模型風洞是在飛機型號研製過程中，根據相似理論設計生產的物理實驗模型。其用途是測量飛行器各個部件的氣動力特性。根據模型種類和用途的不同，一般把全機測力和測壓模型稱為常規實驗模型，其餘的種類稱為特種實驗模型。模型風洞可分為全機測力、壓力分布、半模型、進氣道、通氣模型、噴流模型、二元翼型、鉸鏈力矩、投放模型、顫振、靜彈等20餘種。
模型風洞作為一種特殊的航空產品，在研製過程中，與通用航空產品相比有其特殊性，其幾何外形必須與真實飛機完全相似，一般按飛機的理論外型進行縮比。模型設計必須滿足風洞安裝要求，並進行強度和剛度校核計算。模型的加工、裝配精度要求較高。模型是一種高精密度的機械產品，無論是零部件，還是整機組合件，在研製生產過程中，都要求必須精準。
基本介紹
- 中文名：模型風洞
- 外文名：Model wind tunnel
- 套用範圍：飛機的研製
- 分類：剛性模型、氣動彈性模型
- 用途：測量飛行器各部件的氣動力特性
- 屬性：航空產品
模型風洞組成結構,模型風洞的要求,模型風洞的分類,剛性模型,氣動彈性模型,模型風洞的套用,
模型風洞組成結構
風洞試驗模型是在飛機型號研製過程中，根據相似理論設計生產的物理實驗模型。其用途是測量飛行器各個部件的氣動力特性。根據模型種類和用途的不同，一般把全機測力和測壓模型稱為常規實驗模型，其餘的種類稱為特種實驗模型。風洞模型按實驗方法可分為全機測力、壓力分布、半模型、進氣道、通氣模型、噴流模型、二元翼型、鉸鏈力矩、投放模型、顫振、靜彈等20餘種。
模型作為一種特殊的航空產品，在研製過程中，與通用航空產品相比有其特殊性，其幾何外形必須與真實飛機完全相似，一般按飛機的理論外型進行縮比。模型設計必須滿足風洞安裝要求，並進行強度和剛度校核計算。模型的加工、裝配精度要求較高。模型是一種高精密度的機械產品，無論是零部件，還是整機組合件，在研製生產過程中，都要求必須精準。一套典型的模型結構大致分為以下幾部分：
（1）機身部分：是模型的承力部件，機身內有主要的受力構件，由於機身較為細長，要採用分段結構，根據需要一般由2~4段組成。
（2）翼面部分:是模型的承力部件，包括機翼、水平尾翼、垂直尾翼、彈翼等。
（4）動力及通氣管路:包括唇口裝置、通氣管路、發動機艙、噴管和噴口等。
（5）連線與支撐裝置:主要有與風洞連線的支桿、天平等部件。
製造模型的材料是比較嚴格規範的，高速風洞模型均由金屬材料製造，模型的主要承力零部件，如機身、翼面、活動操縱面等選用高強度優質結構合金鋼30CrMnSiA、欽合金等製造，部分試驗次數較少或承載不大的零件可用鋼45或鋁合金LY12CZ。隨著加工手段的提高和模型大型化的趨勢，低速風洞模型越來越多地採用鋁合金和複合材料。
模型風洞的要求
風洞試驗的要求材料通常採用木質(三合板)、有機玻璃或鋁合金。模型的大小依具體的風洞尺寸而定，一般的風洞都不可能進行足尺試驗，因此大部分的建築風洞試驗模型都是通過幾何縮尺得到的。風洞的尺寸確定後，模型越大，風洞壁附面層對模型的影響也越大。為了使風洞壁附面層對模型的影響不會過大，風洞試驗對模型進行了如下的規定:
(1)模型的迎風面積不得超過試驗段橫截面積的5%，即模型在風洞試驗段中的阻塞度不得超過5%；
(2)模型的寬度不得超過試驗段寬度的70%；
(3)模型的長度應在風洞靜壓梯度比較均勻的區域內，以減小風洞試驗段內沿風洞軸線方向的靜壓梯度影響。
