风洞的历史

世界上公认的第一个风洞是英国人韦纳姆于1869 ~ 1871年建成的,测量的是物体与空气相对运动时的阻力。它是一个两端开口的木箱,横截面为45.7厘米× 45.7厘米,长3.05米。美国兄弟O. Wright和W. Wright在1900年建造了一个风洞,横截面为40.6 cm ×40.6 cm,长度为1.8 m,气流速度为40 ~ 56.3 km/h,才成功地进行了世界上第一次动力飞行。1901年,莱特兄弟建造了风速为12 m/s的风洞,并对其飞行器进行了相关的实验测试。

20世纪中期出现了大量的风洞。到目前为止,我国已有低速、高速、超高速和激波、电弧等风洞。

风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具。它的产生和发展与航天科学的发展密切相关。风洞被广泛用于研究空气动力学的基本规律,以验证和发展相关理论,直接服务于各种飞行器的研制。通过风洞实验,确定飞机的气动布局,评估其气动性能。现代飞机的设计很大程度上依赖于风洞。比如50年代美国B-52轰炸机的研制进行了约10000小时的风洞实验,而80年代第一架航天飞机的研制进行了约100000小时的风洞实验。

新飞机的设计必须经过风洞实验。风洞中的气流需要不同的速度、不同的密度甚至不同的温度来模拟各种飞行器的真实飞行状态。风洞中的气流速度一般用实验气流的马赫数(M数)来衡量。风洞通常根据速度范围分类:m

由于可控性好、重复性高,风洞被广泛用于测试汽车空气动力学和风工程,如结构的风荷载和振动、建筑物的通风、空气污染、风力发电、环境风场、复杂地形的流动条件、防风设施的功效等。利用几何相似原理可以解决这些问题。可以在缩尺模型的风洞中放置地形和地面物体,然后用仪器测量模型的风力或风速。一些研究还指出,风洞实验的结果与现场风场观测的结果相似,因此风洞实验是研究许多风工程问题最常用的方法。风洞实验数据也可以用来验证数值模型的有效性,寻找更好的模型参数。

世界上的风洞总数已经达到一千多个。最大的低速风洞是美国国家航空航天局艾姆斯中心的国家全尺寸设备(NFSF),实验段尺寸为24.4×36.6 m2,足以实验一架完整的真机。雷诺数最高的最大跨音速风洞是美国兰利中心的国家跨音速设备(NTF)。这是一个低温风洞,实验截面尺寸为2.5×2.5 m2。采用注入液氮的技术降低实验气体的温度,使风洞实验的雷诺数达到或接近飞机的实际飞行值。现代最大的高马赫数、高雷诺数气体活塞风洞,还配备了先进的测量显示仪器和数据采集处理系统。风洞的发展趋势是进一步增加风洞的模拟能力和改善流场品质,消除跨音速下的洞壁干扰,发展自校正风洞。