风洞那些事

武际可

人类所赖以生存的贴近地球表面的大气层里，有许多与我们的生活密切相关、值得研究的现象。其中最为普遍的现象就是风对物体的作用力以及物体运动时所受的力。呼啸而过的大风可以折树倒屋，掀翻航船，造成严重的灾难；而利用风能的风车又可以提水发电，为人类效力。车船在空气中前进，会受到阻力；而飞机又靠在空气中前进所引起的空气动力，才能够飞行。

物体表面与空气接触会产生两种力：一种是垂直于表面的，一种是与表面相切的。在物体表面和周围情况不变的条件下，这些力的大小只与物体和空气的相对速度有关。也就是说，同样的物体，如果以同一姿态在空气中匀速运动所受的力，是和物体在同样姿态下，空气以相同的速度流过物体时所受的力相同的。物体表面所受的这些力的合力组成合力与合力矩，它们决定了物体在空气中的行为。

人们十分关心物体在风的作用下所受的力，以及物体在空气中运动时所受的阻力和升力情况。为了解这些力的大小，研究人员在英国数学家和工程师本杰明·罗宾斯所设计的悬臂机上进行了测试：将要测量的物体固定在悬臂末端，当悬臂以一定速度旋转起来时，从所加的驱动力就可以换算出物体所受的阻力。这种悬臂机使用了很长时间。不过，它有一个缺点，就是当悬臂旋转了一段时间后，周围的空气或水会随着悬臂一同旋转，导致实验精度大大降低。

既然物体在空气中所受的力只和物体与空气的相对速度有关，那么，是不是可以将物体固定起来，只让空气运动，进而测量出物体所受的力呢？这就是人们最初建造风洞的想法。

“飞行器的摇篮”

早期的风洞就是为了研究物体在空中飞行时所受的升力与阻力来设计的，即为了飞机设计所需。第一个设计与建造实验风洞的是英国人温翰姆，他是英国航空学会的创始人之一。他在1871年设计、建造了一座风洞。1884年，英国人菲利普建造了一座改进的风洞。1901年，美国莱特兄弟为了研制飞机建造了一座风洞。1902年，俄罗斯力学家茹科夫斯基在莫斯科大学建造了一座直径大约为0.61米的风洞。

1903年，莱特兄弟成功地让人类建造的飞机飞上了天空，开辟了航空史上的新纪元。这次成功的试飞得益于他们的风洞。1901年，莱特兄弟为实验和改进机翼，建造了风洞并在风洞中研究与比较了200种以上的机翼形状。到1902年秋，他们已经积累了上千次滑翔经验，掌握了飞行的理论与技术。这些为他们之后的成功奠定了坚实的基础。

因此，风洞被称为“飞行器的摇篮”，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。这种管道状实验设备能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象。

风洞实验，就是根据相对运动原理和相似理论，在风洞中测量飞行器缩比模型的空气动力特性，并研究相应的流动现象与流动机理。风洞实验要遵循几何相似、流动相似等一系列相似准则。

1903年以后，伴随航空业的发展，各国纷纷建造风洞。风洞的尺寸越来越大，功能多样，形式各异。德国早在1907年就成立了“哥廷根空气动力实验院”，为德国航空工业长期处于世界领先地位做出了卓越贡献。美国在1915年建立了航空（航天）咨询委员会（英文缩写为NACA，其后改为NASA），该机构除了领导和组织航空和航天方面的研究外，还建造和管理不同形式的风洞。1918年，苏联成立了中央流体动力研究院，苏联力学家茹科夫斯基出任所长。1921年，茹科夫斯基逝世后，研究所由他的学生恰普雷金继任。研究所也建造了许多不同功能的风洞。据统计，仅20世纪90年代，美国、英国、法国、德国、加拿大、荷兰和日本这7个国家共建有186座风洞，其中，美国有114座。目前，全世界的風洞已经有千余座。

我国第一座风洞是1934年由清华大学自行设计的低速风洞。该风洞建成于1936年，后因日本侵华战争爆发，风洞被毁。此后，在南昌筹建的4.57米低速风洞于1937年基本完工，该风洞在1938年毁于日本飞机的轰炸。抗战胜利后，清华大学、浙江大学都曾建过风洞，主要用于教学需要。

1949年之后，位于哈尔滨的解放军军事工程学院和北京大学等相继建造了低速风洞。为了加速发展中国的航空航天事业，根据著名科学家钱学森、郭永怀的构想，我国于1965年在四川组建了高速空气动力研究机构，随后又相继迅速组建了超高速和低速空气动力研究机构。

