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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(lái)源：工程事  
　
在地球上，一物體在空氣或者其他流體中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shuō)上一句空氣動(dòng)力學(xué)。那，這跟風(fēng)洞測(cè)試有什
在地球上，一物體在空氣或者其他流體中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shuō)上一句“空氣動(dòng)力學(xué)”。
 
那，這跟風(fēng)洞測(cè)試有什么關(guān)系？關(guān)系可是杠杠滴，當(dāng)物體通過(guò)風(fēng)洞測(cè)試后將會(huì)得出一系列的實(shí)驗(yàn)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(dòng)的變化情況等等），讓那高逼格的空氣動(dòng)力學(xué)得以實(shí)現(xiàn)。
 
世界上公認(rèn)最早的風(fēng)洞出現(xiàn)在19世紀(jì)末（1869～1871年），由英國(guó)人韋納姆（E.Mariotte）研究發(fā)明，后來(lái)飛機(jī)發(fā)明者美國(guó)萊特兄弟也在1900年、1901年前后均對(duì)他們的飛機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試。可以說(shuō)當(dāng)年的風(fēng)洞測(cè)試和空氣動(dòng)力研究大多數(shù)是與航空領(lǐng)域有關(guān)。
圖：飛機(jī)發(fā)明者美國(guó)萊特兄弟對(duì)他們的飛機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試
圖：法國(guó)人Gustave Eiffel就曾在1909年建造出第一個(gè)直流開(kāi)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(shí)期，這類(lèi)型的大型風(fēng)洞測(cè)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(jī)和作戰(zhàn)導(dǎo)彈。在此過(guò)后的發(fā)展中風(fēng)洞測(cè)試就自成一體，不再是單單地為飛機(jī)、航空領(lǐng)域服務(wù)。1960年第一個(gè)全尺寸實(shí)車(chē)專(zhuān)用風(fēng)洞測(cè)試由英國(guó)MIRA建造并投入使用，除了汽車(chē)之外，現(xiàn)今的風(fēng)洞測(cè)試還關(guān)系到高樓建筑、運(yùn)動(dòng)員裝備、航船等等。
圖：北美的XP-51B戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行去掉外翼時(shí)的風(fēng)洞測(cè)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(cè)試情況）的風(fēng)速區(qū)間段對(duì)人體進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，當(dāng)時(shí)的飛行員提供測(cè)試數(shù)據(jù)。
圖：風(fēng)洞測(cè)試就不再是局限于飛機(jī)，還將會(huì)涉及太空設(shè)備、汽車(chē)、高樓大廈建筑。
圖：1960年第一個(gè)全尺寸實(shí)車(chē)專(zhuān)用風(fēng)洞測(cè)試是由英國(guó)MIRA建造設(shè)計(jì)，圖中大家所見(jiàn)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(lái)，像是舉行的2016里約奧運(yùn)會(huì)，空氣動(dòng)力學(xué)也大派用場(chǎng)。來(lái)自捷克的斯柯達(dá)車(chē)廠，運(yùn)用汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的技術(shù)協(xié)助捷克奧運(yùn)自行車(chē)選手Pavel Kelemen奪金。不同于上述的風(fēng)洞測(cè)試，運(yùn)用的是150臺(tái)高解析度相機(jī)來(lái)建立騎乘時(shí)的3D模型，再運(yùn)用CFD電腦模擬不同騎姿的風(fēng)阻，這樣一來(lái)即可找出最小風(fēng)阻的騎姿。不僅僅是斯柯達(dá)，像是BMW也以自動(dòng)駕駛的偵測(cè)技術(shù)協(xié)助美國(guó)泳隊(duì)在本屆奧運(yùn)奪冠，此前Ferrari也曾協(xié)助過(guò)英國(guó)和意大利運(yùn)動(dòng)代表隊(duì)。
而我國(guó)也早在1937年清華大學(xué)（當(dāng)年開(kāi)設(shè)有航空工程課程）就建造有國(guó)內(nèi)第一個(gè)風(fēng)洞，1947～1948年期間繼而建造有鐵殼風(fēng)洞，氣流速度達(dá)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(guó)的航空航天事業(yè)，根據(jù)力學(xué)家錢(qián)學(xué)森、郭永懷的構(gòu)想，國(guó)家于1965年在四川組建了高速空氣動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)。而在1968年新中國(guó)成立后，位于川西山區(qū)的“中國(guó)空氣動(dòng)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(jī)、神舟系列航空工程、和諧號(hào)高速列車(chē)等均在此進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試。四十多年來(lái)，中國(guó)空氣動(dòng)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(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。
圖：國(guó)內(nèi)的風(fēng)洞測(cè)試除了涉及軍事項(xiàng)目外，還涉及有高速交通工具等民生工程。
圖：C919中型客機(jī)是國(guó)內(nèi)首款按照最新國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)研制的干線民用飛機(jī)，圖上所見(jiàn)的是研發(fā)期間對(duì)比例模型進(jìn)行聲學(xué)風(fēng)洞測(cè)試，以檢測(cè)飛行過(guò)程中的風(fēng)噪。
圖：目前國(guó)內(nèi)大大小小的風(fēng)洞測(cè)試實(shí)驗(yàn)室眾多，大多數(shù)置身于國(guó)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(lèi)有多種，假若按照流場(chǎng)氣流速度大小區(qū)分共有兩大類(lèi)：低速風(fēng)洞（氣體流動(dòng)速度為0.4馬赫，約為480km/h）、高速風(fēng)洞（氣體流動(dòng)速度可達(dá)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(chē)風(fēng)洞測(cè)試之類(lèi)采用的是低速風(fēng)洞，而像是飛機(jī)、導(dǎo)彈、航天工程等采用的是高速風(fēng)洞測(cè)試。 
其中早期汽車(chē)用的風(fēng)洞大多是從航空風(fēng)洞改造過(guò)來(lái)，而當(dāng)中的許多空氣動(dòng)力理論和概念也是從航空力學(xué)延續(xù)過(guò)來(lái)的，所以目前分有三大類(lèi)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)類(lèi)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(guò)試驗(yàn)段后直接排到大氣中，雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)式風(fēng)洞，半開(kāi)式試驗(yàn)段為保持有穩(wěn)定氣流。
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