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May 13

风洞试验 不指定

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博主:目前“风洞试验”活跃于很多领域,包括著名的飞机、导弹“风洞”(很多外国媒体披露的中国山洞“风洞试验”基地,中国建成亚洲最大“风洞试验”区等),昆虫飞行“风洞”研究,以及一些建筑方面的应用(例如2008北京奥运会鸟巢的火炬就有得到过应用,相关网页http://news.hexun.com/2008-09-03/108552219.html
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什么是风洞

风洞一般称之为风洞试验。简单地讲,就是依据运动的相对性原理,将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,以此模拟空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。简单的说,风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。至于我们国家的风洞为什么会选择建在大山深处,那是历史原因造成的。

发达国家如何发展空气动力学

空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视,不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。

美国早在80年代中期出台的震撼全球的超级跨世纪工程——“星球大战”计划中,就曾把作为基础学科的空气动力学放在非常突出的重要位置上。的确,如果不先在空气动力学上获得重大突破,这个将耗资1万亿美元的超级工程,很多关键技术将无法解决。紧接着在1985年发表的“美国航空航天2000年”中,也把空气动力学列为需要解决的七个问题中的第一个。而剩下的六个问题中还有四个与空气动力学有关。这使美国花费巨额投资研制了每秒20亿次的超级计算机专门为空气动力学研究服务。

前苏联在“十月革命”胜利后的第二年,列宁就下令组建了国家空气动力研究机构——中央流体动力研究院,并任命“俄罗斯航空之父”茹可夫斯基担任院长,这一决策为前苏联成为世界上另一个航天大国奠定了坚实的基础。二次大战之前,斯大林曾下令建造了世界上第一座可用于进行整架飞机试验的全尺寸风洞。与美国相比,前苏联在空气动力学的整体水平上毫不逊色,甚至在许多方面都领先于美国,它在航空航天领域取得的一系列成就足以说明这一点。

英、法两国在二次大战前均为名列前茅的老牌航空先进国家,然而战后他们突然发现自己比美、苏等国落后了一截,于是两国重振旗鼓、奋起直追。在战后第二年,法国政府便决定把因战争和被占领分散到全国各地的研究机构组织到一起,组建了国家空气动力研究机构,并在阿尔卑斯山腹地开始创建莫当试验中心,堪称世界一流的大功率空气动力试验风洞设备。曾经发明了世界上第一座风洞的英国人更是不甘落后,除了政府加强对空气动力学的领导规划之外,充分利用大学进行基础学科的研究。据有关资料透露,在英国的46所大学里,至少有30个以上高水平的空气动力研究试验室。

日本在战后受到限制的情况下,航空工业曾有过长达8年的空白。但在此期间,其基础研究——空气动力学则进展神速。仅60年代,就先后仿制出11种飞机,自行设计8种飞机。

简介
  在流体力学和昆虫化学生态学方面两个相同的名词。它们都叫做“风洞实验”。
  可以指飞行器(包括飞机)的流体力学设计实验;而昆虫上则是在一个有流通空气的矩形空间中,观察活体虫子对气味物质的行为反应。


分类和原理
  空气动力学实验分实物实验和模型实验两大类 。实物实验如飞机飞行实验和导弹实弹发射实验等,不会发生模型和环境等模拟失真问题,一直是鉴定飞行器气动性能和校准其他实验结果的最终手段,这类实验的费用昂贵,条件也难控制,而且不可能在产品研制的初始阶段进行,故空气动力学实验一般多指模型实验。空气动力学实验按空气(或其他气体)与模型(或实物)产生相对运动的方式不同可分为3类:①空气运动,模型不动,如风洞实验 。②空气静止,物体或模型运动,如飞行实验、模型自由飞实验(有动力或无动力飞行器模型在空气中飞行而进行实验)、火箭橇实验(用火箭推进的在轨道上高速行驶的滑车携带模型进行实验)、旋臂实验(旋臂机携带模型旋转而进行实验)等。③空气和模型都运动,如风洞自由飞实验(相对风洞气流投射模型而进行实验)、尾旋实验(在尾旋风洞上升气流中投入模型,并使其进入尾旋状态而进行实验)等。进行模型实验时,应保证模型流场与真实流场之间的相似,即除保证模型与实物几何相似以外,还应使两个流场有关的相似准数,如雷诺数、马赫数、普朗特数等对应相等(见流体力学相似准数)。实际上,在一般模型实验(如风洞实验)条件下,很难保证这些相似准数全部相等,只能根据具体情况使主要相似准数相等或达到自准范围。例如涉及粘性或阻力的实验应使雷诺数相等;对于可压缩流动的实验,必须保证马赫数相等,等等。应该满足而未能满足相似准数相等而导致的实验误差,有时也可通过数据修正予以消除,如雷诺数修正。洞壁和模型支架对流场的干扰也应修正。空气动力学实验主要测量气流参数,观测流动现象和状态,测定作用在模型上的气动力等。实验结果一般都整理成无量纲的相似准数,以便从模型推广到实物。