40多年来，中国空气动力研究与发展中心建造了数十座高质量的风洞，其规模堪称亚洲之最，为我国航空航天事业的发展做出了突出的贡献。

风洞什么样

风洞名称中通常会使用尺寸，风洞实验段尺寸决定了实验模型的大小。一般风洞实验模型尺寸比真实飞行器的尺寸小得多，当模型尺寸太小时，飞行器上的几何细节和小部件难以模拟。风洞越大，实验模型尺寸越大，模型保真度越高，实验数据就越可靠；但是，风洞尺寸越大，建设难度越大、运行成本就越高，这就要求权衡模拟准确度、可行性与经济性，合理确定风洞尺寸。

为此，世界主要空气动力研究机构都对风洞尺寸进行统一规划，按大、中、小尺寸配套，成体系地进行建设。其中，小型风洞主要用于基础研究和先进气动技术探索、多学科研究及计算流体力学（CFD）验证；中型风洞主要用于中小型飞行器选型、校核和定型实验，先进气动技术的验证；大型风洞主要用于大型飞行器的选型、校核和定型实验等。

现今，风洞的形式和功能已经发展得很复杂。

从吹风的形式来说，有直流式，有的为了节约能耗做成回流式。从吹风持续时间来说，有持续式和暂冲式。从实验段形状看，有圆形、方形、六角形和八角形等。

从风速来说，有低速风洞（风速在130米/秒以下）、高速风洞（实验段内气流马赫数为0.4～4.5的风洞）、亚音速风洞（实验段气流马赫数为0.4～0.7）、跨音速风洞（实验段气流马赫数为0.5～1.3）、超音速风洞（实验段内气流马赫数为1.5～4.5）、高超音速风洞（实验段内气流马赫数大于5）。马赫数是气流速度与声音传播速度之比。

从风洞的特别用途来说，有模拟风对近地结构作用的大气边界层风洞、用于测量车辆行进时所受阻力的汽车风洞，有模拟沙漠迁移规律的风沙风洞以及为测量高空气流特性的稀薄气体风洞、为研究飞机穿过云雾飞行时飞机表面局部结冰现象的冰风洞等。此外，还有激波风洞、热冲风洞等，不一而足。

也许你认为，建造一个风洞是很简单的事情，无非是建造一个大的洞体，再由一个巨大的风扇吹风就妥了。其实，风洞的建造是很复杂的，就洞内的气流来说，如果要使实验段各处的风速均匀，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范围内，这就是所谓对流场品质的要求。对于高速风洞，除了有对流场品质的要求外，对气流的湿度和温度还有要求。另外，洞体合乎要求后，还要有配套的许多测试设备和仪器。要有测力矩和测量流场各点速度压强的设备。由于测量这些数据的工作量很大，所以又需要有数据的自动采集和处理设备。

因而，现代化风洞的建立是现代科技水平的体现，风洞的水平完全能够体现一个国家的综合科技水平和实力。有的风洞的尺寸很大，可以把一架飞机装在里面吹风。我们见到的任何一架飞机或火箭的设计都需要成千上万次的风洞实验。建造一座现代化的风洞，耗资可以达数亿美元乃至数十亿美元之巨。

用途多又多

有了合格的风洞，利用这些风洞究竟能够做些什么实验呢？

风洞的产生和发展首先是同航空航天科学的发展紧密相关的。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律，以验证和发展有关理论，并直接为各种飞行器的研制服务，通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如，20世纪50年代美国研制B-52型轰炸机时，曾进行了约1万小时的风洞吹风实验，20世纪80年代第一架航天飞机的研制则进行了约10万小时的风洞实验，包括测量在不同姿态、不同速度、不同大气条件下的阻力、升力和压力分布。所以风洞实验的水平体现了一个国家航空航天的水平，也体现了一个国家国防中制空权的水平。

随着现代科学发展整体化趋势的出现，空气动力学特别是低速空气动力学已跨出航空航天领域，正在向国民经济各个领域渗透，并发挥着越来越大的作用，由此逐步形成了一门新兴的边缘学科——工业空气动力学。工业空气动力学这个名词最早在20世纪60年代初使用，主要是指非航空、航天工程的空气动力学问题。

