風洞試驗的應(yīng)用研究

陳思安 周青 胡海峰 歐東斌

摘 要：隨著空間的日益緊張，航空航天行業(yè)的發(fā)展能大幅增強進入、掌握和利用空間的能力，空天飛行器是航空航天的必要工具，是航空航天科學(xué)家們研究的熱門焦點。風洞作為空氣動力學(xué)試驗最常用的工具，是空天飛行器研究的“考官”?？仗祜w行器從設(shè)計、選材、試飛到最終上天飛行，需要先到風洞里檢驗，檢驗合格了，就能領(lǐng)取飛天“通行證”。因此，風洞作為必要工具，各國也著眼于開展風洞設(shè)備及技術(shù)的研究，并將其運用到了交通運輸業(yè)、建筑業(yè)、風能利用業(yè)、噪聲污染等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：風洞;風洞技術(shù);空天飛行器

中圖分類號：V211.74 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0099-02

2013年6月，成功發(fā)射了“神舟十號”載人飛船，是我國“載人航天”技術(shù)的一個里程碑。2013年年底發(fā)射了“嫦娥三號”首次釋放月球車，開展了“落月的實驗”。2017年5月5日，我國研制了9年、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大型飛機C919成功首飛。近些年，我國在航空航天領(lǐng)域這些突飛猛進的發(fā)展，都離不開空氣動力學(xué)研究中最關(guān)鍵的工具——風洞[1]。

1 風洞與風洞試驗

風洞，是一種管道狀試驗設(shè)備，將飛行器或模型放入管道中，通過人為產(chǎn)生及控制，模擬實況中試驗體周圍氣流，試驗時測量氣流對物體的作用，觀察物理現(xiàn)象[2]。

風洞設(shè)備和技術(shù)與航空航天飛行器的發(fā)展緊密相連。航空飛行器研究發(fā)展初期，為研究空氣動力學(xué)問題，促使了風洞設(shè)備的產(chǎn)生。于1871年，英國人溫霍姆率先建造世界上第一座風洞。緊接著隨飛機、導(dǎo)彈、航天飛行器的發(fā)展，20世紀30-80年代，大量風洞迅速建成，是風洞建設(shè)的高峰期，從低速、跨聲速、超聲速、高超聲速等各類型風洞得到迅速發(fā)展。目前，我國已擁有多種類型的風洞，如低速風洞、高速風洞、超高速風洞以及激波風洞、電弧風洞等。由于實際工況的復(fù)雜性，人們發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)和空氣動力學(xué)中的許多問題，不能簡單用力量或計算方法解決，因而風洞有其特殊的實況模擬重要性。

風洞由洞體、控制、驅(qū)動及水氣電輔助等系統(tǒng)構(gòu)成。由驅(qū)動系統(tǒng)的不同，風洞大致可分為兩種，一種是連續(xù)回流式風洞，它是利用風扇帶動氣流，循環(huán)吹風，該類風洞運行時間長，常在低速風洞中使用;另一種是暫沖式風洞（圖1），利用一邊高壓另一邊真空的壓差來驅(qū)動氣流，運行時間可控制從幾十毫秒到幾千秒，常用于跨聲速、超聲速和高超聲速風洞[7]。但這也是一種粗略的分法，還有一些特殊類型的風洞如電弧風洞、激波風洞、低密度風洞、結(jié)冰風洞等，以滿足不同風洞試驗的需求。

1934年清華大學(xué)航空工程系自行設(shè)計了國內(nèi)首個低速風洞設(shè)備，我國大量氣動布局新技術(shù)，均是在風洞試驗中獲得的。2013年10月，風洞設(shè)計專家劉政崇建成我國首座結(jié)冰風洞。由于國外技術(shù)封鎖，為考察飛行器在低溫環(huán)境的運行情況，實驗員不得不冒險在自然結(jié)冰氣象條件下試飛，而結(jié)冰風洞的建成結(jié)束了這種危險性極大的實驗。現(xiàn)如今，我國已經(jīng)擁有亞洲規(guī)模最大、性能配套的風洞群，風洞設(shè)備及技術(shù)僅次于美國和俄羅斯。