在滿足以上要求的基礎上，試驗的設計者可以根據具體需要採用一個相對比較合理的幾何縮尺比進行試驗。通常建築風洞試驗模型的幾何縮尺比選大約在1/300-1/500之間。
模型風洞的分類
模型風洞試驗根據不同的試驗目的採用不同的模型種類。風洞試驗的基本模型主要分為剛性模型和氣動彈性模型兩大類。
剛性模型
所謂剛性模型就是在試驗中只考慮風對模型的靜力作用，而不考慮脈動風引起的結構動力效應。剛性模型為圍護結構構件等的設計提供局部風壓分布並用於確定建築物周圍的風場特性(包括風速、風向和建築物周圍的流線譜等)，也為確定總平均荷載提供平均壓力。
剛性模型絕大多數由甲基丙烯酸甲酷薄板製成，此材料俗稱為耐熱有機玻璃。它比木質模型或鋁合金模型有許多優點，如：易於精確地進行機械加工和鑽孔，而且是半透明的，便於對模型內的裝置進行觀測。當加熱至200度左右時，還易於成型為曲面。可用膠粘劑或埋頭螺絲將模型板連線。
對於目前建造的大多數建築物來說尤其是鋼筋混凝土結構，由於其具有足夠的剛度，重量也較大，由風引起的振幅較小，從簡化抗風設計的角度出發，其模型都可以認為是剛性模型。我國規範規定:對於高度在30米以下或高寬比小於1. 5的房屋可以不考慮脈動風壓的影響。新的國際風荷載標準認為:在風載作用下，建築物的撓度小於建築物高度的1/1000時為剛性建築。
剛性模型是為高寬比小於5的建築物提供適用設計數據的。雖然剛性模型研究的基本目的是得出局部壓力的波動狀態，但其試驗結果仍可能外延，得出對氣動彈性相互作用不敏感的剛性建築整個結構體系的設計壓力。利用其結果進行結構總體框架的設計己日益普遍。和空氣動力學以及高頻力平衡研究相比，在剛性模型研究中用於得出平均壓力的方法似乎有些冗長乏味，但必須指出，剛性模型試驗是提供局部壓力波動資料的唯一試驗，而波動資料是經濟而良好地進行玻璃等圍護結構設計的基礎。儘管一些較先進的建築法規試圖建立考慮外形因素、紊流和建築物動力特性的設計荷載，但是，求助於風洞試驗己成為工程的實踐。因為業主和開發者們通常感到風洞試驗中得到的圍護結構風載可信度大大超過了試驗的耗費。在北美，如果沒有圍護結構壓力的研究，許多幕牆供應商將猶豫是否承擔這一任務。
氣動彈性模型
由於大氣紊流的衝擊作用，高、細、柔的建築物受到動力荷載。風引起的振動又由於建築物的動力反應而明顯增大。由建築物動力反應引起的增大可達總反應的50%或50%以上。風亦引起水平加速度增大，因而要求考慮用戶的舒適感和對運動的感覺。和剛性模型研究一樣，用分析方法確定風載的動力效應不能作為常規的設計程式，因此必須進行風洞試驗以模擬建築物的獨特特性和所處的具體場所。二十世紀六十年代，在對紐約世界貿易中心大廈的風載試驗中，氣動彈性模型首次被套用於高層建築研究，並在此後得到了不斷的發展。
雖然將剛性模型研究得出的局部壓力沿全表面累加可以很好地估算出建築物的總風荷載，但局部風壓峰值的不相關性排除了這種由累加得出動力荷載峰值的可能性。而且，要對適當的陣風持續時間(該持續時間可使結構充分承受陣風的全部效應)選用適當的陣風荷載係數，這個陣風係數的選擇常常不是容易做到的。正確的陣風係數應考慮平均風載的平均周期；與建築物高度有關的場地粗糙度；與建築物自振頻率有關的峰值陣風係數：紊流效應和建築物的臨界阻尼。雖然許多有關風和結構相互作用的效應可以定性的加以描述，但在實踐中卻不可能將這些效應進行精確的分析並量化。
