提示：

為什么要做風(fēng)洞實(shí)驗？

我們人類(lèi)所賴(lài)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)值得研究的現象。其中最為普遍的現象就是風(fēng)對物體的作用力，以及物體運動(dòng)時(shí)所受的力。大風(fēng)呼嘯而過(guò)時(shí)，可以折樹(shù)倒屋，掀翻航船，造成嚴重的災難，而利用風(fēng)能的風(fēng)車(chē)又可以提水發(fā)電，為人類(lèi)效力。車(chē)船在空氣中前進(jìn)，會(huì )受到阻力，而飛機要靠在空氣中前進(jìn)速度引起的空氣動(dòng)力才能夠在空中飛行。

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。這些力的大小，在表面和周?chē)闆r不變的條件下，只與物體和空氣的相對速度有關(guān)。也就是說(shuō)，同樣的物體，物體以同一姿態(tài)均勻速度在空氣中運動(dòng)，和物體在同樣姿態(tài)下，空氣以相同的速度流過(guò)物體，所受的力是相同的。物體表面所受的這些力的合力，組成合力和合力矩。決定了物體在空氣中的行為。特別是當物體在風(fēng)作用下所受的力，或者物體在空氣中運動(dòng)時(shí)所受的阻力和升力，這是人們十分關(guān)心的問(wèn)題。

最早為了測量這些力，是在英國數學(xué)家和工程師若賓(Benjamin Robins, 1707-1751)所設計的懸臂機的設備上進(jìn)行的。將要測量的物體固定在懸臂的末端，當懸臂以一定的速度旋轉起來(lái)時(shí)，從所加的驅動(dòng)力P就可以換算出物體所受的阻力。這種懸臂機使用了很長(cháng)的時(shí)期。不過(guò)它有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當懸臂旋轉了一些時(shí)間之后，空氣或水會(huì )隨著(zhù)懸臂一同旋轉，這樣會(huì )使實(shí)驗的精度大受影響。

既然在空氣中物體所受的力只和物體與空氣的相對速度有關(guān)，于是就可以讓空氣運動(dòng)而物體固定來(lái)測量物體所受的力。這就是原始的風(fēng)洞的想法。最早的風(fēng)洞是為了研究物體在空中飛行時(shí)所受的升力與阻力的需要來(lái)設計的，也就是為了早期設計飛機所需要來(lái)設計的。

風(fēng)洞的歷史

第一個(gè)設計與建造實(shí)驗風(fēng)洞的是英國人溫翰姆(Francis Herbert Wenham, 1824-1880)，他是英國航空學(xué)會(huì )創(chuàng )始人之一。他在1871年設計建造了一個(gè)風(fēng)洞。1884年另外一個(gè)英國人菲里普(Hiratio Phllips, 1845-1912)又建造了一座改進(jìn)的風(fēng)洞。1901年，美國發(fā)明家萊特兄弟(哥哥Wilbur Wright, 1867-1912, 弟弟Orville Wright, 1871-1948)為了研制飛機建造了一座風(fēng)洞。1902年俄羅斯的力學(xué)家茹可夫斯基(Nikolai E. Joukowski, 1847-1921)在莫斯科大學(xué)建造了一座直徑2英尺的風(fēng)洞。

萊特兄弟風(fēng)洞的復制品

1903年，萊特兄弟成功地實(shí)現了人類(lèi)的第一次飛行，開(kāi)辟了航空事業(yè)的新時(shí)代。1901年萊特兄弟為了實(shí)驗和改進(jìn)機翼，建造了風(fēng)洞并在風(fēng)洞中研究與比較了200種以上的機翼形狀。到1902年秋，已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗，掌握了飛行的理論與技術(shù)。這些為他們的成功奠定了堅實(shí)的基礎。

1903年以后，隨著(zhù)航空事業(yè)的開(kāi)展，各國紛紛建造了各種各樣的風(fēng)洞。風(fēng)洞的尺寸越來(lái)越大，功能不同，形式各異。德國早在1907年就成立了“哥廷根空氣動(dòng)力試驗院”，為德國航空工業(yè)長(cháng)期處于世界領(lǐng)先地位做出了卓越貢獻。美國1915年建立了航空(航天)咨詢(xún)委員會(huì )NACA(后改為NASA)那樣的機構，除了領(lǐng)導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)則成立了中央空氣動(dòng)力學(xué)研究所(ЦАГИ)，蘇聯(lián)力學(xué)家茹可夫斯基出任所長(cháng)，1921年當茹可夫斯基逝世后，由他的學(xué)生恰普雷金(Сергей Алксеевич Чаплыгин,1869－1942)繼任。研究所也建造了許多不同功能的風(fēng)洞，據統計，僅上世紀90年代，美國、英國、法國、德國、加拿大、荷蘭和日本7個(gè)國家共建有186座風(fēng)洞，其中美國就有114座。目前全世界的風(fēng)洞已經(jīng)有千余座。