風洞試驗是將原飛行器縮小按比例做成的相似模型固定在風洞洞體里，讓人為高速氣流對著它流過來，這與飛行器在空中運行的自然空氣動力作用幾乎一樣，固定模型的支架可以使飛行器模型發(fā)生俯沖、傾斜、下降、上升等各種復(fù)雜動作，模型內(nèi)部的感應(yīng)器把檢測到的各項數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂崎g的電腦上。各項指標如果滿足設(shè)計的要求，飛行器就可達到飛行要求，可投入使用[3]！

飛行器從地面飛升到高空，期間會遇到不同的氣流和很多狀況，風洞怎么模擬如此復(fù)雜的工況呢？我國風洞家族擁有尺寸、性能配套的各類風洞：低速、高速、超高聲速、電弧、激波、結(jié)冰……模擬飛行速度可由10m/s到5000m/s，飛行高度可從地面到一百多千米高空！例如超音速風洞用于導(dǎo)彈實驗，風速可達3400m/s（等同于十倍音速）。

2 風洞試驗在各領(lǐng)域的應(yīng)用

早在1871年，英國工程師建造了世界上首座風洞[4]。1901年，美國的萊特兄弟建造風速為12.2m/s的簡易風洞，成功實現(xiàn)了人類的首次飛行，兩年后世界上第一架飛機問世，風洞從此進入實用階段。20世紀30～80年代，迎來了建設(shè)風洞的高峰期，世界各國均陸續(xù)建造了自己的風洞，以此保證本國在航空航天領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。美國NASA艾姆斯研究中心研制的火星風洞是火星飛機在地面飛行的模擬設(shè)備，它是將吸入式風洞放置在模擬火星大氣壓力和溫度的真空罐中，火星風洞給火星飛機、火星探測器等登火飛行器的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐[5]。

“殲-10”、“梟龍”戰(zhàn)機和“神舟”系列飛船等從設(shè)計到實際航行，中間都進行了多次的風洞試驗。為保證“神舟”飛船的安全飛行與返回，其各部件如發(fā)射裝置、返回艙、逃逸塔等，均需經(jīng)過風洞的嚴格檢驗。如飛船返回時，要穿越大氣層，各部件受到摩擦，產(chǎn)生高溫，也會受到雷、電、風、雨等影響，不僅返回艙的外形設(shè)計，還包括外表面蜂窩防熱材料也都經(jīng)過了大量的風洞試驗。

2.1 航空領(lǐng)域

風洞試驗早期只應(yīng)用在飛行器的研制工作中，主要應(yīng)用于飛行器低速氣動力試驗、理論研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，低速風洞試驗技術(shù)及試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用和研究，飛行器與飛行或運動相關(guān)的技術(shù)性能和應(yīng)用效能的低速驗證、評估，以及探索飛行器氣動概念、氣動技術(shù)以及設(shè)計方法等方面。經(jīng)過40多年的努力，風洞設(shè)備的發(fā)展逐步從靜態(tài)到動態(tài)、從無動力到有動力、從小迎角到大迎角、從模型試驗到實物試驗，可以說建立了門類齊全，尺寸配套、速度銜接的完整的低速空氣動力試驗設(shè)備體系。

2.2 航天領(lǐng)域

航天飛行器的飛行速度進一步提高，風洞在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括飛行器氣動力和壓力、熱環(huán)境和涂層沖刷、級間分離模擬、噴流和推力矢量控制、低溫燒蝕和粒子侵蝕、激波邊界層干擾、模型自由飛以及邊界層湍流和混合層湍流等試驗研究[6]。如航天飛機和神舟飛船再入大氣層，飛行速度非常高，須對飛行器進行熱防護設(shè)計，來避免飛行器與大氣摩擦所產(chǎn)生的氣動加熱燒毀飛行器。電弧風洞主要進行飛行器結(jié)構(gòu)性能、熱防護和燒蝕，以及飛行器部件熱化學(xué)和熱結(jié)構(gòu)性能測定，粒子侵蝕對飛行器特性的影響，再入體物理化學(xué)特性、氣動光學(xué)等試驗研究。

