什么是风洞试验？风洞试验的基本原理解释

 

 

　　风洞一般称之为风洞试验。简单地说，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。

 

　　风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准确。概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。与此同时，相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。

 

 

　　真实飞行时，静止大气是无边界的。而在风洞中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界

 

　　附近的流线弯曲，使风洞流场有别于真实飞行的流场。其影响统称为边界效应或边界干扰。克服的方法是尽量把风洞试验段做得大一些(风洞总尺寸也相应增大)，并限制或缩小模型尺度，减小边界干扰的影响。但这将导致风洞造价和驱动功率的大幅度增加，而模型尺度太小会使雷诺数变小。近年来发展起一种称为"自修正风洞"的技术。风洞试验段壁面做成弹性和可调的。试验过程中，利用计算机，粗略而快速地计算相当于壁面处流线应有的真实形状，使试验段壁面与之逼近，从而基本上消除边界干扰。

 

 

　　风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在，产生对模型流场的干扰，称为支架干扰。虽然可以通过试验方法修正支架的影响，但很难修正干净。近来，正发展起一种称为"磁悬模型"的技术。在试验段内产生一可控的磁场，通过磁力使模型悬浮在气流中。

 

 

　　风洞实验的理论基础是相似原理。相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。最常见的主要相似准则不满足是亚跨声速风洞的雷诺数不够。以波音737飞机为例，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飞行，雷诺数为2.4×107，而在3米亚声速风洞中以风速100m/s试验，雷诺数仅约为1.4×106，两者相距甚远。提高风洞雷诺数的方法主要有:

 

　　(1)增大模型和风洞的尺度，其代价同样是风洞造价和风洞驱动功率都将大幅度增加。如上文所说俄国的全尺寸风洞。

 

　　(2)增大空气密度或压力。已出现很多压力型高雷诺数风洞，工作压力在几个至十几个大气压范围。我国也正在研制这种高雷诺数风洞。

 

　　(3)降低气体温度。如以90K(-1830C)的氮气为工作介质，在尺度和速度相同时，雷诺数是常温空气的9倍多。世界上已经建成好几个低温型高雷诺数风洞。我国也研制了低温风洞，但尺度还比较小。

 

 

　　中国空气动力研究与发展中心是我国风洞事业的顶梁柱，我国几乎所有飞机、导弹、飞船等航空航天飞行器都在中心进行过空气动力试验研究任务，中心在几乎所有涉及空气动力学的国家重大研究计划和工程中发挥了至关重要的作用。

 

 

　　空气动力技术是发展先进航空航天飞行器的重要支撑，是国家间较量的重磅砝码。在复杂的国际环境下，过去许多年里，西方国家对我国严密封锁，由于没有风洞设备进行试验，我国刚刚起步的航空航天飞行器研制工作不得不放慢速度。

 

　　上世纪60年代，为打破西方封锁遏制，自主发展我国“两弹一星”和航空航天事业，老一辈国家领导人和科学家们高瞻远瞩、审时度势，作出了整合力量、集中建设我国国家级空气动力研究机构的战略决策。

 

　　喷管是风洞产生均匀高速气流的重要部件，被形象地称为风洞的“心脏”，是风洞设计中的关键技术难点。我国原有风洞采用的是落后的固块喷管，效率非常低下。“不创新就要落后。”设计师刘政崇敢于做第一个吃螃蟹的人，“要想发展大型跨超声速风洞，先要从攻破关键核心技术开始”!