基本介紹
- 中文名：風洞模擬試驗
- 外文名：wind-tunnel testing
- 學科：流體力學
- 主要研究：氣體流動及其與模型的相互作用
- 原理：運動的相對性
- 試驗內容：模擬空中各種複雜的飛行狀態
實驗分類,試驗原理,發展歷史,不足之處,優點,
實驗分類
空氣動力學實驗分實物實驗和模型實驗兩大類 。實物實驗如飛機飛行實驗和飛彈實彈發射實驗等，不會發生模型和環境等模擬失真問題，一直是鑑定飛行器氣動性能和校準其他實驗結果的最終手段，這類實驗的費用昂貴，條件也難控制，而且不可能在產品研製的初始階段進行，故空氣動力學實驗一般多指模型實驗。空氣動力學實驗按空氣（或其他氣體）與模型（或實物）產生相對運動的方式不同可分為3類：①空氣運動，模型不動，如風洞實驗。②空氣靜止，物體或模型運動，如飛行實驗、模型自由飛實驗（有動力或無動力飛行器模型在空氣中飛行而進行實驗）、火箭橇實驗（用火箭推進的在軌道上高速行駛的滑車攜帶模型進行實驗）、旋臂實驗（旋臂機攜帶模型旋轉而進行實驗）等。③空氣和模型都運動，如風洞自由飛實驗（相對風洞氣流投射模型而進行實驗）、尾旋實驗（在尾旋風洞上升氣流中投入模型，並使其進入尾旋狀態而進行實驗）等。進行模型實驗時，應保證模型流場與真實流場之間的相似，即除保證模型與實物幾何相似以外，還應使兩個流場有關的相似準數，如雷諾數、馬赫數、普朗特數等對應相等（見流體力學相似準數）。
實際上，在一般模型實驗（如風洞實驗）條件下，很難保證這些相似準數全部相等，只能根據具體情況使主要相似準數相等或達到自準範圍。例如涉及粘性或阻力的實驗應使雷諾數相等；對於可壓縮流動的實驗，必須保證馬赫數相等，等等。應該滿足而未能滿足相似準數相等而導致的實驗誤差，有時也可通過數據修正予以消除，如雷諾數修正。洞壁和模型支架對流場的干擾也應修正。空氣動力學實驗主要測量氣流參數，觀測流動現象和狀態，測定作用在模型上的氣動力等。實驗結果一般都整理成無量綱的相似準數，以便從模型推廣到實物。
試驗原理
風洞一般稱之為風洞模擬試驗。簡單地說，就是依據運動的相對性原理，將飛行器的模型或實物固定在地面人工環境中，人為製造氣流流過，以此模擬空中各種複雜的飛行狀態，獲取試驗數據。這是現代飛機、飛彈、火箭等研製定型和生產的“綠色通道”。簡單的說，風洞就是在地面上人為地創造一個“天空”。至於我們國家的風洞為什麼會選擇建在大山深處，那是歷史原因造成的。
風洞試驗中，天平測量得到的模型氣動力在轉換到氣流坐標繫上時會因為模型迎角測量的誤差引入模型氣動力係數誤差，而此誤差在一些條件下可以占到總的氣動力係數誤差的25%。因此，準確的迎角測量技術是獲得高精度氣動特性試驗數據的基礎。風洞試驗數據精確度的先進指標要求模型的阻力係數誤差在馬赫數Ma位於0.4～0.9的範圍內時不超過0.0001，這就要求模型迎角的測量誤差不能超過0.01°。
發展歷史
空氣動力學是世界科學領域裡最為活躍、最具有發展潛力的學科之一。世界各已開發國家對空氣動力學的發展都給予了高度重視，不惜花費巨額資金建設空氣動力試驗設施並開展研究工作。
美國早在80年代中期出台的震撼全球的超級跨世紀工程——“星球大戰”計畫中，就曾把作為基礎學科的空氣動力學放在非常突出的重要位置上。的確，如果不先在空氣動力學上獲得重大突破，這個將耗資1萬億美元的超級工程，很多關鍵技術將無法解決。緊接著在1985年發表的“美國航空航天2000年”中，也把空氣動力學列為需要解決的七個問題中的第一個。而剩下的六個問題中還有四個與空氣動力學有關。這使美國花費巨額投資研製了每秒20億次的超級計算機專門為空氣動力學研究服務。成功套用在多項科研與型號試驗之中，大大提高了風洞試驗效率，降低了科研與風洞試驗成本，受到了各國航空航天領域科研人員的廣泛關注和深入研究。