2.3 風工程與工業(yè)領(lǐng)域

風工程和工業(yè)空氣動力學(xué)，是研究大氣邊界層內(nèi)的風與人類活動及人所創(chuàng)造的物體間的相互作用，是由經(jīng)典的空氣動力學(xué)、氣候?qū)W、氣象學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、橋梁工程、建筑工程、能源工程、車輛工程和環(huán)境工程等互相滲透促進而形成的。

根據(jù)具體實際工況要求而建成的工業(yè)風洞在風工程與工業(yè)空氣動力學(xué)研究，在風能利用、橋梁和建（構(gòu)）筑物的風載荷和風響應(yīng)、車輛空氣動力學(xué)等方面均取得了一系列成果。

汽車工業(yè)領(lǐng)域，為了測試汽車性能，此前只能用汽車實際運行多次，考察汽車性能，即費時又費力還存在安全風險。沃爾沃率先把風洞運用到汽車研究上，設(shè)計上可精確模擬汽車以250公里/小時車速行駛時，汽車四周和車底的氣流，來確保汽車車身的空氣動力特性（如圖2所示）。通過風洞試驗所得數(shù)據(jù)進行設(shè)計，所設(shè)計的氣動外形使風阻減小10%以上，可每公里節(jié)油最高0.3L。大量的準高速列車、高速列車、磁懸浮列車以及各種編組列車的空氣動力特性、表面壓力分布等均需要經(jīng)過風洞試驗測驗。

橋梁工程領(lǐng)域，1940年秋橫跨于美國華盛頓州普吉特海峽塔科馬峽谷上的建成僅4個月的Tacoma懸索橋在不到20m/s的8級大風作用下“刮”斷了?？茖W(xué)家們用風洞設(shè)備模擬當時橋梁風毀情況，在1950年末建成了著名的新Tacoma橋，半個多世紀過去了，新建的Tacoma橋依然屹立不倒。1979年起，我國同濟大學(xué)利用低速航空風洞進行了上海柳港大橋、廣州海印大橋、天津永和大橋、山東勝利（東營）黃河大橋、重慶嘉陵江石門大橋等多座跨度橋梁的節(jié)段模型風洞試驗研究，開始了我國風洞在橋梁工程建設(shè)中的應(yīng)用。

3 結(jié)語

風洞試驗利用模擬相似的原理，將飛行器以縮尺模型固定于風洞洞體中，用測試儀器測量模型受到的風速或風力，來模擬實況進行實驗，使得實驗變得可操作，特別是飛行器的模擬實驗可以在地面進行，大大節(jié)約了時間和成本。隨著空氣動力學(xué)的推進，我國建成了低速風洞、高速風洞、超高速風洞、激波風洞、電弧風洞、結(jié)冰風洞等不同類型風洞，使得風洞試驗不僅在航空航天工業(yè)的發(fā)展中起重要作用，更是在各工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1] zhang zhengyu，wang S L.Videogrmmetric measurement for model displacement in wind tunnel test[J].Applied Mechanics and Materials，2011：103-107.

[2] Lu F K， Marren D E. Advanced hypersonic test facilities[J].Progress in Astronautics and Aeronautics，2002：198.

[3] 吳根，姜宗林，羅凡.空天飛行器先進風洞實驗技術(shù)及我國發(fā)展建議[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2014，1：13-16.

[4] 于濤，范潔川，賈元勝.現(xiàn)代航空聲學(xué)風洞技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗流體力學(xué)，2007，21（3）：86-91.

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[6] Takeo Tomita， Mamoru Takahashi， Masahiro Takahashi， et al. Visualization of the formation of separation bubbles on a bell-shaped nozzle surface in relation to serious side-load[C]//37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Salt Lake City， Utah：2001. AIAA 2001-3559.