風(fēng)洞的組成及種類

風(fēng)洞（wind tunnel）,，是能人工產(chǎn)生和控制氣流,，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備,，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用,、最有效的工具。

簡介

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是飛行器研制工作中的一個(gè)不可缺少的組成部分,。它不僅在航空和航天工程的研究和發(fā)展中起著重要作用,，隨著工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，在交通運(yùn)輸,、房屋建筑,、風(fēng)能利用等領(lǐng)域更是不可或缺的。這種方法,，流動(dòng)條件容易控制,，可重要依據(jù)是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理。實(shí)驗(yàn)時(shí),，常將模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)復(fù)地、經(jīng)濟(jì)地取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,，實(shí)驗(yàn)時(shí)的流動(dòng)必須與實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)相似，即必須滿足相似律的要求,。但由于風(fēng)洞尺寸和動(dòng)力的限制,，在一個(gè)風(fēng)洞中同時(shí)模擬所有的相似參數(shù)是很困難的，通常是按所要研究的課題,，選擇一些影響最大的參數(shù)進(jìn)行模擬,。此外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的流場品質(zhì),，如氣流速度分布均勻度、平均氣流方向偏離風(fēng)洞軸線的大小、沿風(fēng)洞軸線方向的壓力梯度,、截面溫度分布的均勻度、氣流的湍流度和噪聲級(jí)等必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn),，并定期進(jìn)行檢查測定。

歷史

實(shí)驗(yàn)段氣流速度在130米/秒以下(馬赫數(shù)≤0.4)的風(fēng)洞,。世界上公認(rèn)的第一個(gè)風(fēng)洞是英國人韋納姆(E.Mariotte)于1869～1871年建成,，并測量了物體與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力。它是一個(gè)兩端開口的木箱,，截面45.7厘米×45.7厘米,，長3.05米。美國的O.萊特和W.萊特兄弟在他們成功地進(jìn)行世界上第一次動(dòng)力飛行之前,，于1900年建造了一個(gè)風(fēng)洞,，截面40.6厘米×40～56.3千米/小時(shí)。1901年萊特兄弟又建造了風(fēng)速12米/秒的風(fēng)洞,，從而發(fā)明了世界上第一架飛機(jī),。

風(fēng)洞的大量出現(xiàn)是在20世紀(jì)中葉。到目前為止,，中國已經(jīng)擁有低速,、高速、超高速以及激波,、電弧等風(fēng)洞,。

組成

風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成,，各部分的形式因風(fēng)洞類型而不同,。

洞體

它有一個(gè)能對(duì)模型進(jìn)行必要測量和觀察的實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)段上游有提高氣流勻直度,、降低湍流度的穩(wěn)定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管,。實(shí)驗(yàn)段下游有降低流速、減少能量損失的擴(kuò)壓段和將氣流引向風(fēng)洞外的排出段或?qū)Щ氐斤L(fēng)洞入口的回流段,。有時(shí)為了降低風(fēng)洞內(nèi)外的噪聲，在穩(wěn)定段和排氣口等處裝有消聲器,。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共有兩類,，一類是由可控電機(jī)組和由它帶動(dòng)的風(fēng)扇或軸流式壓縮機(jī)組成。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使氣流壓力增高來維持管道內(nèi)穩(wěn)定的流動(dòng),。改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速或葉片安裝角,，或改變對(duì)氣流的阻尼，可調(diào)節(jié)氣流的速度,。直流電動(dòng)機(jī)可由交直流電機(jī)組或可控硅整流設(shè)備供電,。它的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長,，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低，多在低速風(fēng)洞中使用,。使用這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)洞稱連續(xù)式風(fēng)洞,，但隨著氣流速度增高所需的驅(qū)動(dòng)功率急劇加大，例如產(chǎn)生跨聲速氣流每平方米實(shí)驗(yàn)段面積所需功率約為4000千瓦,，產(chǎn)生超聲速氣流則約為16000～40000千瓦,。另一類是用小功率的壓氣機(jī)事先將空氣增壓貯存在貯氣罐中，或用真空泵把與風(fēng)洞出口管道相連的真空罐抽真空,，實(shí)驗(yàn)時(shí)快速開啟閥門,，使高壓空氣直接或通過引射器進(jìn)入洞體或由真空罐將空氣吸入洞體，因而有吹氣,、引射,、吸氣以及它們相互組合的各種形式。使用這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)洞稱為暫沖式風(fēng)洞,。暫沖式風(fēng)洞建造周期短,，投資少，一般[[雷諾數(shù)]]較高,，它的工作時(shí)間可由幾秒到幾十秒,，多用于跨聲速、超聲速和高超聲速風(fēng)洞,。對(duì)于實(shí)驗(yàn)時(shí)間小于 1秒的脈沖風(fēng)洞還可通過電弧加熱器或激波來提高實(shí)驗(yàn)氣體的溫度,，這樣能量消耗少，模擬參數(shù)高,。

