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“風洞”到底是什麽?

風洞,是能人工產生和控製氣流,以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動,並可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道狀試驗設備,它是進行空氣動力試驗最常用、最有效的工具。

那麽,“風洞”到底是幹什麽的?

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0.6米×0.6米連續式跨聲速風洞。

一、風洞與風洞試驗

風洞是利用人工產生的氣流來模擬飛行器飛行環境的一種管道狀試驗設備。

風洞試驗,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,並研究相應的流動現象與流動機理。風洞試驗要遵循幾何相似、流動相似等一係列相似準則。馬赫數、雷諾數是其中最重要的相似參數,直接影響風洞試驗結果的準確性。

02

5.5米x4米航空聲學風洞開展C919全機模型氣動噪聲測量試驗。

●馬赫數(Ma)

馬赫數=飛行速度/聲速,用於表征飛行器的飛行速度,反映飛行器飛行時周圍空氣的壓縮程度。

●雷諾數(Re)

雷諾數=慣性力/粘性力,用於表征飛行器飛行時受到的粘性力,反映氣流對飛行器表麵的粘性阻滯作用。

二、風洞名稱中的尺寸及其意義

風洞名稱中通常會使用尺寸,例如1.2米×1.2米跨超聲速風洞中的“1.2米×1.2米”,指的是風洞試驗段橫截麵尺寸為1.2米(寬)×1.2米(高)。

風洞試驗段尺寸決定了試驗模型的大小。一般風洞試驗模型尺寸比真實飛行器尺寸小得多,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,試驗模型尺寸就越大,模型保真度就越高,試驗數據就越可靠。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。

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在2米×2米超聲速風洞開展導彈標模試驗。

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,成體係地進行建設。其中,小型風洞主要用於基礎研究和先進氣動技術探索,多學科研究及CFD驗證;中型風洞主要用於中小型飛行器選型、校核和定型試驗,先進氣動技術的驗證;大型風洞主要用於大型飛行器的選型、校核和定型試驗等。

三、風洞的分類

馬赫數是風洞試驗必須模擬的相似參數,風洞通常按照來流馬赫數進行分類。

● 低速風洞(Ma<0.4):

主要用於開展飛機起飛/著陸,低速飛行器、建築、車輛、橋梁等空氣動力試驗研究。

● 高速風洞( 0.4≤Ma<5 ):

高速風洞又可細分為跨聲速風洞(0.4≤Ma<1.4)和超聲速風洞(1.4≤Ma<5),主要用於各種航空飛行器空氣動力試驗研究。

● 超高速風洞(Ma≥5):

主要用於開展各種航天飛行器空氣動力試驗研究。

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​3米x2米結冰風洞開展飛機平尾部件結冰試驗

風洞按照驅動方式還可分為連續式和暫衝式。

● 連續式風洞:

由風扇壓縮機係統驅動氣流在風洞回路中運動。優點是運行時間長,運行成本較低;缺點是技術較為複雜,建設成本較高。

● 暫衝式風洞:

由預先壓縮的高中壓氣源驅動或真空罐抽吸形成流動。其優點是建設技術相對簡單,建設成本低;缺點是:運行時間短,運行成本高。

此外,根據用途不同,風洞還可分為常規風洞和特種試驗設備,典型的特種試驗設備包括結冰風洞、聲學風洞、電弧風洞、激波管、彈道靶等。

05

0.3米低溫引導風洞

四、空氣動力學研究 “ 三種手段 ” 及其相互關係

風洞試驗、數值計算和模型飛行試驗,是研究空氣動力學的三大手段。

● 風洞試驗:

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,並研究相應的流動現象與流動機理。

優點:能夠真實反映流動物理過程,可獲得較為真實的試驗數據,可嚴格重複;

缺點:試驗條件與真實飛行條件不完全一致,存在洞壁幹擾、支架幹擾、模型失真等誤差源。

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2米×2米超聲速風洞

● 數值計算:

求解流體動力學方程組(NS方程或其簡化模型),獲取飛行器繞流流場參數,分析流動現象與機理,並通過表麵積分獲取空氣動力特性。

優點:成本低、效率高,可模擬極限條件;

缺點:存在物理模型、計算方法等誤差源。

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