風洞那些事

武際可

人類所賴以生存的貼近地球表面的大氣層里，有許多與我們的生活密切相關、值得研究的現象。其中最為普遍的現象就是風對物體的作用力以及物體運動時所受的力。呼嘯而過的大風可以折樹倒屋，掀翻航船，造成嚴重的災難；而利用風能的風車又可以提水發電，為人類效力。車船在空氣中前進，會受到阻力；而飛機又靠在空氣中前進所引起的空氣動力，才能夠飛行。

物體表面與空氣接觸會產生兩種力：一種是垂直于表面的，一種是與表面相切的。在物體表面和周圍情況不變的條件下，這些力的大小只與物體和空氣的相對速度有關。也就是說，同樣的物體，如果以同一姿態在空氣中勻速運動所受的力，是和物體在同樣姿態下，空氣以相同的速度流過物體時所受的力相同的。物體表面所受的這些力的合力組成合力與合力矩，它們決定了物體在空氣中的行為。

人們十分關心物體在風的作用下所受的力，以及物體在空氣中運動時所受的阻力和升力情況。為了解這些力的大小，研究人員在英國數學家和工程師本杰明·羅賓斯所設計的懸臂機上進行了測試：將要測量的物體固定在懸臂末端，當懸臂以一定速度旋轉起來時，從所加的驅動力就可以換算出物體所受的阻力。這種懸臂機使用了很長時間。不過，它有一個缺點，就是當懸臂旋轉了一段時間后，周圍的空氣或水會隨著懸臂一同旋轉，導致實驗精度大大降低。

既然物體在空氣中所受的力只和物體與空氣的相對速度有關，那么，是不是可以將物體固定起來，只讓空氣運動，進而測量出物體所受的力呢？這就是人們最初建造風洞的想法。

“飛行器的搖籃”

早期的風洞就是為了研究物體在空中飛行時所受的升力與阻力來設計的，即為了飛機設計所需。第一個設計與建造實驗風洞的是英國人溫翰姆，他是英國航空學會的創始人之一。他在1871年設計、建造了一座風洞。1884年，英國人菲利普建造了一座改進的風洞。1901年，美國萊特兄弟為了研制飛機建造了一座風洞。1902年，俄羅斯力學家茹科夫斯基在莫斯科大學建造了一座直徑大約為0.61米的風洞。

1903年，萊特兄弟成功地讓人類建造的飛機飛上了天空，開辟了航空史上的新紀元。這次成功的試飛得益于他們的風洞。1901年，萊特兄弟為實驗和改進機翼，建造了風洞并在風洞中研究與比較了200種以上的機翼形狀。到1902年秋，他們已經積累了上千次滑翔經驗，掌握了飛行的理論與技術。這些為他們之后的成功奠定了堅實的基礎。

因此，風洞被稱為“飛行器的搖籃”，是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具。這種管道狀實驗設備能人工產生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象。

風洞實驗，就是根據相對運動原理和相似理論，在風洞中測量飛行器縮比模型的空氣動力特性，并研究相應的流動現象與流動機理。風洞實驗要遵循幾何相似、流動相似等一系列相似準則。

1903年以后，伴隨航空業的發展，各國紛紛建造風洞。風洞的尺寸越來越大，功能多樣，形式各異。德國早在1907年就成立了“哥廷根空氣動力實驗院”，為德國航空工業長期處于世界領先地位做出了卓越貢獻。美國在1915年建立了航空（航天）咨詢委員會（英文縮寫為NACA，其后改為NASA），該機構除了領導和組織航空和航天方面的研究外，還建造和管理不同形式的風洞。1918年，蘇聯成立了中央流體動力研究院，蘇聯力學家茹科夫斯基出任所長。1921年，茹科夫斯基逝世后，研究所由他的學生恰普雷金繼任。研究所也建造了許多不同功能的風洞。據統計，僅20世紀90年代，美國、英國、法國、德國、加拿大、荷蘭和日本這7個國家共建有186座風洞，其中，美國有114座。目前，全世界的風洞已經有千余座。

我國第一座風洞是1934年由清華大學自行設計的低速風洞。該風洞建成于1936年，后因日本侵華戰爭爆發，風洞被毀。此后，在南昌籌建的4.57米低速風洞于1937年基本完工，該風洞在1938年毀于日本飛機的轟炸。抗戰勝利后，清華大學、浙江大學都曾建過風洞，主要用于教學需要。

1949年之后，位于哈爾濱的解放軍軍事工程學院和北京大學等相繼建造了低速風洞。為了加速發展中國的航空航天事業，根據著名科學家錢學森、郭永懷的構想，我國于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機構。

