風(fēng)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(guān)、值得研究的現(xiàn)象。其中最為普遍的現(xiàn)象就是風(fēng)對(duì)物體的作用力以及物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力。呼嘯而過(guò)的大風(fēng)可以折樹倒屋，掀翻航船，造成嚴(yán)重的災(zāi)難；而利用風(fēng)能的風(fēng)車又可以提水發(fā)電，為人類效力。車船在空氣中前進(jìn)，會(huì)受到阻力；而飛機(jī)又靠在空氣中前進(jìn)所引起的空氣動(dòng)力，才能夠飛行。

物體表面與空氣接觸會(huì)產(chǎn)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(duì)速度有關(guān)。也就是說(shuō)，同樣的物體，如果以同一姿態(tài)在空氣中勻速運(yùn)動(dòng)所受的力，是和物體在同樣姿態(tài)下，空氣以相同的速度流過(guò)物體時(shí)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(guān)心物體在風(fēng)的作用下所受的力，以及物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guó)數(shù)學(xué)家和工程師本杰明·羅賓斯所設(shè)計(jì)的懸臂機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試：將要測(cè)量的物體固定在懸臂末端，當(dāng)懸臂以一定速度旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)，從所加的驅(qū)動(dòng)力就可以換算出物體所受的阻力。這種懸臂機(jī)使用了很長(zhǎng)時(shí)間。不過(guò)，它有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)懸臂旋轉(zhuǎn)了一段時(shí)間后，周圍的空氣或水會(huì)隨著懸臂一同旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(duì)速度有關(guān)，那么，是不是可以將物體固定起來(lái)，只讓空氣運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而測(cè)量出物體所受的力呢？這就是人們最初建造風(fēng)洞的想法。

“飛行器的搖籃”

早期的風(fēng)洞就是為了研究物體在空中飛行時(shí)所受的升力與阻力來(lái)設(shè)計(jì)的，即為了飛機(jī)設(shè)計(jì)所需。第一個(gè)設(shè)計(jì)與建造實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞的是英國(guó)人溫翰姆，他是英國(guó)航空學(xué)會(huì)的創(chuàng)始人之一。他在1871年設(shè)計(jì)、建造了一座風(fēng)洞。1884年，英國(guó)人菲利普建造了一座改進(jìn)的風(fēng)洞。1901年，美國(guó)萊特兄弟為了研制飛機(jī)建造了一座風(fēng)洞。1902年，俄羅斯力學(xué)家茹科夫斯基在莫斯科大學(xué)建造了一座直徑大約為0.61米的風(fēng)洞。

1903年，萊特兄弟成功地讓人類建造的飛機(jī)飛上了天空，開辟了航空史上的新紀(jì)元。這次成功的試飛得益于他們的風(fēng)洞。1901年，萊特兄弟為實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)機(jī)翼，建造了風(fēng)洞并在風(fēng)洞中研究與比較了200種以上的機(jī)翼形狀。到1902年秋，他們已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗(yàn)，掌握了飛行的理論與技術(shù)。這些為他們之后的成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

因此，風(fēng)洞被稱為“飛行器的搖籃”，是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具。這種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，就是根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理和相似理論，在風(fēng)洞中測(cè)量飛行器縮比模型的空氣動(dòng)力特性，并研究相應(yīng)的流動(dòng)現(xiàn)象與流動(dòng)機(jī)理。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要遵循幾何相似、流動(dòng)相似等一系列相似準(zhǔn)則。

1903年以后，伴隨航空業(yè)的發(fā)展，各國(guó)紛紛建造風(fēng)洞。風(fēng)洞的尺寸越來(lái)越大，功能多樣，形式各異。德國(guó)早在1907年就成立了“哥廷根空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)院”，為德國(guó)航空工業(yè)長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先地位做出了卓越貢獻(xiàn)。美國(guó)在1915年建立了航空（航天）咨詢委員會(huì)（英文縮寫為NACA，其后改為NASA），該機(jī)構(gòu)除了領(lǐng)導(dǎo)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(fēng)洞。1918年，蘇聯(lián)成立了中央流體動(dòng)力研究院，蘇聯(lián)力學(xué)家茹科夫斯基出任所長(zhǎng)。1921年，茹科夫斯基逝世后，研究所由他的學(xué)生恰普雷金繼任。研究所也建造了許多不同功能的風(fēng)洞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅20世紀(jì)90年代，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、荷蘭和日本這7個(gè)國(guó)家共建有186座風(fēng)洞，其中，美國(guó)有114座。目前，全世界的風(fēng)洞已經(jīng)有千余座。