測量控制系統(tǒng)

其作用是按預(yù)定的實(shí)驗(yàn)程序,，控制各種閥門、活動(dòng)部件,、模型狀態(tài)和儀器儀表,，并通過天平、壓力和溫度等傳感器,，測量氣流參量,、模型狀態(tài)和有關(guān)的物理量。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,，20世紀(jì)40年代后期開始，風(fēng)洞測控系統(tǒng),，由早期利用簡陋儀器,，通過手動(dòng)和人工記錄，發(fā)展到采用電子液壓的控制系統(tǒng),、實(shí)時(shí)采集和處理的數(shù)據(jù)系統(tǒng),。

種類

風(fēng)洞種類繁多，有不同的分類方法。按實(shí)驗(yàn)段氣流速度大小來區(qū)分,，可以分為低速,、高速和高超聲速風(fēng)洞?！?/span>

低速風(fēng)洞

許多國家相繼建造了不少較大尺寸的低速風(fēng)洞,。基本上有兩種形式,，一種是法國人A.-G.埃菲爾設(shè)計(jì)的直流式風(fēng)洞,；另一種是德國人L.普朗特設(shè)計(jì)的回流式風(fēng)洞，圖1是這兩種風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖?，F(xiàn)在世界上最大的低速風(fēng)洞是美國國家航空和航天局(NASA)埃姆斯(Ames)研究中心的12.2米×24.4米全尺寸低速風(fēng)洞,。這個(gè)風(fēng)洞建成后又增加了一個(gè)24.4米× 36.6米的新實(shí)驗(yàn)段，風(fēng)扇電機(jī)功率也由原來25兆瓦提高到100兆瓦,。

低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段有開口和閉口兩種形式,，截面形狀有矩形、圓形,、八角形和橢圓形等,，長度視風(fēng)洞類別和實(shí)驗(yàn)對(duì)象而定。60年代以來,，還發(fā)展出雙實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞,，甚至三實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞。圖2為美國氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的8米(寬)×6米(高),、16米(寬)×12米(高)閉口串列雙實(shí)驗(yàn)段開路式風(fēng)洞示意圖,。

風(fēng)洞就是用來產(chǎn)生人造氣流(人造風(fēng))的管道。在這種管道中能造成一段氣流均勻流動(dòng)的區(qū)域,，汽車風(fēng)洞試驗(yàn)就在這段風(fēng)洞中進(jìn)行,。汽車風(fēng)洞中用來產(chǎn)生強(qiáng)大氣流的風(fēng)扇是很大的，比如奔馳公司的汽車風(fēng)洞,，其風(fēng)扇直徑就達(dá)8.5m,，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電動(dòng)功率高達(dá)4000kW，風(fēng)洞內(nèi)用來進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)段的空氣流速達(dá)270km/h,。建造一個(gè)這樣規(guī)模的汽車風(fēng)洞往往需要耗資數(shù)億美元,，甚至10多億，而且每做一次汽車風(fēng)洞試驗(yàn)的費(fèi)用也是相當(dāng)大的,。

在低速風(fēng)洞中,，常用能量比Er衡量風(fēng)洞運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。式中v0和A0分別為實(shí)驗(yàn)段氣流速度和截面積,；ρ為空氣密度,；η和N 分別為驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)效率和電機(jī)的輸入功率,。對(duì)于閉口實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞Er為3～6。雷諾數(shù)Re是低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的主要模擬參數(shù),，但由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象和項(xiàng)目不同,，有時(shí)尚需模擬另一些參數(shù)，在重力起作用的一些場合下（如尾旋,、投放和動(dòng)力模型實(shí)驗(yàn)等）還需模擬弗勞德數(shù)Fr,，在直升機(jī)實(shí)驗(yàn)中尚需模擬飛行馬赫數(shù)和旋翼翼尖馬赫數(shù)等。

