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風(fēng)洞與空氣動(dòng)力學(xué)剪不斷的關(guān)系

2018-09-24 11:53:59·  來源：工程事  
　
回流式風(fēng)洞：
圖：回流閉式風(fēng)洞，空氣溫度、濕度、噪聲等較佳，但也需要冷卻系統(tǒng)降溫（快速流動(dòng)的空氣分子摩擦），換言之建造成本費(fèi)用高。
圖：回流3/4開口式風(fēng)洞，試驗(yàn)段為開口設(shè)計(jì)能在測(cè)試時(shí)較好地模擬周圍氣體流動(dòng)的情況，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，但也由于此原因會(huì)帶來渦流和氣流能量損耗。
圖：回流槽壁式風(fēng)洞，在風(fēng)洞管道周圍裝有平行槽，用意是減少空氣流動(dòng)阻塞。    
   立式風(fēng)洞：
圖：立式風(fēng)洞一般常見于汽車環(huán)境風(fēng)洞（模擬風(fēng)雪雨等氣候環(huán)境），占地面積少是特點(diǎn)所在。
現(xiàn)今大多數(shù)風(fēng)洞均采用回流式設(shè)計(jì)，當(dāng)中的封閉管道是從小擴(kuò)大，再由大縮小的循環(huán)回路，好處是為了減少空氣傳輸時(shí)的能量損失，不然全尺寸相等的封閉管道會(huì)有邊緣氣流堆積、高速時(shí)氣流也會(huì)與通道邊緣有更大摩擦。
更具體的風(fēng)洞組成則有：收縮段、試驗(yàn)段、擴(kuò)散段、穩(wěn)定段（蜂窩器、阻尼網(wǎng)）、動(dòng)力段（電機(jī)、風(fēng)扇、整流罩、預(yù)扭導(dǎo)流片、止旋片等）、拐角段（拐角導(dǎo)流片）、散熱段。其實(shí)這一大堆零部件的出現(xiàn)，不過是想讓風(fēng)洞測(cè)試更加高效、讓測(cè)試數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。
圖：在循環(huán)風(fēng)道中，在風(fēng)道的拐角處見到的導(dǎo)流片主要是為了解決渦流問題。
圖：為避免風(fēng)洞電機(jī)的運(yùn)行震動(dòng)影響被測(cè)試對(duì)象，像是F1的風(fēng)洞就在固定電機(jī)的混凝土塊與承托混泥土塊之間設(shè)計(jì)有彈性元件濾震。
從風(fēng)洞的發(fā)展歷史可以看出其與空氣動(dòng)力學(xué)密不可分，風(fēng)洞的產(chǎn)生和發(fā)展首先是同航空航天科學(xué)的發(fā)展緊密相關(guān)的，而后風(fēng)洞廣泛用于研究空氣動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律，以驗(yàn)證和發(fā)展有關(guān)理論，并直接為各種飛行器的研制服務(wù)，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來確定飛行器的氣動(dòng)布局和評(píng)估其氣動(dòng)性能?，F(xiàn)代飛行器的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)洞的依賴性很大。例如，50年代美國(guó)B-52型轟炸機(jī)的研制，曾進(jìn)行了約10000小時(shí)的風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，而80年代第一架航天飛機(jī)的研制則進(jìn)行了約100000小時(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。包括測(cè)量在不同姿態(tài)、不同速度、不同大氣條件下的阻力、升力和壓力分布。隨著現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的整體化趨勢(shì)的出現(xiàn)，空氣動(dòng)力學(xué)特別是低速空氣動(dòng)力學(xué)已跨出航空航天領(lǐng)域，正在向國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域滲透，發(fā)揮越來越大的作用，并逐步形成了一門新興的邊緣學(xué)科——工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)(Industrial Aerodynamics)，風(fēng)洞的應(yīng)用范圍愈益廣泛，包括降落傘、船帆、球類、標(biāo)槍、鐵餅、汽車、建筑物、橋梁、奧運(yùn)火炬、風(fēng)車、通風(fēng)機(jī)、冷卻塔等等，凡是在空氣和風(fēng)中的行為不清楚的，都需要在風(fēng)洞中試驗(yàn)和研究。
舉例來說，在1940年建成的美國(guó)西北部一座跨海灣的吊橋，即長(zhǎng)853.4m的塔科馬 (Tacoma) 大橋，建成后不久，由于同年11月7日的一場(chǎng)不大的風(fēng)（僅每秒19m）引起了振幅接近數(shù)米的“顫振”，在這樣大振幅振蕩下結(jié)構(gòu)不一會(huì)兒便塌毀了。事后的風(fēng)洞研究發(fā)現(xiàn)了這座橋在設(shè)計(jì)上的問題，這是以往設(shè)計(jì)橋梁的土木工程師們所沒有預(yù)見到的。自此之后，凡是設(shè)計(jì)跨度較大的吊橋，都必須進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗(yàn)，和對(duì)橋梁所受的空氣動(dòng)力進(jìn)行詳細(xì)的論證。
在氣流中的物體，所受氣流的迎風(fēng)阻力f，公式為：
其中，ρ是空氣密度，S是物體的截面積，v是氣流的速度，而k是與物體形狀有關(guān)的系數(shù)，也稱為阻力系數(shù)或形狀系數(shù)。這個(gè)系數(shù)k只能靠風(fēng)洞試驗(yàn)來確定。表示不同形狀的物體的阻力系數(shù)，可以看出形狀不同，對(duì)所受阻力的影響可以達(dá)到數(shù)倍到數(shù)十倍之大。
假設(shè)在一定的ρ空氣密度下（不同的空氣溫度和壓力，也就有不同的空氣密度），空氣阻力的大小就與空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積和速度成正比，拋開“速度”這一人為主觀的變量，各品牌車廠都想旗下的量產(chǎn)車型有更低的空氣阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積。所以早期的汽車設(shè)計(jì)師機(jī)智地采用上流線型車身，用以降低風(fēng)阻系數(shù)，而當(dāng)中最為突出的是1922年，羅馬尼亞工程師Aurel Persu設(shè)計(jì)的超低風(fēng)阻系數(shù)汽車，Cd值范圍在0.22～0.28（即便是最大的0.28Cd值，也如現(xiàn)代保時(shí)捷Carrera一樣），要知道當(dāng)時(shí)一般汽車的風(fēng)阻系數(shù)在0.8～1Cd值。
圖：汽車風(fēng)阻系數(shù)最小0.22Cd值
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