中國的風(fēng)洞

我國第一座風(fēng)洞是1934年清華大學(xué)自行設計的低速風(fēng)洞。該風(fēng)洞于1936年建成，后因日本侵華戰爭爆發(fā)，風(fēng)洞被毀。此后，在南昌籌建的4.57米低速風(fēng)洞1937年基本完工，1938年受損于日本飛機的轟炸中。抗戰勝利后，清華大學(xué)、浙江大學(xué)都建過(guò)風(fēng)洞，主要用于教學(xué)。

我國第一座航空風(fēng)洞，1937年攝

1949年之后，哈爾濱軍事工程學(xué)院、北京大學(xué)等都相繼建造了低速風(fēng)洞。為了加速發(fā)展中國的航空航天事業(yè)，根據力學(xué)家錢(qián)學(xué)森、郭永懷的構想，國家于1965年在四川組建了高速空氣動(dòng)力研究機構，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動(dòng)力研究機構。 四十多年來(lái)，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心建造了數十座高質(zhì)量的風(fēng)洞，其規模堪稱(chēng)亞洲之最，為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻。

風(fēng)洞的類(lèi)型

現今，風(fēng)洞的形式和功能已經(jīng)發(fā)展得很復雜。

從吹風(fēng)的形式來(lái)說(shuō)，有直流式、有的為了節約能耗做成回流式；從吹風(fēng)持續時(shí)間來(lái)說(shuō)有持續式和暫沖式；從實(shí)驗段形狀看有圓形、方形、六角形、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)驗段內氣流馬赫數為0.4-4.5的風(fēng)洞)、亞音速風(fēng)洞(實(shí)驗段氣流馬赫數為0.4-0.7)、跨音速風(fēng)洞(實(shí)驗段氣流馬赫數為0.5-1.3)、超音速風(fēng)洞(實(shí)驗段內氣流馬赫數為1.5-4.5)、高超音速風(fēng)洞(實(shí)驗段內氣流速度馬赫數大于5)。馬赫數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)對近地結構作用的大氣邊界層風(fēng)洞、用于測量車(chē)輛行進(jìn)時(shí)的阻力的汽車(chē)風(fēng)洞、有模擬沙漠遷移規律的風(fēng)沙風(fēng)洞等、為測量高空氣流特性的稀薄氣體風(fēng)洞、為研究飛機穿過(guò)云霧飛行時(shí)飛機表面局部結冰現象的冰風(fēng)洞、此外還有激波風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞等等，不一而足。

風(fēng)洞中的科技含量

也許你認為，建造一個(gè)風(fēng)洞是很簡(jiǎn)單的問(wèn)題，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)洞的建造是很復雜的問(wèn)題，就拿洞內的氣流來(lái)說(shuō)，要實(shí)驗段各處風(fēng)的速度均勻，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范圍內，這就是所謂對流場(chǎng)品質(zhì)的要求。對于高速風(fēng)洞，除了對流場(chǎng)品質(zhì)的要求外，對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試設備和儀器。要有測力矩和測量流場(chǎng)各點(diǎn)的速度壓強的設備。由于這些數據的量很大，所以又需要有數據的自動(dòng)采集和處理的設備。

所以現代化風(fēng)洞的建立，是現代科技水平的體現。風(fēng)洞的水平完全能夠體現一個(gè)國家綜合科技水平和實(shí)力。有的風(fēng)洞的尺寸很大，可以把一架飛機裝在里面吹風(fēng)。任何一架飛機或火箭的設計都需要成千上萬(wàn)次的風(fēng)洞試驗。建造一座現代化的風(fēng)洞，耗資可以達數億美元乃至數十億美元之巨。

風(fēng)洞的各種用途

有了合格的風(fēng)洞，究竟能夠做些什么實(shí)驗呢？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)的基本規律，以驗證和發(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)驗來(lái)確定飛行器的氣動(dòng)布局和評估其氣動(dòng)性能。現代飛行器的設計對風(fēng)洞的依賴(lài)性很大。例如，50年代美國B(niǎo)-52型轟炸機的研制，曾進(jìn)行了約10000小時(shí)的風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗，而80年代第一架航天飛機的研制則進(jìn)行了約100000小時(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗。包括測量在不同姿態(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)洞試驗的水平，體現了一個(gè)國家航空航天的水平，也體現了一個(gè)國家國防中制空權的水平。

隨著(zhù)現代科學(xué)發(fā)展的整體化趨勢的出現，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，正在向國民經(jīng)濟各個(gè)領(lǐng)域滲透，發(fā)揮越來(lái)越大的作用，并逐步形成了一門(mén)新興的邊緣學(xué)科——工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)(Industrial Aerodynamics)。工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞最早在20世紀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(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞的應用范圍愈益廣泛。降落傘、船帆、球類(lèi)、標槍、鐵餅、汽車(chē)、建筑物、橋梁、奧運火炬、風(fēng)車(chē)、通風(fēng)機、冷卻塔等等，凡是在空氣和風(fēng)中的行為不清楚的，都需要在風(fēng)洞中試驗和研究。

