Question

风洞的历史

Answer 1

世界上公认的第一个风洞是英国人韦纳姆(E.Mariotte)于1869～1871年建成，并测量了物体与空气相对运动时受到的阻力。它是一个两端开口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，长3.05米。美国的O.莱特和W.莱特兄弟在他们成功地进行世界上第一次动力飞行之前，于1900年建造了一个风洞，截面40.6厘米×40.6厘米，长1.8米，气流速度40～56.3千米/小时。1901年莱特兄弟又建造了风速12米/秒的风洞，为他们的飞机进行有关的实验测试。
风洞的大量出现是在20世纪中叶。到目前为止，中国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。
风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具。它的产生和发展是同航空航天科学的发展紧密相关的。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律，以验证和发展有关理论，并直接为各种飞行器的研制服务，通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如50年代美国B-52型轰炸机的研制，曾进行了约10000小时的风洞实验，而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约100000小时的风洞实验。
设计新的飞行器必须经过风洞实验。风洞中的气流需要有不同的流速和不同的密度，甚至不同的温度，才能模拟各种飞行器的真实飞行状态。风洞中的气流速度一般用实验气流的马赫数(M数)来衡量。风洞一般根据流速的范围分类：M<0.3的风洞称为低速风洞，这时气流中的空气密度几乎无变化；在 0.3<M<0.8 范围内的风洞称为亚音速风洞，这时气流的密度在流动中已有所变化； 0.8<M<1.2 范围内的风洞称为跨音速风洞；1.2<M<5范围内的风洞称为超音速风洞；M≥5的风洞称为高超音速风洞。风洞也可按用途、结构型式、实验时间等分类。
因为风洞的控制性佳，可重复性高，现今风洞广泛用于汽车空气动力学和风工程的测试，譬如结构物的风力荷载和振动、建筑物通风、空气污染、风力发电、环境风场、复杂地形中的流况、防风设施的功效等。这些问题皆可以利用几何相似的原理，将地形、地物以缩尺模型放置于风洞中，再以仪器量测模型所受之风力或风速。一些研究也指出风洞实验之结果与现地风场的观测的结果相近，故风洞实验是研究许多风工程问题最常用的方法。风洞实验数据亦可用来验证数值模型的有效性，找到较佳的模式参数。
全世界的风洞总数已达千余座，最大的低速风洞是美国国家航空航天局艾姆斯中心的国家全尺寸设备(NFSF)，实验段尺寸为24.4×36.6米2,足以实验一架完整的真飞机；雷诺数最高的大型跨音速风洞是美国兰利中心的国家跨音速设备(NTF)，它是一座实验段尺寸为2.5×2.5米2的低温风洞，采用了喷注液氮的技术，用以降低实验气体温度，从而使风洞实验的雷诺数达到或接近飞行器的实际飞行值。现代最大的高马赫数、高雷诺数气体活塞式风洞还配有先进的测量显示仪器和数据采集处理系统。风洞的发展趋势是进一步增加风洞的模拟能力和提高流场品质，消除跨音速下的洞壁干扰，发展自修正风洞。