风洞和风洞实验
  风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备,几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。风洞的原理是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流,使其流过安置在实验段的静止模型,模拟实物在静止空气中的运动。测量作用在模型上的空气动力,观测模型表面及周围的流动现象。根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。实验段是风洞的中心部件,实验段流场应模拟真实流场,其气流品质如均匀度、稳定度(指参数随时间变化的情况)、湍流度等,应达到一定指标。风洞主要按实验段速度范围分类,速度范围不同,其工作原理、型式、结构及典型尺寸也各异。低速风洞:实验段速度范围为0~100 米/秒或马赫数Ma=0~0.3左右 ;亚声速风洞:Ma=0.3~0.8左右;跨声速风洞:Ma=0.8 ~1.4(或1.2)左右;超声速风洞:Ma=1.5~5.0左右;高超声速风洞Ma=5.0~10(或12);高焓高超声速风洞Ma>10(或12)。风洞实验的主要优点是:①实验条件(包括气流状态和模型状态两方面)易于控制。②流动参数可各自独立变化。③模型静止,测量方便而且容易准确。④一般不受大气环境变化的影响 。⑤ 与其他空气动力学实验手段相比,价廉、可靠等。缺点是难以满足全部相似准数相等,存在洞壁和模型支架干扰等,但可通过数据修正方法部分或大部克服。
  风洞实验的主要项目有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。测力和测压实验是测定作用于模型或模型部件(如飞行器模型中的一个机翼等)的气动力及表面压强分布,多用于为飞行器设计提供气动特性数据。传热实验主要用于研究超声速或高超声速飞行器上的气动加热现象。动态模型实验包括颤振、抖振和动稳定性实验等 ,要求模型除满足几何相似外还能模拟实物的结构刚度、质量分布和变形。流态观测实验广泛用于研究流动的基本现象和机理。计算机在风洞实验中的应用极大地提高了实验的自动化、高效率和高精度的水平。


昆虫化学生态学的风洞实验
  近年来风洞技术已成为昆虫性信息素研究中不可缺少的实验手段。它用于监测粗提物和分离馏分的生物活性,判断鉴定出来的性信息素组分是否完整。一般来说,风洞实验的结果是非常接近于田间情况的;利用风洞实验可以模拟昆虫的田间飞翔能力,其中最重要的一项研究是测量昆虫的飞行周期和飞行的持久性;利用风洞实验还可以研究性信息素浓度对昆虫飞行行为的影响。
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关于风洞实验的应用
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1
风洞实验技术之应用
成大航太系与航太中心
苗君易
1903年莱特兄弟动力飞机试飞成功为人类的飞行史展开新的一页,在
研制飞机过程,莱特兄弟曾使用他们自制的风洞测试所设计飞机的机翼,
这些史料记录可见於公开文献,其一风洞复制品展示在美国华盛顿特区
(Washington D.C.)的国家航太博物馆(National Air and Space Museum).自
此,风洞实验对航太科技的发展一直扮演著重要的角色,参考"The Wind and
Beyond"一书[1],Von Karman在德国Aachen建造了他所设计的第一个风
洞,由於他使用风洞对航空动力学的贡献受到国际瞩目,在第二次世界大
战之前美国加洲理工学院邀请他到美国访问,并为该校设计风洞,后来乃
由他主持该实验室,除此之外他与他的助手也为日本,中国设计与监造了
大型风洞.在第二次世界大战,韩战以及后来的欧美自由世界与共产主义
国家对立时期,加速促进航太科技的发展,不同速度范围及用途的风洞在
各强权国家如雨后春笋般地建立,为飞行器的设计,建造做出重大的贡
献,"Wind Tunnels of NASA"[2]一书可窥得当时风洞实验技术的发展盛况.
虽然风洞测试技术源起於航太飞行器设计,今日此项技术的应用已不
限於航太领域了.早在1950年代,美国Colorado State University的Professor
Cermark建造了模拟大气边界层风洞[3],以从事环境评估及建筑设计等为
主要用途,Professor Cermark利用这个风洞实验设备,为著名高层建筑物设
计提供了划时代的贡献,包含美国纽约的世贸中心大厦等,关於风洞测试
对非航空领域的应用,读者可从"Low-Speed Wind Tunnel Testing"[4]一书获
得端倪.
2
我国风洞实验技术的发展最早源於国防科技的需求,为了满足飞机与
飞弹的空气动力性能设计需求,中科院一所与二所拥有完善的低速与高速
风洞实验室,实验室人员的专业能力完整,具有丰富的风洞吹试经验.此
外,民间大学在过去的二十年来学术研究环境的不断改善,陆续建造了以
一般多用途为主之风洞,这些风洞设备,在具有实验专长的教授经营之下,
一方面从事学术研究,另一方面也协助产业界与研究机构进行研发工作;
藉著这些实验设备,大学的实验流力学术研究蓬勃发展,许多研究题目也
能与产业界需求相互结合,进行航空与非航空领域专题研究计画.回顾现
今国内大学与研究机构所拥有的主要风洞设备,笔者仅就所收集资料列表
如下,供读者参考.
地点 风洞型式 风速范围 用途
台大应力所 循环式低速一般用途风
洞,试验区截面60cm x
80cm [5]
~70m/s 低紊流流场,供学
术研究,曾提供风
速计校正等测试
工作
淡江大学[6] 开放式边界层低速风洞
(1.5m x 2.0m x 19.0m)[6];
(2.0m x 3.2m x 18.7m)[7]
~17 m/s 学术研究,大地边
界层模拟,建筑模
型测试,环境评估
中央大学土木系 开放式低速边界层风洞
(2.1m x 3.0m x 18.5m)[8]
~20 m/s 学术研究,大地边
界层模拟,建筑模
型测试环境评估
清华大学动机系 循环式低速一般用途风洞
(清华四号),试验区截面
90cm x 120cm
~117 m/s 学术研究,模拟测