舉例來(lái)說(shuō)，在1940年建成的美國西北部一座跨海灣的吊橋，即長(cháng)853.4m的塔科馬 (Tacoma) 大橋，建成后不久，由于同年11月7日的一場(chǎng)不大的風(fēng)（僅每秒19m）引起了振幅接近數米的“顫振”，在這樣大振幅振蕩下結構不一會(huì )兒便塌毀了。事后的風(fēng)洞研究發(fā)現了這座橋在設計上的問(wèn)題，這是以往設計橋梁的土木工程師們所沒(méi)有預見(jiàn)到的。自此之后，凡是設計跨度較大的吊橋，都必須進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗，和對橋梁所受的空氣動(dòng)力進(jìn)行詳細的論證。

其中，ρ是空氣密度，S是物體的截面積，v是氣流的速度，而k是與物體形狀有關(guān)的系數，也稱(chēng)為阻力系數或形狀系數。這個(gè)系數k只能靠風(fēng)洞試驗來(lái)確定。表示不同形狀的物體的阻力系數，可以看出形狀不同，對所受阻力的影響可以達到數倍到數十倍之大。20世紀70年代以前，一般小汽車(chē)的阻力系數約在0.4到0.6之間，在70年代以后，由于油價(jià)飆升，節油成為汽車(chē)的重要指標，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，現今一般小汽車(chē)的阻力系數已經(jīng)降低到0.28到0.4之間，這都是借助于風(fēng)洞來(lái)實(shí)現的。目前全世界有專(zhuān)用于汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的風(fēng)洞有50多座，大部分分布在歐、美、日等國。

汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗

近年來(lái)人們對環(huán)境問(wèn)題日益重視。例如，美國洛杉機市市區三面環(huán)山很少有風(fēng)，40年代初，由于有250多萬(wàn)輛汽車(chē)每天向大氣排放大量的碳氫化合物、氮氧化物、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，造成嚴重的光化學(xué)煙霧污染事件，許多居民出現了眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰弱等現象。65歲以上的老人兩天內死亡400多人。城市中高樓鱗次櫛比，密集的建筑群與風(fēng)相互作用，在不同的風(fēng)場(chǎng)條件下出現繞流渦、下沖流、角區流、變化的尾流和穿堂風(fēng)等效應和現象，這些給城市環(huán)境都帶來(lái)了很大影響。如城市建設中缺乏科學(xué)合理布局，使得有些地方塵土飛揚，而有些區域由于樓群的阻塞使得空氣滯留，通風(fēng)不暢，空氣混濁，烏煙瘴氣。據統計，我國空氣質(zhì)量超過(guò)國家三級標準、屬于嚴重污染的城市占到40%左右。城市懸浮顆粒物超標比較普遍，酸雨的覆蓋面積已占國土面積的30%以上，污染造成經(jīng)濟損失和影響人體健康。因此研究建筑群及城市的環(huán)境流動(dòng)指導科學(xué)合理的城市規劃建設，是十分必要的。

由于這方面的研究，利用風(fēng)洞實(shí)驗來(lái)模擬大氣邊界層流動(dòng)特性及大氣擴散現象，早在20世紀20年代就開(kāi)始摸索了。1941年，Sherlock和Stalker在風(fēng)洞中研究地形及建筑物對煙囪排放出來(lái)的煙氣擴散的影響。1952年，Strom在風(fēng)洞試驗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，研究大氣擴散現象。直到1963年世界上第一座長(cháng)試驗段大氣環(huán)境風(fēng)洞——美國科羅拉多州立大學(xué)氣象風(fēng)洞的出現，使大氣擴散風(fēng)洞模擬研究，從在常規的航空低速風(fēng)洞中的探索階段進(jìn)入到專(zhuān)用的大氣環(huán)境風(fēng)洞中的發(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，也可以模擬物體在水下受力。只不過(guò)在實(shí)測阻力系數下，用水的密度來(lái)計算實(shí)際阻力。所以風(fēng)洞在研究潛水艇的改進(jìn)中也發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。

總之，風(fēng)洞經(jīng)過(guò)一百多年來(lái)的發(fā)展和改進(jìn)，本身就是一種體現綜合科學(xué)技術(shù)實(shí)力的高科技領(lǐng)域。它的種類(lèi)愈益繁多、功能愈益完善。發(fā)展航空航天事業(yè)，離不開(kāi)風(fēng)洞，改進(jìn)建筑離不開(kāi)風(fēng)洞。風(fēng)洞還可以為減災、環(huán)境保護、提高體育運動(dòng)成績(jì)、車(chē)船節能貢獻力量。

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