随着科学技术的发展，风洞的应用范围日益广泛。降落伞、船帆、球类、标枪、铁饼、汽车、建筑物、桥梁、奥运火炬、风车、通风机、冷却塔，等等，凡是对于在空气和风中的物体的运动行为不清楚的地方，都需要在风洞中实验和研究。

举例来说，建成于1940年的美国西北部一座跨海吊桥，即长853.4米的塔科马大桥，建成后不久，由于同年11月7日的一场不大的风（风速仅为19米/秒），引起了振幅接近数米的“颤振”。在这样大振幅的振荡下，桥梁结构很快便塌毁了。人们在事后的风洞研究中发现，这座桥在设计上存在缺陷，是以往桥梁设计者所没有预见到的。自此之后，凡是设计跨度较大的吊桥，都必须进行风洞模型实验，以便对桥梁所受的空气动力进行详细论证。

运动的物体所受气流的迎风阻力f是由公式f =ρkSV 2给出的，其中ρ是空气密度，S是物体的截面积，V是气流的相对速度，而k是与物体形状有关的系数，也称为阻力系数或形状系数。这个系数k只能靠风洞实验来确定。物体不同，阻力系数也不同，通过阻力系数，可以看出物体的不同形状对其所受阻力的影响可以达到数倍到数十倍之大。20世纪70年代以前，一般小汽车的阻力系数约为0.4～0.6；之后，由于油价飙升，节油成为评价汽车性能的重要指标之一，经过不断改进，现今一般小汽车的阻力系数已经降低到0.28～0.4。这都是借助于风洞来实现的。目前，全世界专用于研究汽车空气动力学的风洞有50多座，大部分分布在欧美和日本。

关于自行车在空气中的阻力，测试表明，当车速增加到11米/秒时，空气阻力占前进总阻力的80%。减小空气阻力最有效的措施是减少“人-车系统”在前进方向上的截面积：身体蜷伏、臀部高抬、背部平直的骑行姿势能大大减少空气阻力，“羊角把”的设计便是为了实现这种姿态。

近年來，人们对环境问题日益重视。美国洛杉矶市区三面环山，很少有风，20世纪40年代初，由于有250多万辆汽车每天向大气中排放大量的碳氢化合物、氮氧化物以及一氧化碳等废气，致使废气在日光作用下形成光化学烟雾，造成严重的光化学烟雾污染事件，许多居民出现了眼睛红肿、流泪、喉痛、胸痛和呼吸衰竭等现象。当地65岁以上的老人在两天内死亡400多人。这种情况并不是孤例。

随着城市的发展和规模的扩大，高楼鳞次栉比，密集的建筑群与风相互作用，使得城市在不同的风场条件下出现绕流涡、下冲流、角区流、变化的尾流和穿堂风等效应和现象，这些给城市环境带来了很大影响。过去，由于在城市建设中缺乏科学规划与合理布局，导致有些地方因为大风吹拂而尘土飞扬，另外一些区域由于楼群的阻塞使得空气滞留，通风不畅，空气混浊。这些都会严重影响居民健康。据统计，我国空气质量超过国家三级标准、属于严重污染的城市占到40%左右。城市悬浮颗粒物超标比较普遍。因此，研究建筑群及城市的环境流动、指导科学合理的城市规划和建设是十分必要的。

对于这方面的研究，科学家早在20世纪20年代就开始摸索利用风洞实验来模拟大气边界层流动特性及大气扩散现象。1941年，夏洛克和斯托克在风洞中研究地形及建筑物对烟囱排放出来的烟气扩散的影响。1952年，斯特罗姆在风洞实验段装上加热气流的格栅及阻尼网，形成温度梯度及速度梯度的气流，用于研究大气扩散现象。直到1963年世界上第一座长实验段大气环境风洞——美国科罗拉多州立大学气象风洞的出现，使大气扩散风洞模拟研究从在常规的航空低速风洞中的探索阶段进入到使用专用的大气环境风洞的发展阶段。

由于水和空气都是流体，风洞不仅可以模拟物体在空气中的受力情况，也可以模拟物体在水下受力的情况。只不过在实测阻力系数下，用水的密度来计算实际阻力。所以，风洞在研究潜水艇的改进中也具有巨大作用。

总之，经过100多年的发展和改进，作为高科技领域一种体现国家综合科学技术实力的重要标志，风洞的种类日益繁多，功能日益完善。发展航空航天事业离不开风洞，改进建筑离不开风洞。风洞还可以为减灾、环境保护、提高体育运动成绩以及车船节能等贡献力量。

【责任编辑】赵 菲