在考慮建築物或結構的運動影響風荷載時，利用氣動彈性模型可以直接去量測風洞中的動力荷載(總荷載、位移和加速度)，從而擺脫了陣風係數的計算。
除提供風的總平均荷載和動力荷載外，氣動彈性模型研究基本上是檢驗風引起的擺動反應。此試驗對於那些對空氣彈性或人體運動有重大效應的細而柔，並對動力敏感的結構十分重要。氣動彈性模型試驗是預測建築物對風反應的最可靠的方法之一。
模型風洞的套用
模型風洞，也稱為模型參考，模型校準（法語：maquettes d'étalonnage）或測試檢查標準是相對簡單和精確定義的形狀的對象，具有已知的空氣動力特性，在風洞中進行測試。 使用標準模型，通過比較風洞試驗結果與先前公布的結果，驗證風洞中的完整測量鏈，包括風洞結構，氣流質量，模型定位，換能器和力平衡，數據採集 系統和數據簡化軟體。
更具體地說，模型風洞用於：
（1）通過與其他風洞設施的結果相比，確認新風洞數據的可靠性;
（2）提供不同風洞結果相關性的基線;
（3）隨著時間的推移檢查數據重複性;
（4）在修復或修改風洞結構後檢查數據重複性;
（5）評估牆壁干擾效應;
（6）識別風洞運行中的問題和故障;
（7）驗證新的測量技術或設備;
（8）培訓風洞人員。
此外，將標準模型的風洞試驗結果用作驗證計算流體動力學（CFD）計算機代碼的測試用例。
在大多數風洞中，標準型號在設備的調試和校準期間進行了測試。這有時會產生不幸的影響，測試結果並不如以前那樣好，因為風洞及其測量系統在測試時尚未得到最佳調整。然而，一些實驗室每幾年都採用了對標準模型進行定期測試的做法，以便對其風洞中的測量可靠性提供持續的信心。
標準風洞模型通常（但不總是）用於基本風洞測量類型之一，例如用力平衡的力和力矩的測量或壓力分布的測量。這些模型的風洞試驗結果通常以無量綱空氣動力學係數的形式出版（因此獨立於模型尺寸），並且可用於風洞社區，通常在包含數據的設施間比較的審查報告中討論了觀察到的結果分散，不同的測試條件，模型之間的生產差異。
由於大部分風洞試驗與航空有關，大多數標準風洞模型類似翼型，飛機或飛彈的簡化形式。對於靜態測試，NACA 0012和CLARK Y（具有典型翼型的2D翼段模型），AGARD-B / AGARD-C（通用三角翼飛機形狀），ONERA-M（通用運輸飛機形狀），HB-2（超高速彈道模型2，類似於折返體的形狀）。對於動態測試，經常使用的標準模型是：SDM（標準動態模型，類似於F-16的類似戰鬥機型飛機形狀）），BFM（基本翼型模型，具有四個翼片的通用圓錐形飛彈後端）和MBFM（改進的基本細節模型）。還存在許多其他標準模型。
隨著越來越多的風洞在道路車輛的測試中被使用，定義了幾種標準車型，如艾哈邁德身體，MIRA參考車等。
一些風洞實驗室使用內部定義的標準模型進行定期檢查，這些模型選自先前在設施中測試的模型庫。
相對於一些容易識別的參數來定義標準風洞模型的幾何形狀。身體直徑或翼和弦幾何體由提出模型的機構發布。除了模型本身，通常還定義了與模型一起使用的標準模型支持（如刺）。實際模型的建造尺寸適合於特定風洞試驗段的尺寸，特別注意模型的正面阻塞（模型橫截面積與風洞試驗段面積的比例）保持不變遠低於1%（除了牆體干擾研究，模型可能更大）。
為了消除設備間比較模型之間的生產差異的影響，有時在幾個風洞中測試相同的物理標準模型