低速風(fēng)洞的種類很多,，除一般風(fēng)洞外,，有專門研究飛機(jī)防冰和除冰的冰風(fēng)洞，研究飛機(jī)螺旋形成和改出方法的立式風(fēng)洞,，研究接近飛行條件下真實(shí)飛機(jī)氣動(dòng)力性能的全尺寸風(fēng)洞,，研究垂直短距起落飛機(jī)(V/STOL)和直升機(jī)氣動(dòng)特性的V/STOL風(fēng)洞，還有高雷諾數(shù)增壓風(fēng)洞等,。為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)外部噪聲,，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)，一些風(fēng)洞作了改建以適應(yīng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)要求,。為了開展工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)研究,，除了對(duì)航空風(fēng)洞進(jìn)行改造和增加輔助設(shè)備外，各國還建造了一批專用風(fēng)洞,，如模擬大氣流動(dòng)的速度剖面,、湍流結(jié)構(gòu)和溫度層結(jié)的長實(shí)驗(yàn)段和最小風(fēng)速約為0.2米/秒的大氣邊界層風(fēng)洞，研究全尺寸汽車性能,、模擬氣候條件的汽車風(fēng)洞,，研究沙粒運(yùn)動(dòng)影響的沙風(fēng)洞等。

直流式閉口實(shí)驗(yàn)段低速風(fēng)洞是典型的低速風(fēng)洞,。在這種風(fēng)洞中,，風(fēng)扇向右端鼓風(fēng)而使空氣從左端外界進(jìn)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段。穩(wěn)定段的蜂窩器和阻尼網(wǎng)使氣流得到梳理與和勻,，然后由收縮段使氣流得到加速而在實(shí)驗(yàn)段中形成流動(dòng)方向一致,、速度均勻的穩(wěn)定氣流。在實(shí)驗(yàn)段中可進(jìn)行飛機(jī)模型的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn),，以取得作用在模型上的空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。這種風(fēng)洞的氣流速度是靠風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來控制的。中國氣動(dòng)力研究和發(fā)展中心已建成一座開路式閉口串列雙試段大型低速風(fēng)洞,，第一實(shí)驗(yàn)段尺寸為12×16×25米3,最大風(fēng)速為25米/秒,，第二實(shí)驗(yàn)段尺寸為8×6×25米3，最大風(fēng)速為100米/秒,。

回流式風(fēng)洞實(shí)際上是將直流式風(fēng)洞首尾相接,，形成封閉回路。氣流在風(fēng)洞中循環(huán)回流,，既節(jié)省能量又不受外界的干擾,。風(fēng)洞也可以采用別的特殊氣體或流體來代替空氣，用壓縮空氣代替常壓空氣的是變密度風(fēng)洞,，用水代替空氣的稱為水洞（見水槽和水洞）,。

亞音速、跨音速,、超音速風(fēng)洞,、暫沖下吹式三音速風(fēng)洞(圖2 )是這種風(fēng)洞的代表。這種風(fēng)洞左端最上游為一壓縮空氣貯氣罐,，其中壓強(qiáng)一般在 8個(gè)大氣壓以上,。當(dāng)隔斷貯氣罐與風(fēng)洞的快速閥被打開時(shí)，壓縮空氣即經(jīng)快速閥和調(diào)壓閥而流入穩(wěn)定段,。調(diào)壓閥能跟隨貯氣罐內(nèi)的壓力下降而自動(dòng)地逐漸開大,，使穩(wěn)定段保持恒定的壓強(qiáng)（以超音速實(shí)驗(yàn)來說，這類風(fēng)洞一般能保持恒定壓強(qiáng)約數(shù)十秒時(shí)間）,。穩(wěn)定段中的恒壓氣流經(jīng)拉瓦爾噴管加速而達(dá)到超音速狀態(tài),，以一定的馬赫數(shù)(M>1)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，以供超音速飛行器模型實(shí)驗(yàn)之用,。氣流流過實(shí)驗(yàn)段后,，再由超音速擴(kuò)壓段和亞音速擴(kuò)壓段降速升壓，并排放到外界大氣中去,。為了降低排氣噪聲,，在排氣口處設(shè)有消音塔。在進(jìn)行跨音速實(shí)驗(yàn)時(shí),，由于模型上產(chǎn)生局部激波,，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的壁面必須做成多孔或開槽壁，以保證實(shí)驗(yàn)段氣流的均勻性和消除壁面上的反射激波,。中國建成的具有柔壁噴管的三音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸為1.2×1.2米2,跨音速時(shí)采用部分排氣在回流道內(nèi)循環(huán)的下吹－引射工作方式,，超音速時(shí)為下吹工作方式。

