。近十幾年來，這方面的研究成果仍然不少，其中Chucheepsakul和Huang在研究海洋工程時對輸油管的大跨度問題也作了較多的研究，此外彈性大變形問題的研究在精密儀器、電子技術等方面也具有重要意義。但是，目前的研究絕大部分都只停留在梁受簡單載荷作用下的elastica問題，僅考慮了集中力或力矩的作用，而且都是由已知載荷求解變形。而張曉偉將研究的是一個受複雜載荷作用:包括多個集中力和複雜變化的分布力的作用，已知跨度和控制點撓度而弧長可變，求控制作用力的反問題。問題源自柔壁風洞噴管的設計課題。已知給出了氣動力學計算出的柔壁形狀，即設計曲線，需要用數根(大於20根)作動筒使柔性壁面儘可能的滿足氣動形狀的要求。因此，簡化為已知控制點的撓度，在複雜的分布力和集中力作用下，弧長可變，跨度已知，求解集中力的大撓度反問題。

通常彈性大撓度問題的研究是採用橢圓積分辦法，求其封閉解。但是橢圓積分只適用於沒有分布力作用的情況，而在受複雜分布力的情況下，無法得到橢圓積分方程。錢偉長在處理橋樑大撓度問題時曾採用攝動法求解，這種方法在多點力和變化分布載荷聯合作用下，求解變得十分困難。此外，採用有限元的方法也可以得到在集中力作用下的大撓度變形，儘管有限元方法套用範圍相當廣泛，在求解反問題時卻無能為力。張曉偉將從梁的大撓度彎曲方程出發，對其作線性修正，把大撓度的梁分解成為數個梁段進行研究，得到分段線性化的辦法。基於有限元的思想，將梁分割成多個小段單元，在每段中可以看成是小變形，這樣把每一段的斜率看成常數，作為修正參數，從而得到單元上的變形方程，再通過梁段之間的連線條件和邊界條件，組成全長總體變形方程組，通過求解此方程組，便可以得到集中力的近似值。

柔壁自修正風洞

跨音速空氣動力實驗通常在通氣壁風洞中進行。研究表明具有均勻通氣特性的實驗段無法同時滿足消除洞壁對升力和力矩的一干擾、防止堵塞和消除波反射等實驗要求；此外孔(縫)壁噪音對流動機理模擬有顯著影響。柔壁自適應風洞為消除洞壁干擾開闢了新途徑，摒棄了龐大的駐室和輔助抽氣系統;避免了通氣壁射流及噪音對主流的影響，可進一步提高流場品質。柔壁自適應風洞與其它先進實驗技術如低溫風洞和磁懸浮天平有良好的協調性，因此可望成為未來有效的空氣動力實驗手段。

當前已有一批三維自適應壁風洞問世，但由於其技術過於複雜，難以在現有科技術水平下廣泛套用。1982年德國宇航院E.Wedemeyer提出用二維自適應壁風洞進行二維摸型實驗的理論，經多個研究單位實驗研究證實，該理論在亞臨界實驗中具有重要套用價值。80年代後期進行了超音速實驗嘗試並得到初步研究結果，但一些關鍵技術，特別是柔壁實驗段消除波反射技術尚需進一步探索。

三維自適應壁風洞具有消除洞壁干擾的優良特性，但其結構的高度複雜性及龐大的壁壓信息採集和洞壁測量調整控制系統導致了風洞建造難度和費用的大幅度增加;三維外部假想流場模擬和洞壁調整量求解對計算機記憶體和速度具有較高要求，並給風洞運行中的實時處理帶來影響;三維封閉式實驗段結構限制了光學觀察測量手段的採用。這些因素阻礙著三維自適應壁風洞的廣泛工程套用。

為避免上述困難，近年來國際上極為重視採用二維自適應壁風洞進行三維流動實驗的技術研究，並在亞臨界流動區域取得顯著進展。超音速研究起步較晚，目前尚未獲得系統的研究結果。李華星在此速度範圍進行了實驗方案和技術的探索性研究。