前蘇聯在“十月革命”勝利後的第二年，列寧就下令組建了國家空氣動力研究機構——中央流體動力研究院，並任命“俄羅斯航空之父”茹可夫斯基擔任院長，這一決策為前蘇聯成為世界上另一個航天大國奠定了堅實的基礎。二次大戰之前，史達林曾下令建造了世界上第一座可用於進行整架飛機試驗的全尺寸風洞。與美國相比，前蘇聯在空氣動力學的整體水平上毫不遜色，甚至在許多方面都領先於美國，它在航空航天領域取得的一系列成就足以說明這一點。
英、法兩國在二次大戰前均為名列前茅的老牌航空先進國家，然而戰後他們突然發現自己比美、蘇等國落後了一截，於是兩國重振旗鼓、奮起直追。在戰後第二年，法國政府便決定把因戰爭和被占領分散到全國各地的研究機構組織到一起，組建了國家空氣動力研究機構，並在阿爾卑斯山腹地開始創建莫當試驗中心，堪稱世界一流的大功率空氣動力試驗風洞設備。曾經發明了世界上第一座風洞的英國人更是不甘落後，除了政府加強對空氣動力學的領導規劃之外，充分利用大學進行基礎學科的研究。據有關資料透露，在英國的46所大學裡，至少有30個以上高水平的空氣動力研究試驗室。
日本在戰後受到限制的情況下，航空工業曾有過長達8年的空白。但在此期間，其基礎研究——空氣動力學則進展神速。僅60年代，就先後仿製出11種飛機，自行設計8種飛機。
不足之處
風洞既然是一種模擬試驗，不可能完全準確。概括地說，風洞試驗固有的模擬不足主要有以下三個方面。與此同時，相應也發展了許多克服這些不足或修正其影響的方法。
邊界效應或邊界干擾
真實飛行時，靜止大氣是無邊界的。而在風洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界
附近的流線彎曲，使風洞流場有別於真實飛行的流場。其影響統稱為邊界效應或邊界干擾。克服的方法是儘量把風洞試驗段做得大一些(風洞總尺寸也相應增大)，並限制或縮小模型尺度，減小邊界干擾的影響。但這將導致風洞造價和驅動功率的大幅度增加，而模型尺度太小會使雷諾數變小。近年來發展起一種稱為"自修正風洞"的技術。風洞試驗段壁面做成彈性和可調的。試驗過程中，利用計算機，粗略而快速地計算相當於壁面處流線應有的真實形狀，使試驗段壁面與之逼近，從而基本上消除邊界干擾。
支架干擾
風洞實驗中，需要用支架把模型支撐在氣流中。支架的存在，產生對模型流場的干擾，稱為支架干擾。雖然可以通過試驗方法修正支架的影響，但很難修正乾淨。近來，正發展起一種稱為"磁懸模型"的技術。在試驗段內產生一可控的磁場，通過磁力使模型懸浮在氣流中。
相似準則不能滿足的影響
風洞實驗的理論基礎是相似原理。相似原理要求風洞流場與真實飛行流場之間滿足所有的相似準則，或兩個流場對應的所有相似準則數相等。風洞試驗很難完全滿足。最常見的主要相似準則不滿足是亞跨聲速風洞的雷諾數不夠。以波音737飛機為例，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飛行，雷諾數為2.4×107，而在3米亞聲速風洞中以風速100m/s試驗，雷諾數僅約為1.4×106，兩者相距甚遠。提高風洞雷諾數的方法主要有:
(1)增大模型和風洞的尺度，其代價同樣是風洞造價和風洞驅動功率都將大幅度增加。如上文所說俄國的全尺寸風洞。
優點
風洞模擬試驗儘管有局限性，但有如下四個優點：
①能比較準確地控制實驗條件，如氣流的速度、壓力、溫度等；
②實驗在室內進行,受氣候條件和時間的影響小,模型和測試儀器的安裝、操作、使用比較方便；
③實驗項目和內容多種多樣，實驗結果的精確度較高；
④實驗比較安全，而且效率高、成本低。因此，風洞實驗在空氣動力學的研究、各種飛行器的研製方面，以及在工業空氣動力學和其他同氣流或風有關的領域中，都有廣泛套用。