高速風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為0.4～4.5的風(fēng)洞,。按馬赫數(shù)范圍劃分,，高速風(fēng)洞可分為亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞,。

亞聲速風(fēng)洞

風(fēng)洞的馬赫數(shù)為0.4～0.7,。結(jié)構(gòu)形式和工作原理同低速風(fēng)洞相仿，只是運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率比低速風(fēng)洞大一些,。

跨聲速風(fēng)洞

風(fēng)洞的馬赫數(shù)為0.5～1.3,。當(dāng)風(fēng)洞中氣流在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)最小截面處達(dá)到聲速之后,，即使再增大驅(qū)動(dòng)功率或壓力，實(shí)驗(yàn)段氣流的速度也不再增加,，這種現(xiàn)象稱為壅塞,。因此，早期的跨聲速實(shí)驗(yàn)只能將模型裝在飛機(jī)機(jī)翼上表面或風(fēng)洞底壁的凸形曲面上,，利用上表面曲率產(chǎn)生的跨聲速區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。這樣不僅模型不能太大，而且氣流也不均勻,。后來研究發(fā)現(xiàn),，實(shí)驗(yàn)段采用開孔或順氣流方向開縫的透氣壁，使實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的部分氣流通過孔或縫流出,，可以消除風(fēng)洞的壅塞,，產(chǎn)生低超聲速流動(dòng)。這種有透氣壁的實(shí)驗(yàn)段還能減小洞壁干擾,，減弱或消除低超聲速時(shí)的洞壁反射波系,。因模型產(chǎn)生的激波，在實(shí)壁上反射為激波,，而在自由邊界上反射為膨脹波,，若透氣壁具有合適的自由邊界，則可極大地減弱或消除洞壁反射波系,。為了在各種實(shí)驗(yàn)情況下有效地減弱反射波,，發(fā)展出可變開閉比（開孔或開縫占實(shí)驗(yàn)段壁面面積的比例）和能改變開閉比沿氣流方向分布的透氣壁。第一座跨聲速風(fēng)洞是美國航空咨詢委員會(huì)(NACA)在1947年建成的,。它是一座開閉比為12.5%,、實(shí)驗(yàn)段直徑為 308.4毫米的開縫壁風(fēng)洞。此后跨聲速風(fēng)洞發(fā)展很快,，到50年代就已建設(shè)了一大批實(shí)驗(yàn)段口徑大于1米的模型實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞,。

高超聲速風(fēng)洞

馬赫數(shù)大于 5的超聲速風(fēng)洞。主要用于導(dǎo)彈,、人造衛(wèi)星,、航天飛機(jī)的模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常有氣動(dòng)力,、壓力,、傳熱測量和流場顯示，還有動(dòng)穩(wěn)定性,、低熔點(diǎn)模型燒蝕,、質(zhì)量引射和粒子侵蝕測量等。高超聲速風(fēng)洞主要有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞、低密度風(fēng)洞,、激波風(fēng)洞,、熱沖風(fēng)洞等形式。

