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风洞是什么?

2021-05-27 09:31 来源:微信@航空工业

 

  提到风洞,可能大家比较陌生这可不是黑洞、虫洞一类的东西而是一个开展空气动力科学研究的实验室。

  简单地说风洞是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状试验设备,它是进行空气动力试验最常用、最有效的工具之一。

  风洞设备的建设发展与航空航天飞行器研制紧密相连。在航空飞行器发展早期,对空气动力问题的探究促使了风洞的诞生。

  1901年,莱特兄弟为试验和改进机翼,建造了风洞并在风洞中研究、比较了200种以上的机翼形状。

  1903年,莱特兄弟成功地让人类建造的飞机飞上了天空,开辟了航空史的新纪元,这次成功的试飞得益于他们的风洞。

  那么,风洞又是如何工作的呢?

  在风洞内部气流通过风扇/压缩机增压后经过低速扩散段、换热器、第三拐角和第四拐角到达稳定段,在蜂窝器和阻尼网的整流作用下,气流更加均匀稳定,再经过收缩段或喷管的加速进入风洞的核心区试验段,形成模型试验所需的流场,之后继续向下游流动,经过扩散段、第一拐角和第二拐角后,再次回到风扇/压缩机,循环往复。

  而风洞试验简单来说,是根据运动的相对性原理,以飞机为例,将缩比飞机模型固定在风洞内,风洞制造气流流过,模拟真实飞行时飞机周围的空气流动情况,以研究飞机与空气流动的相互作用,了解飞机的空气动力学特性。

  风洞种类多样,外观形式和用途也各有不同,按照气流速度范围分为低速风洞(马赫数Ma<0.4),主要用于开展飞机的起飞、着陆、低速飞行以及建筑物、车辆、桥梁等空气动力试验研究。

  高速风洞( 0.4≤Ma<5 ),主要用于各种飞行器空气动力试验研究。

  高超声速风洞(Ma≥5),主要用于开展各种航天飞行器空气动力试验研究。

  也可以按照风洞用途进行分类,如汽车风洞、环境风洞、建筑风洞和桥梁风洞等。

  风洞在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,20世纪50年代美国研制B-52轰炸机时,曾进行了约1万小时的风洞吹风试验。

  20世纪80年代第一架航天飞机的研制则进行了约10万小时的风洞试验,所以风洞试验的技术水平体现了一个国家航空航天飞行器发展的总体技术水平。

  随着空气动力学的发展,风洞在交通运输、房屋建筑、风能利用、体育项目等领域更是不可或缺。

  例如,建成于1940年的美国西北部一座跨海吊桥,建成后不久,由于一场风速仅为19米/秒的大风,引起了振幅接近数米的“颤振”,桥梁很快塌毁。事后的风洞试验研究发现,这座桥在设计上存在缺陷,这是以往桥梁设计者所没有预见到的。自此之后,凡是设计跨度较大的吊桥,都必须进行风洞模型试验。

  再比如跳台滑雪运动员利用风洞模拟滑行,通过控制身体、调整姿势,可以实时观察风速、升力、阻力等相关数据,探索并掌握最优飞行姿势,为以后的科学训练奠定良好基础。

  由此可见,风洞离我们的生活并不遥远而是扮演着极为重要的角色。

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