我國(guó)第一座風(fēng)洞是1934年由清華大學(xué)自行設(shè)計(jì)的低速風(fēng)洞。該風(fēng)洞建成于1936年，后因日本侵華戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，風(fēng)洞被毀。此后，在南昌籌建的4.57米低速風(fēng)洞于1937年基本完工，該風(fēng)洞在1938年毀于日本飛機(jī)的轟炸?？箲?zhàn)勝利后，清華大學(xué)、浙江大學(xué)都曾建過(guò)風(fēng)洞，主要用于教學(xué)需要。

1949年之后，位于哈爾濱的解放軍軍事工程學(xué)院和北京大學(xué)等相繼建造了低速風(fēng)洞。為了加速發(fā)展中國(guó)的航空航天事業(yè)，根據(jù)著名科學(xué)家錢學(xué)森、郭永懷的構(gòu)想，我國(guó)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)。

40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)。

風(fēng)洞什么樣

風(fēng)洞名稱中通常會(huì)使用尺寸，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸決定了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇笮?。一般風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绫日鎸?shí)飛行器的尺寸小得多，當(dāng)模型尺寸太小時(shí)，飛行器上的幾何細(xì)節(jié)和小部件難以模擬。風(fēng)洞越大，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭酱?，模型保真度越高，?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就越可靠；但是，風(fēng)洞尺寸越大，建設(shè)難度越大、運(yùn)行成本就越高，這就要求權(quán)衡模擬準(zhǔn)確度、可行性與經(jīng)濟(jì)性，合理確定風(fēng)洞尺寸。

為此，世界主要空氣動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)都對(duì)風(fēng)洞尺寸進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，按大、中、小尺寸配套，成體系地進(jìn)行建設(shè)。其中，小型風(fēng)洞主要用于基礎(chǔ)研究和先進(jìn)氣動(dòng)技術(shù)探索、多學(xué)科研究及計(jì)算流體力學(xué)（CFD）驗(yàn)證；中型風(fēng)洞主要用于中小型飛行器選型、校核和定型實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)氣動(dòng)技術(shù)的驗(yàn)證；大型風(fēng)洞主要用于大型飛行器的選型、校核和定型實(shí)驗(yàn)等。

現(xiàn)今，風(fēng)洞的形式和功能已經(jīng)發(fā)展得很復(fù)雜。

從吹風(fēng)的形式來(lái)說(shuō)，有直流式，有的為了節(jié)約能耗做成回流式。從吹風(fēng)持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō)，有持續(xù)式和暫沖式。從實(shí)驗(yàn)段形狀看，有圓形、方形、六角形和八角形等。

從風(fēng)速來(lái)說(shuō)，有低速風(fēng)洞（風(fēng)速在130米/秒以下）、高速風(fēng)洞（實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為0.4～4.5的風(fēng)洞）、亞音速風(fēng)洞（實(shí)驗(yàn)段氣流馬赫數(shù)為0.4～0.7）、跨音速風(fēng)洞（實(shí)驗(yàn)段氣流馬赫數(shù)為0.5～1.3）、超音速風(fēng)洞（實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為1.5～4.5）、高超音速風(fēng)洞（實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流馬赫數(shù)大于5）。馬赫數(shù)是氣流速度與聲音傳播速度之比。

從風(fēng)洞的特別用途來(lái)說(shuō)，有模擬風(fēng)對(duì)近地結(jié)構(gòu)作用的大氣邊界層風(fēng)洞、用于測(cè)量車輛行進(jìn)時(shí)所受阻力的汽車風(fēng)洞，有模擬沙漠遷移規(guī)律的風(fēng)沙風(fēng)洞以及為測(cè)量高空氣流特性的稀薄氣體風(fēng)洞、為研究飛機(jī)穿過(guò)云霧飛行時(shí)飛機(jī)表面局部結(jié)冰現(xiàn)象的冰風(fēng)洞等。此外，還有激波風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞等，不一而足。