交通部中央气象局 开放式低速风洞,试验区
截面180cmψ
~70 m/s 风速计校正等测
试工作
成功大学航太系 开放式一般用途低速风
洞,试验区截面90cm x
120cm
~30 m/s 学术研究,模型空
气动力性能量测
成功大学航太中心 循环式一般用途低速风
洞,试验区截面120cm x
180cm
~70 m/s 学术研究,模型空
气动力性能量
测,结构风力测试

3
成功大学航太中心 下吹式穿音速风洞试验区
截面60cm x 60cm
M: 0.2~1.4 学术研究,空气动
力性能量测等
在此必须补充说明的是,除表所列之风洞设备以外,国内学术研究单位
尚有为数不少尺寸较小之风洞,在此无法一一列举说明,读者对表中所述
风洞若有兴趣,请直接联系各负责教授或主管,应可得到更为详细的资料.
关於风洞实验常用的实验技术,笔者尝试分类如下:
1.空气动力量测-对飞行器及建筑物设计而言,风洞测试主要提供测试
模型之空气动力数据,其量测方法以平衡仪最为常见.简言之,平衡
仪的量测原理是利用受力造成平衡仪机构的位移作用,藉由位移感测
器,如应变规(strain guage),输出电压信号,由电压信号可进一步还
原受力值.试想模型置於风洞的试验区中央,其所产生的力与力矩可
各分解为三个垂直分量,因此平衡仪输出信号基本上可分解为六分
量.
鉴於平衡仪输出的是模型受力的整体表现,若欲了解模型表面局部受
力的情形,则需得到模型表面该区的压力值分布,经面积分可了解模
型局部受力的情形.理论上,若能在模型表面得到高密度的点压力量
测资料,经由面积分,应可得到模型整体受力与力矩.然仪器投资费
用与数据收集处理储存,乃不得不考虑的实际问题.所使用的感测器
压力若具有高频率响应特性,则量测数据能显示瞬间压力扰动特性,
有助於流场非定常现象的探讨.
2.流速量测-流场的速度分布常为实验研究所必需,亦为理论分析即统
御方程式中所欲知物理量.量测流速可有几种不同的仪器供选择,乃
依实验需求而定.皮托管测速仪(Pitot tube manometer)为实验必备之基
本流速量测仪器,它提供量测位置的平均流速,唯无法提供瞬时速度.
假若瞬间速度的资讯对实验者而言是重要的话,比如说所面对的物理
4
流场是紊流情况,则热线测速仪应予以考虑使用.更进一步言,若考
虑热线测探针对流场所造成的扰动足以影响欲探索的流场物理现象,
则雷射测速仪似乎是另一可能选择.再者,若为了得到流场中多点位
置速度的瞬间资讯,近年来学术界发表有关使用粒子影像追踪技术
(Particle Image Velocimeter)亦可考虑,唯此方法多用於水洞实验,对於
风洞流场而言,技术上较为困难.
3.压力量测-如前述平均压力值与扰动压力信号有助於空气动力特性
的了解,亦可间接地推知模型周遭之流体运动现象,乃非常宝贵的资
讯.对於平均压力量测,一般可在模型表面钻压力孔以管线连结压力
感测器量测之;而对於扰动压力的量测而言,最好是将压力感测器埋
在靠近表面量测位置,以避免压力扰动信号强度的减弱或延迟等问
题.近年来,所发展之微机电压力感测元件,具有极高的潜力应用在
风洞实验,由於感测器的物理尺度小,且感测器能设计为阵列方式,
有助於压力量测分布值的空间解析度.
4.视流实验技术-视流实验能协助实验者以视觉感受流场之物理运动
现象,相较於前述之速度压力量测而言,具有直接,快速,经济等优
点.在低速风洞流场,常使用烟雾产生器,藉由烟雾迹线(smoke
streakline)显示流体运动,比如说气流经过汽车外表之三维流动现象的
烟线.在高速风洞则常藉可压缩流的特性,即流体运动过程密度随之
显著变化的特性,因此使用光学方法,导引光线通过流场密度不均匀