高超音速風(fēng)洞 　如要在風(fēng)洞中獲得更高 M數(shù)的氣流(例如M≥5),一般來說單靠上游高壓空氣的吹沖作用還不能產(chǎn)生足夠的壓力差,，這時(shí)在風(fēng)洞下游出口處接上一只容積很大的真空容器,，靠上沖下吸便可形成很大的壓差，從而產(chǎn)生M≥5的高超音速氣流,。不過氣流在經(jīng)過噴管加速到高超音速的過程中會(huì)急劇膨脹，溫度會(huì)隨之急劇下降,，從而引起氣體的自身液化,。為避免液化或模擬需要的溫度，必須在高超音速風(fēng)洞中相當(dāng)于穩(wěn)定段處裝設(shè)加熱裝置,。高超音速風(fēng)洞依加熱原理和用途的不同有多種型式,。暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞 較為典型，它很像常規(guī)的超音速風(fēng)洞,。其他型式的風(fēng)洞有激波風(fēng)洞,、炮風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞,、長沖風(fēng)洞,、氣體活塞式風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞等（見超高速實(shí)驗(yàn)設(shè)備）,。中國氣動(dòng)力研究和發(fā)展中心的高壓－引射驅(qū)動(dòng)的暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段直徑為 0.5米,。這個(gè)中心還建成一座實(shí)驗(yàn)段直徑為2米的激波風(fēng)洞。

超聲速風(fēng)洞

洞內(nèi)氣流馬赫數(shù)為1.5～4.5的風(fēng)洞,。風(fēng)洞中氣流在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前經(jīng)過一個(gè)拉瓦爾管而達(dá)到超聲速,。只要噴管前后壓力比足夠大，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流的速度只取決于實(shí)驗(yàn)段截面積對(duì)噴管喉道截面積之比,。通常采用由兩個(gè)平面?zhèn)缺诤蛢蓚€(gè)型面組成的二維噴管,。噴管的構(gòu)造型式有多種，例如：兩側(cè)壁和兩個(gè)型面裝配成一個(gè)剛性半永久性組合件并直接與洞體連接的固定噴管,；由可更換的型面塊和噴管箱側(cè)壁組成噴管,，并將噴管箱與洞體連接而成的固塊噴管；由兩塊柔性板構(gòu)成噴管型面,，且柔性板的型面可進(jìn)行調(diào)節(jié)的柔壁噴管（圖3）,。實(shí)驗(yàn)段下游的超聲速擴(kuò)壓器由收縮段、第二喉道和擴(kuò)散段組成(圖4),通過喉道面積變化使超聲速流動(dòng)經(jīng)過較弱的激波系變?yōu)閬喡曀倭鲃?dòng),，以減小流動(dòng)的總壓損失,。第一座超聲速風(fēng)洞是普朗特于1905年在德國格丁根建造的，實(shí)驗(yàn)馬數(shù)可達(dá)到1.5。1920年A.布澤曼改進(jìn)了噴管設(shè)計(jì),，得到了均勻超聲速流場,。1945年德國已擁有實(shí)驗(yàn)段直徑約 1米的超聲速風(fēng)洞。50年代,，世界上出現(xiàn)了一批供飛行器模型實(shí)驗(yàn)的超聲速風(fēng)洞,，其中最大的是美國的4.88米×4.88米的超聲速風(fēng)洞。

現(xiàn)在建設(shè)的許多風(fēng)洞,，往往突破了上述亞聲速,、跨聲速和超聲速單一速度的范圍，可以在一個(gè)風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行亞聲速,、跨聲速和超聲速實(shí)驗(yàn),。這種風(fēng)洞稱為三聲速風(fēng)洞。中國氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的1.2米×1.2米跨聲速,、超聲速風(fēng)洞（圖5）是一座三聲速風(fēng)洞,。

60年代以來，提高風(fēng)洞的雷諾數(shù)受到普遍重視,?？缏曀亠L(fēng)洞的模型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)通常小于1×109，大型飛行器研制需要建造雷諾數(shù)更高（例如大于4×109）的跨聲速風(fēng)洞,，因而出現(xiàn)了增高駐點(diǎn)壓力的路德維格管風(fēng)洞,，用噴注液氮降低實(shí)驗(yàn)氣體溫度、提高雷諾數(shù)的低溫風(fēng)洞等新型風(fēng)洞,。低溫風(fēng)洞具有獨(dú)立改變馬赫數(shù),、雷諾數(shù)和動(dòng)壓的能力，因此發(fā)展很快,。

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