也許你認(rèn)為，建造一個(gè)風(fēng)洞是很簡(jiǎn)單的事情，無(wú)非是建造一個(gè)大的洞體，再由一個(gè)巨大的風(fēng)扇吹風(fēng)就妥了。其實(shí)，風(fēng)洞的建造是很復(fù)雜的，就洞內(nèi)的氣流來(lái)說(shuō)，如果要使實(shí)驗(yàn)段各處的風(fēng)速均勻，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范圍內(nèi)，這就是所謂對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)的要求。對(duì)于高速風(fēng)洞，除了有對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)的要求外，對(duì)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(cè)試設(shè)備和儀器。要有測(cè)力矩和測(cè)量流場(chǎng)各點(diǎn)速度壓強(qiáng)的設(shè)備。由于測(cè)量這些數(shù)據(jù)的工作量很大，所以又需要有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理設(shè)備。

因而，現(xiàn)代化風(fēng)洞的建立是現(xiàn)代科技水平的體現(xiàn)，風(fēng)洞的水平完全能夠體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的綜合科技水平和實(shí)力。有的風(fēng)洞的尺寸很大，可以把一架飛機(jī)裝在里面吹風(fēng)。我們見到的任何一架飛機(jī)或火箭的設(shè)計(jì)都需要成千上萬(wàn)次的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。建造一座現(xiàn)代化的風(fēng)洞，耗資可以達(dá)數(shù)億美元乃至數(shù)十億美元之巨。

用途多又多

有了合格的風(fēng)洞，利用這些風(fēng)洞究竟能夠做些什么實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

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。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(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)確定飛行器的氣動(dòng)布局和評(píng)估其氣動(dòng)性能。現(xiàn)代飛行器的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)洞的依賴性很大。例如，20世紀(jì)50年代美國(guó)研制B-52型轟炸機(jī)時(shí)，曾進(jìn)行了約1萬(wàn)小時(shí)的風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，20世紀(jì)80年代第一架航天飛機(jī)的研制則進(jìn)行了約10萬(wàn)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。所以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家航空航天的水平，也體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家國(guó)防中制空權(quán)的水平。

隨著現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展整體化趨勢(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，并發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，由此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)。工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞最早在20世紀(jì)60年代初使用，主要是指非航空、航天工程的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞的應(yīng)用范圍日益廣泛。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，凡是對(duì)于在空氣和風(fēng)中的物體的運(yùn)動(dòng)行為不清楚的地方，都需要在風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)和研究。

舉例來(lái)說(shuō)，建成于1940年的美國(guó)西北部一座跨海吊橋，即長(zhǎng)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(chǎng)不大的風(fēng)（風(fēng)速僅為19米/秒），引起了振幅接近數(shù)米的“顫振”。在這樣大振幅的振蕩下，橋梁結(jié)構(gòu)很快便塌毀了。人們?cè)谑潞蟮娘L(fēng)洞研究中發(fā)現(xiàn)，這座橋在設(shè)計(jì)上存在缺陷，是以往橋梁設(shè)計(jì)者所沒(méi)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)洞模型實(shí)驗(yàn)，以便對(duì)橋梁所受的空氣動(dòng)力進(jìn)行詳細(xì)論證。

運(yùn)動(dòng)的物體所受氣流的迎風(fēng)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(duì)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)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。物體不同，阻力系數(shù)也不同，通過(guò)阻力系數(shù)，可以看出物體的不同形狀對(duì)其所受阻力的影響可以達(dá)到數(shù)倍到數(shù)十倍之大。20世紀(jì)70年代以前，一般小汽車的阻力系數(shù)約為0.4～0.6；之后，由于油價(jià)飆升，節(jié)油成為評(píng)價(jià)汽車性能的重要指標(biāo)之一，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，現(xiàn)今一般小汽車的阻力系數(shù)已經(jīng)降低到0.28～0.4。這都是借助于風(fēng)洞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，全世界專用于研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)的風(fēng)洞有50多座，大部分分布在歐美和日本。