40多年來，中國空氣動力研究與發展中心建造了數十座高質量的風洞，其規模堪稱亞洲之最，為我國航空航天事業的發展做出了突出的貢獻。

風洞什么樣

風洞名稱中通常會使用尺寸，風洞實驗段尺寸決定了實驗模型的大小。一般風洞實驗模型尺寸比真實飛行器的尺寸小得多，當模型尺寸太小時，飛行器上的幾何細節和小部件難以模擬。風洞越大，實驗模型尺寸越大，模型保真度越高，實驗數據就越可靠；但是，風洞尺寸越大，建設難度越大、運行成本就越高，這就要求權衡模擬準確度、可行性與經濟性，合理確定風洞尺寸。

為此，世界主要空氣動力研究機構都對風洞尺寸進行統一規劃，按大、中、小尺寸配套，成體系地進行建設。其中，小型風洞主要用于基礎研究和先進氣動技術探索、多學科研究及計算流體力學（CFD）驗證；中型風洞主要用于中小型飛行器選型、校核和定型實驗，先進氣動技術的驗證；大型風洞主要用于大型飛行器的選型、校核和定型實驗等。

現今，風洞的形式和功能已經發展得很復雜。

從吹風的形式來說，有直流式，有的為了節約能耗做成回流式。從吹風持續時間來說，有持續式和暫沖式。從實驗段形狀看，有圓形、方形、六角形和八角形等。

從風速來說，有低速風洞（風速在130米/秒以下）、高速風洞（實驗段內氣流馬赫數為0.4～4.5的風洞）、亞音速風洞（實驗段氣流馬赫數為0.4～0.7）、跨音速風洞（實驗段氣流馬赫數為0.5～1.3）、超音速風洞（實驗段內氣流馬赫數為1.5～4.5）、高超音速風洞（實驗段內氣流馬赫數大于5）。馬赫數是氣流速度與聲音傳播速度之比。

從風洞的特別用途來說，有模擬風對近地結構作用的大氣邊界層風洞、用于測量車輛行進時所受阻力的汽車風洞，有模擬沙漠遷移規律的風沙風洞以及為測量高空氣流特性的稀薄氣體風洞、為研究飛機穿過云霧飛行時飛機表面局部結冰現象的冰風洞等。此外，還有激波風洞、熱沖風洞等，不一而足。

也許你認為，建造一個風洞是很簡單的事情，無非是建造一個大的洞體，再由一個巨大的風扇吹風就妥了。其實，風洞的建造是很復雜的，就洞內的氣流來說，如果要使實驗段各處的風速均勻，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范圍內，這就是所謂對流場品質的要求。對于高速風洞，除了有對流場品質的要求外，對氣流的濕度和溫度還有要求。另外，洞體合乎要求后，還要有配套的許多測試設備和儀器。要有測力矩和測量流場各點速度壓強的設備。由于測量這些數據的工作量很大，所以又需要有數據的自動采集和處理設備。

因而，現代化風洞的建立是現代科技水平的體現，風洞的水平完全能夠體現一個國家的綜合科技水平和實力。有的風洞的尺寸很大，可以把一架飛機裝在里面吹風。我們見到的任何一架飛機或火箭的設計都需要成千上萬次的風洞實驗。建造一座現代化的風洞，耗資可以達數億美元乃至數十億美元之巨。

用途多又多

有了合格的風洞，利用這些風洞究竟能夠做些什么實驗呢？

風洞的產生和發展首先是同航空航天科學的發展緊密相關的。風洞廣泛用于研究空氣動力學的基本規律，以驗證和發展有關理論，并直接為各種飛行器的研制服務，通過風洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能。現代飛行器的設計對風洞的依賴性很大。例如，20世紀50年代美國研制B-52型轟炸機時，曾進行了約1萬小時的風洞吹風實驗，20世紀80年代第一架航天飛機的研制則進行了約10萬小時的風洞實驗，包括測量在不同姿態、不同速度、不同大氣條件下的阻力、升力和壓力分布。所以風洞實驗的水平體現了一個國家航空航天的水平，也體現了一個國家國防中制空權的水平。

隨著現代科學發展整體化趨勢的出現，空氣動力學特別是低速空氣動力學已跨出航空航天領域，正在向國民經濟各個領域滲透，并發揮著越來越大的作用，由此逐步形成了一門新興的邊緣學科——工業空氣動力學。工業空氣動力學這個名詞最早在20世紀60年代初使用，主要是指非航空、航天工程的空氣動力學問題。

