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。
基本介紹
- 中文名：風洞模型
- 外文名：The wind tunnel model
- 按目的分類：剛性模型和氣動彈性模型
- 套用範圍：飛機的研製
- 設計理論依據：相似理論
- 用途：測量飛行器各個部件的氣動力特性
風洞試驗,組成結構,產品特點,要求,模型分類,剛性模型,氣動彈性模型,
風洞試驗
風洞實驗的理論依據是運動相對性原理和流動相似性原理。根據相對性原理，飛機在靜止空氣中飛行所受到的空氣動力，與飛機靜止不動、空氣以同樣的速度反方向吹來，兩者的作用是一樣的。但飛機迎風面積比較大，如機翼翼展小的幾米、十幾米，大的幾十米（波音747是60米），使迎風面積如此大的氣流以相當于飛行的速度吹過來，其動力消耗將是驚人的。根據相似性原理，可以將飛機做成幾何相似的小尺度模型，只要保持某些相似參數一致，試驗的氣流速度在一定範圍內也可以低于飛行速度，並可以根據試驗結果推算出真實飛行時作用於飛機的空氣動力。
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。
（3）活動操縱面部分:包括機翼前後緣襟翼、副翼、升降舵、方向舵、角度片、鉸鏈機構等。
（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。
產品特點
(1)模型生產全部採取單機形式:也就是說，即使在在一種飛機型號的研製過程中，要設計生產幾十套模型。由於每套模型的試驗目的不同，所以模型的大小尺寸和結構也都是不同的。
(2)模型外形相似性理論:模型的外形都是嚴格按理論數模縮小比例設計的。模型的縮小比例的大小是受試驗條件(風洞尺寸)的限制，但模型外形必須按比例真實模擬。
(3)加工精度要求高:GJB180-86及GJB569-868對高低速風洞試驗模型各組成部分的形位公差都做出了明確的規定，高速風洞試驗模型在組合後，外形公差要控制在
之間；低速風洞試驗模型外形公差要控制在
，此外，還對模型的全機長度、全翼展長、各舵面偏度等都做出了詳細規定。
(4)結構的相似性:模型最終要在風洞做試驗，以取得試驗數據，風洞的尺寸、試驗技術和試驗功能也約束了模型的尺寸和結構。雖然中國國內有幾十座各型風洞，但在同一風洞做試驗的模型結構十分相似。
(5)加工工藝特殊:風洞試驗模型的加工與常規機械加工不同，是一種專業化很強的工作，它的加工工藝獨特，除了要具備相應的硬體條件外，還要有長期的經驗積累和經驗豐富的技術人員和技工隊伍。
(6)加工準時性要求高:軍民機型號研製都遵循嚴格的時間節點控制，型號研製的各階段都必須在規定的時間內完成，所以要求模型的設計、生產、試驗各環節必須準時。
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。
模型分類
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。