關(guān)于自行車在空氣中的阻力，測(cè)試表明，當(dāng)車速增加到11米/秒時(shí)，空氣阻力占前進(jìn)總阻力的80%。減小空氣阻力最有效的措施是減少“人-車系統(tǒng)”在前進(jìn)方向上的截面積：身體蜷伏、臀部高抬、背部平直的騎行姿勢(shì)能大大減少空氣阻力，“羊角把”的設(shè)計(jì)便是為了實(shí)現(xiàn)這種姿態(tài)。

近年來(lái)，人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題日益重視。美國(guó)洛杉磯市區(qū)三面環(huán)山，很少有風(fēng)，20世紀(jì)40年代初，由于有250多萬(wàn)輛汽車每天向大氣中排放大量的碳?xì)浠衔?、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(xué)煙霧，造成嚴(yán)重的光化學(xué)煙霧污染事件，許多居民出現(xiàn)了眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰竭等現(xiàn)象。當(dāng)?shù)?5歲以上的老人在兩天內(nèi)死亡400多人。這種情況并不是孤例。

隨著城市的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，高樓鱗次櫛比，密集的建筑群與風(fēng)相互作用，使得城市在不同的風(fēng)場(chǎng)條件下出現(xiàn)繞流渦、下沖流、角區(qū)流、變化的尾流和穿堂風(fēng)等效應(yīng)和現(xiàn)象，這些給城市環(huán)境帶來(lái)了很大影響。過(guò)去，由于在城市建設(shè)中缺乏科學(xué)規(guī)劃與合理布局，導(dǎo)致有些地方因?yàn)榇箫L(fēng)吹拂而塵土飛揚(yáng)，另外一些區(qū)域由于樓群的阻塞使得空氣滯留，通風(fēng)不暢，空氣混濁。這些都會(huì)嚴(yán)重影響居民健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)空氣質(zhì)量超過(guò)國(guó)家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、屬于嚴(yán)重污染的城市占到40%左右。城市懸浮顆粒物超標(biāo)比較普遍。因此，研究建筑群及城市的環(huán)境流動(dòng)、指導(dǎo)科學(xué)合理的城市規(guī)劃和建設(shè)是十分必要的。

對(duì)于這方面的研究，科學(xué)家早在20世紀(jì)20年代就開始摸索利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬大氣邊界層流動(dòng)特性及大氣擴(kuò)散現(xiàn)象。1941年，夏洛克和斯托克在風(fēng)洞中研究地形及建筑物對(duì)煙囪排放出來(lái)的煙氣擴(kuò)散的影響。1952年，斯特羅姆在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段裝上加熱氣流的格柵及阻尼網(wǎng)，形成溫度梯度及速度梯度的氣流，用于研究大氣擴(kuò)散現(xiàn)象。直到1963年世界上第一座長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)段大氣環(huán)境風(fēng)洞——美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)氣象風(fēng)洞的出現(xiàn)，使大氣擴(kuò)散風(fēng)洞模擬研究從在常規(guī)的航空低速風(fēng)洞中的探索階段進(jìn)入到使用專用的大氣環(huán)境風(fēng)洞的發(fā)展階段。

由于水和空氣都是流體，風(fēng)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(guò)在實(shí)測(cè)阻力系數(shù)下，用水的密度來(lái)計(jì)算實(shí)際阻力。所以，風(fēng)洞在研究潛水艇的改進(jìn)中也具有巨大作用。

總之，經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展和改進(jìn)，作為高科技領(lǐng)域一種體現(xiàn)國(guó)家綜合科學(xué)技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)志，風(fēng)洞的種類日益繁多，功能日益完善。發(fā)展航空航天事業(yè)離不開風(fēng)洞，改進(jìn)建筑離不開風(fēng)洞。風(fēng)洞還可以為減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、提高體育運(yùn)動(dòng)成績(jī)以及車船節(jié)能等貢獻(xiàn)力量。

【責(zé)任編輯】趙 菲