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風(fēng)洞與空氣動力學(xué)剪不斷的關(guān)系

2018-09-24 11:53:59·  來源：工程事  
　
在地球上，一物體在空氣或者其他流體中作相對運動時，當(dāng)中所產(chǎn)生的風(fēng)阻系數(shù)、Cd值是你我他盡知的字眼，也可以高逼格地說上一句空氣動力學(xué)。那，這跟風(fēng)洞測試有什
在地球上，一物體在空氣或者其他流體中作相對運動時，當(dāng)中所產(chǎn)生的“風(fēng)阻系數(shù)、Cd值”是你我他盡知的字眼，也可以高逼格地說上一句“空氣動力學(xué)”。
 
那，這跟風(fēng)洞測試有什么關(guān)系？關(guān)系可是杠杠滴，當(dāng)物體通過風(fēng)洞測試后將會得出一系列的實驗數(shù)據(jù)（光是受力特性就有：升力、阻力、橫向力等等，以及氣體流動的變化情況等等），讓那高逼格的空氣動力學(xué)得以實現(xiàn)。
 
世界上公認最早的風(fēng)洞出現(xiàn)在19世紀末（1869～1871年），由英國人韋納姆（E.Mariotte）研究發(fā)明，后來飛機發(fā)明者美國萊特兄弟也在1900年、1901年前后均對他們的飛機進行風(fēng)洞測試。可以說當(dāng)年的風(fēng)洞測試和空氣動力研究大多數(shù)是與航空領(lǐng)域有關(guān)。
圖：飛機發(fā)明者美國萊特兄弟對他們的飛機進行風(fēng)洞測試
圖：法國人Gustave Eiffel就曾在1909年建造出第一個直流開放式風(fēng)洞
隨后就是在第二次世界大戰(zhàn)（1939～1945年）建有大型風(fēng)洞，而在美蘇冷戰(zhàn)時期，這類型的大型風(fēng)洞測試更具有重要戰(zhàn)略性意義，當(dāng)中出品不乏有超音速戰(zhàn)機和作戰(zhàn)導(dǎo)彈。在此過后的發(fā)展中風(fēng)洞測試就自成一體，不再是單單地為飛機、航空領(lǐng)域服務(wù)。1960年第一個全尺寸實車專用風(fēng)洞測試由英國MIRA建造并投入使用，除了汽車之外，現(xiàn)今的風(fēng)洞測試還關(guān)系到高樓建筑、運動員裝備、航船等等。
圖：北美的XP-51B戰(zhàn)機進行去掉外翼時的風(fēng)洞測試
圖：在0.04馬赫（約為50km/h）至0.58馬赫（710km/h）（圖中左至右是0.04馬赫、0.4馬赫、0.58馬赫的測試情況）的風(fēng)速區(qū)間段對人體進行風(fēng)洞測試，當(dāng)時的飛行員提供測試數(shù)據(jù)。
圖：風(fēng)洞測試就不再是局限于飛機，還將會涉及太空設(shè)備、汽車、高樓大廈建筑。
圖：1960年第一個全尺寸實車專用風(fēng)洞測試是由英國MIRA建造設(shè)計，圖中大家所見到的白色氣流是由于加入有煙霧，讓高速氣流可視化。
近年來，像是舉行的2016里約奧運會，空氣動力學(xué)也大派用場。來自捷克的斯柯達車廠，運用汽車空氣動力學(xué)的技術(shù)協(xié)助捷克奧運自行車選手Pavel Kelemen奪金。不同于上述的風(fēng)洞測試，運用的是150臺高解析度相機來建立騎乘時的3D模型，再運用CFD電腦模擬不同騎姿的風(fēng)阻，這樣一來即可找出最小風(fēng)阻的騎姿。不僅僅是斯柯達，像是BMW也以自動駕駛的偵測技術(shù)協(xié)助美國泳隊在本屆奧運奪冠，此前Ferrari也曾協(xié)助過英國和意大利運動代表隊。
而我國也早在1937年清華大學(xué)（當(dāng)年開設(shè)有航空工程課程）就建造有國內(nèi)第一個風(fēng)洞，1947～1948年期間繼而建造有鐵殼風(fēng)洞，氣流速度達40～50m/s。1949年之后，哈爾濱軍事工程學(xué)院、北京大學(xué)等都相繼建造了低速風(fēng)洞。為了加速發(fā)展中國的航空航天事業(yè)，根據(jù)力學(xué)家錢學(xué)森、郭永懷的構(gòu)想，國家于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構(gòu)，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機構(gòu)。而在1968年新中國成立后，位于川西山區(qū)的“中國空氣動力發(fā)展與研究中心”建成，并稱裝備有亞洲最大的風(fēng)洞群，如：殲-10戰(zhàn)機、神舟系列航空工程、和諧號高速列車等均在此進行風(fēng)洞測試。四十多年來，中國空氣動力研究與發(fā)展中心建造了數(shù)十座高質(zhì)量的風(fēng)洞，其規(guī)?？胺Q亞洲之最，為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻。
圖：國內(nèi)的風(fēng)洞測試除了涉及軍事項目外，還涉及有高速交通工具等民生工程。
圖：C919中型客機是國內(nèi)首款按照最新國際適航標(biāo)準(zhǔn)研制的干線民用飛機，圖上所見的是研發(fā)期間對比例模型進行聲學(xué)風(fēng)洞測試，以檢測飛行過程中的風(fēng)噪。
圖：目前國內(nèi)大大小小的風(fēng)洞測試實驗室眾多，大多數(shù)置身于國內(nèi)的大學(xué)校園。
至今，風(fēng)洞技術(shù)已有100多年歷史，當(dāng)中的結(jié)構(gòu)組成也大致相似。目前風(fēng)洞的分類有多種，假若按照流場氣流速度大小區(qū)分共有兩大類：低速風(fēng)洞（氣體流動速度為0.4馬赫，約為480km/h）、高速風(fēng)洞（氣體流動速度可達0.4～>5馬赫，1馬赫即1倍音速），期間高速風(fēng)洞又包含：超音速風(fēng)洞（Supersonic wind tunnel）、高超聲速風(fēng)洞（Hypersonic wind tunnel）、亞音速風(fēng)洞（Subsonic wind tunnel）和跨音速風(fēng)洞（Transonic wind tunnel）。而像是汽車風(fēng)洞測試之類采用的是低速風(fēng)洞，而像是飛機、導(dǎo)彈、航天工程等采用的是高速風(fēng)洞測試。 
其中早期汽車用的風(fēng)洞大多是從航空風(fēng)洞改造過來，而當(dāng)中的許多空氣動力理論和概念也是從航空力學(xué)延續(xù)過來的，所以目前分有三大類風(fēng)洞結(jié)構(gòu)類型：直流式、回流式和立式風(fēng)洞。
    直流式風(fēng)洞：
圖：直流閉式風(fēng)洞，氣流通過試驗段后直接排到大氣中，雖結(jié)構(gòu)簡單但不易保持恒定的空氣溫度和濕度，以及氣流穩(wěn)定性差、噪聲大。
   圖：賓尼法利納的直流開式風(fēng)洞，半開式試驗段為保持有穩(wěn)定氣流。
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