隨著科學技術的發展，風洞的應用范圍日益廣泛。降落傘、船帆、球類、標槍、鐵餅、汽車、建筑物、橋梁、奧運火炬、風車、通風機、冷卻塔，等等，凡是對于在空氣和風中的物體的運動行為不清楚的地方，都需要在風洞中實驗和研究。

舉例來說，建成于1940年的美國西北部一座跨海吊橋，即長853.4米的塔科馬大橋，建成后不久，由于同年11月7日的一場不大的風（風速僅為19米/秒），引起了振幅接近數米的“顫振”。在這樣大振幅的振蕩下，橋梁結構很快便塌毀了。人們在事后的風洞研究中發現，這座橋在設計上存在缺陷，是以往橋梁設計者所沒有預見到的。自此之后，凡是設計跨度較大的吊橋，都必須進行風洞模型實驗，以便對橋梁所受的空氣動力進行詳細論證。

運動的物體所受氣流的迎風阻力f是由公式f =ρkSV 2給出的，其中ρ是空氣密度，S是物體的截面積，V是氣流的相對速度，而k是與物體形狀有關的系數，也稱為阻力系數或形狀系數。這個系數k只能靠風洞實驗來確定。物體不同，阻力系數也不同，通過阻力系數，可以看出物體的不同形狀對其所受阻力的影響可以達到數倍到數十倍之大。20世紀70年代以前，一般小汽車的阻力系數約為0.4～0.6；之后，由于油價飆升，節油成為評價汽車性能的重要指標之一，經過不斷改進，現今一般小汽車的阻力系數已經降低到0.28～0.4。這都是借助于風洞來實現的。目前，全世界專用于研究汽車空氣動力學的風洞有50多座，大部分分布在歐美和日本。

關于自行車在空氣中的阻力，測試表明，當車速增加到11米/秒時，空氣阻力占前進總阻力的80%。減小空氣阻力最有效的措施是減少“人-車系統”在前進方向上的截面積：身體蜷伏、臀部高抬、背部平直的騎行姿勢能大大減少空氣阻力，“羊角把”的設計便是為了實現這種姿態。

近年來，人們對環境問題日益重視。美國洛杉磯市區三面環山，很少有風，20世紀40年代初，由于有250多萬輛汽車每天向大氣中排放大量的碳氫化合物、氮氧化物以及一氧化碳等廢氣，致使廢氣在日光作用下形成光化學煙霧，造成嚴重的光化學煙霧污染事件，許多居民出現了眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰竭等現象。當地65歲以上的老人在兩天內死亡400多人。這種情況并不是孤例。

隨著城市的發展和規模的擴大，高樓鱗次櫛比，密集的建筑群與風相互作用，使得城市在不同的風場條件下出現繞流渦、下沖流、角區流、變化的尾流和穿堂風等效應和現象，這些給城市環境帶來了很大影響。過去，由于在城市建設中缺乏科學規劃與合理布局，導致有些地方因為大風吹拂而塵土飛揚，另外一些區域由于樓群的阻塞使得空氣滯留，通風不暢，空氣混濁。這些都會嚴重影響居民健康。據統計，我國空氣質量超過國家三級標準、屬于嚴重污染的城市占到40%左右。城市懸浮顆粒物超標比較普遍。因此，研究建筑群及城市的環境流動、指導科學合理的城市規劃和建設是十分必要的。

對于這方面的研究，科學家早在20世紀20年代就開始摸索利用風洞實驗來模擬大氣邊界層流動特性及大氣擴散現象。1941年，夏洛克和斯托克在風洞中研究地形及建筑物對煙囪排放出來的煙氣擴散的影響。1952年，斯特羅姆在風洞實驗段裝上加熱氣流的格柵及阻尼網，形成溫度梯度及速度梯度的氣流，用于研究大氣擴散現象。直到1963年世界上第一座長實驗段大氣環境風洞——美國科羅拉多州立大學氣象風洞的出現，使大氣擴散風洞模擬研究從在常規的航空低速風洞中的探索階段進入到使用專用的大氣環境風洞的發展階段。

由于水和空氣都是流體，風洞不僅可以模擬物體在空氣中的受力情況，也可以模擬物體在水下受力的情況。只不過在實測阻力系數下，用水的密度來計算實際阻力。所以，風洞在研究潛水艇的改進中也具有巨大作用。

總之，經過100多年的發展和改進，作為高科技領域一種體現國家綜合科學技術實力的重要標志，風洞的種類日益繁多，功能日益完善。發展航空航天事業離不開風洞，改進建筑離不開風洞。風洞還可以為減災、環境保護、提高體育運動成績以及車船節能等貢獻力量。

【責任編輯】趙 菲