风洞小科普

风洞是空气动力学实验设备，用于在可控的试验室环境中研究物体周围的气流状态以及由此产生的气动载荷。风洞被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、建筑、体育等领域。

目前，根据风洞的分类有多种方式：

• 根据速度划分，有低速风洞、高速风洞、跨声速风洞、超声速风洞等
• 根据行业应用划分，有汽车风洞、航空风洞、环境风洞等
• 根据流动方式划分，有直流式风洞和回流式风洞  
  
• 根据试验模型的尺寸划分，有全尺寸风洞和缩比风洞
   

物体在实际大气中，与周围空气通常有两种相对关系：物体静止+空气流动和物体移动+空气静止。针对物体移动+空气静止的问题，可依据相对运动关系，转化为物体静止+空气流动。因此，风洞试验中，要求被测试模型是静止状态。

风洞，简单理解，即人工吹风装置。是出于试验目的而建造，具有动力、整流等装置的密闭管道。

首先，空气通过风扇、压缩气瓶等动力源形成足够强的风力。其次，风在通过整流装置进行整流使之满足试验要求后流入试验段，对测试模型进行吹风。最后根据风洞是否安装回流装置，尾气排入大气或者进入回收装置。

其中，在试验段，需要在测试模型上安装传感器以测量模型的阻力、升力、气体速度、气体压力等参数。

1897年，苏联科学家齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）建造了通过离心式鼓风机提供稳定气流的开放式风洞，并测量了平板、圆柱和球体的阻力系数。

莱特兄弟在20世纪初期利用风洞测试，帮助设计了世界上的第一架飞机-飞行者一号。这标志着风洞成功用于航空工程设计。

1909年，法国工程师埃菲尔（Gustave Eiffel）建造了世界上第一个开放式回流风洞，位于埃菲尔铁塔附近。在1912年，此风洞被搬到巴黎郊区，至今仍在使用。由于大量的创新设计，此风洞的设计被后来大量模仿，并将此设计命名为埃菲尔型风洞。

英国科学家雷诺（Osborne Reynolds）通过风洞试验，发现缩比模型和全尺寸模型的某些气流参数的比例关系不变，则两者的气流形式也是相同的。后来科学家将此现象作为风洞试验的相似性准则之一：雷诺数相似。

随着航空工业的发展，对于风洞的需求量逐步增大，美国、法国、德国等地均建造了大量风洞。第二次世界大战开战前，世界最大的风洞位于法国巴黎郊区，代号S1Ch，竣工于1934年。此风洞具备进行全尺寸试验的能力，一直运行到1976年，并参与过协和号超声速飞机的研发。

第二次世界大战的爆发给航空工业带来极大的发展，并**德国、美国等主要参战国大力建设风洞设备。据统计，在二战期间，德国至少完成了3个超声速风洞的建设，最高马赫数可达4.4。美国同期也建设了8个新风洞。

第二次世界大战结束后，冷战开启导致东西方阵营军备竞赛，对航空器的深入研究对风洞提出了更高的要求。并大力研究包括超声速风洞、环境风洞等先进风洞。冷战期间，北美、苏联、东亚、西欧等地区均大量建设了为军事目的服务的风洞。于此同时，伴随着汽车、轨道交通等行业的发展和桥梁、高层建筑等基础设施的建设，各类企业也兴建了大量风洞满足市场需求。

21世纪随着冷战的结束，以及计算机仿真的普及化，风洞建设开始降温。特别是在美国，由于风洞的使用率逐渐下滑，部分使用率过低且年代久远的风洞被拆除以节约成本。

目前，国内最高水平的风洞群位于四川省的中国空气动力发展与研究中心，也是亚洲规模最大的风洞试验中心，可进行包括表面结冰、气动噪音、火箭表面高温电弧等试验。位于北京市的JF12风洞可用于测试高层大气中高马赫数的飞行状况，是国际领先水平。相对JF12更先进，技术指标更强大的JF22风洞也处于研制设计阶段。

随着计算机性能和流体力学数值计算技术的发展，风洞试验在研发阶段已经逐步被计算机仿真代替。由于计算机仿真在效率、成本、安全性等方面的优势，计算机仿真替代风洞试验是不可逆转的趋势。更多的使用计算机仿真，减少试验的数量，这不仅仅是空气动力学领域才存在的趋势，包括结构、散热、电磁等领域同样存在。

但是由于某些问题的复杂性，计算机仿真不可能完全代替风洞试验，更不可能完全代替实物试验。在可预见的未来，计算机仿真和风洞试验将继续保持互补的关系。通过计算机仿真，可以将某些不合理设计方案在初选阶段就淘汰。对于可行方案，计算机仿真的结果通过风洞试验得到验证，并利用风洞试验数据对计算机仿真模型的设置进行校准优化。