之处产生明暗差异,以显示速度流场分布,这类方法如Shadowgraph,
Schlieren,及Hodography等.近年来,视流技术进一步结合影像处理
技巧,使得这项技巧的功能不仅提供流场定性之资讯,亦能进一步提
供定量的结果,前述之PIV实验技术亦可归属这一类技术,另外,液
晶视流技巧,压敏漆(pressure sensitive paint)以及热敏漆(temperature
5
sensitive paint)技术,都是近年来在学术研究上相当受人瞩目的研究方
向.
前瞻国内未来风洞实验技术之应用,建议强调学术研究与实际应用相互
结合,就应用方向而言可分航空领域与非航空领域两方面说明之.以航空
领域应用而言,近年来,产学研界有兴趣无人遥控飞机的设计,这个领域
将带动风洞测试之需求,另外,在民航技术领域,穿音速风洞乃最适当的
实验设备之一,可供民航飞行器在不同马赫数之飞行状况进行设计与验
证,比如说关於飞机表面粗糙度对飞行阻力的影响,飞机空速计之设计与
校验等.就非航空应用领域而言,国内对风洞测试的需求主要在建筑设计,
环境评估以及政府建筑环保相关法规之拟订,鉴於国人对生活品质的要求
愈来愈高,预期对这方面的需求也愈来愈殷切,这些实验研究工作必须在
模拟大地边界层风洞中进行;另外,有关结构物风力试验的需求,源起於
国内厂商产品的测试认证,随著政府对产品规范的要求提升,预期国内的
大型一般用途低速风洞可提供这方面的服务机会.
综言之,由於近年来国内产官学界的合力推广,风洞测试的需求渐受肯
定,同时国人具有能力建立与发展这方面的技术,提供所需服务.在此之
际,尤应重视风洞测试服务品质,实验技术的提升,并进一步拓展国际合
作与技术交流.
笔者冒眛提供以上看法就教於同好.
参考文献
1.Von Karman, T. and Edson, L., 1967, The Wind and Beyond, Little, Brown and
Company, Boston.
2.Beals, D.D. and Corliss, W.R.. 1981, Wind Tunnels of NASA, NASA-SP-440,
Scientific and Technical Information Branch, NASA.
6
3.Cermark, J. E., 1976, "Aerodynamics of Building", Ann. Rev. Fluid Mech.,
Vol.8, pp.75-106.
4.Rae, D. W. Jr. and Pope A., 1984, Low Speed Wind Tunnel Testing, John Wiley
& Sons, New York.
5.陈信宾,1994,"低速低乱度闭回路风洞之研制与测试",国立台湾大学应
用力学研究所硕士论文.
6.陈若华,郑启明与卢博望,1997,"边界层流场中振动方柱表面分布之风
动实验研究",中华民国第21届全国力学会议论文集Vol.1 pp.155-162.
7.卢博坚,郑启明,郑杰文,1997,"顺风及横风向排列相邻两振动方柱之
气动力现象研究",中华民国第21届全国力学会议论文集Vol.1
pp.163-170.
8.汪群与黄荣鉴,1983,"大气边界层风洞之规划与设计研究",行政院国家
科学委员会研究计画报告NSC-72-0414-P-001-02.

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Last modified by tommyhu on2009/05/13 08:34

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