航空航天飞行器的摇篮——风洞测试

什么是风洞测试

风洞就是一个可以帮助工程师直观了解风的东西，自然界的风不仅看不见、摸不着，而且大小也无法控制，没准是今天微风和煦，明天它就抽你耳光，一切都不可量化控制，而风洞的意义就是把风变成一个可观、可控的形态，确保在实验过程中，风的状态一定是切合实验所需的这么一个装置，叫做风洞。

风洞被称为“航空航天飞行器的摇篮”，被世界各国视为重要的战略资源。

一般，风洞测试是指空气动力学模型实验方法，而空气动力学实验分实物实验和模型实验两大类 。实物实验如飞机飞行实验和导弹实弹发射实验等，不会发生模型和环境等模拟失真问题，一直是鉴定飞行器气动性能和校准其他实验结果的最终手段，这类实验的费用昂贵，条件也难控制，而且不可能在产品研制的初始阶段进行，故空气动力学实验一般多指模型实验。

流体力学方面的风洞测试指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。

风洞是如何工作的?

风洞产生连续的气流，通常使用电动风扇。被测对象不会移动。空气围绕着静止的被测对象运动，创造出与现实生活中预期尽可能接近或相同的相对空气运动。同时，通过精确的载荷测量装置，可以测量作用在物体上的空气阻力、升力等气动力。物体周围的气流流动特征也可以通过一些技术来可视化，比如在测试物体上喷烟和油流，这意味着“制造看不见的空气”。

有史以来，一些最强大的电动机是在风洞中建造的，你会在风洞推进设施中找到它们。

风洞试验的目的是什么?

风洞测试有助于发明者和制造商更好地了解车辆或被测对象上方和周围空气流动的性质，以及空气对物体造成的影响，特别是空气动力。航空航天工程师利用这些测试来测量飞机的升力和阻力特性，以及稳定性。测试结果可以产生更符合空气动力学和燃油效率的飞机设计。

在计算机辅助设计出现之前，改进设计需要建立连续的风洞模型，这给飞机项目增加了成本和时间延误。随着计算流体动力学(CFD)工具的出现，工程师们能够加速这一过程，并在虚拟环境中测试数百种(如果不是数千种的话)设计。因此，只有最有前途的设计配置才能进行物理风洞测试，从而大大降低了开发成本。

其实风洞不是个洞，而是一条大型隧道或管道，里面有一个巨型扇叶，能产生一股强劲气流。气流经过一些风格栅，减少涡流产生后才进人试验室。风洞的最大作用是用来测量汽车的风阻，风阻的大小用风阻系数CD表示，风阻系数越小，说明它受空气阻力影响越小。

当然，除了用来测量风阻外，风洞还可以用来研究气流绕过车身时所产生的效应，如升力、下压力，还可以模拟不同的气候环境，如炎热二寒冷、下雨或下雪等情况。这样，工程师们便可以知道汽车在不同环境下的工作情况，特别是冷却水箱散热、制动器散热等问题。 新车在造型设计阶段，必须将汽车制成风洞试验模型进行风洞试验，以便改进汽车的形状，提高空气动力性能。+按照尺寸的大小，风洞可分为供缩小比例模型试验的风洞和供整车试验的大型风洞，按照气流流动的形式，风洞又可分为直流式和回流式两种。

用道路试验的办法，不可能同时测得空气作用力的6个分力，因而风洞试验就成为研究汽车空气动力性能的最有效的手段，声学工程师利用风洞来测量车辆在空气中移动时产生的声音。测试结果帮助他们验证预测，改进设计，最终制造出更安静的车辆、飞机等，为乘客提供更好的体验。

汽车风洞测试是怎样进行的？

风洞组成

风洞洞体由动力段、扩散段、收缩段、低速试验段、高速试验段、拐角导流片、稳定段、蜂窝器等部分组成。风洞动力系统由大功率直流电机驱动，风扇系统由玻璃钢桨叶组成。

第一，收缩段

收缩段位于试验段的前面，随着其横截面积的不断缩小，气流从入口被逐渐加速到试验段所需要的流动参数值。收缩段的一个重要特性参数是收缩比，通常用K表示：

K=收缩段进口面积／收缩段出口面积

收缩段的形状和收缩比对流场的品质和风洞消耗功率有很大的关系。希望所选择的收缩段形状能在出口处得到一种速度分布均匀和平行于风洞轴线的气流，从而保证试验段中的气流速度均匀而平直。收缩比大的风洞所消耗的能量大，但可得到紊流度较低的气流，一般汽车风洞的收缩比建议为K=2-4。

第二，试验段

收缩段位于试验段的前面，随着其横截面积的不断缩小，气流从入口被逐渐加速到试验段所需要的流动参数值。收缩段的一个重要特性参数是收缩比，通常用K表示：

K=收缩段进口面积／收缩段出口面积

收缩段的形状和收缩比对流场的品质和风洞消耗功率有很大的关系。希望所选择的收缩段形状能在出口处得到一种速度分布均匀和平行于风洞轴线的气流，从而保证试验段中的气流速度均匀而平直。收缩比大的风洞所消耗的能量大，但可得到紊流度较低的气流，一般汽车风洞的收缩比建议为K=2-4。

第三，扩散段

扩散段的作用是通过风道横截面积的增加，降低风洞中气流的速度，从而降低能量损失。它一般位于试验段的后面。扩散段管道的横截面积通常采取逐渐增大的方法，从而将试验段出口处的动能最有效的转变成压力能。另外，扩散段应有适当的长度，其扩散角一般不超过50～60。

第四，动力段

动力段一般包括电机、风扇、整流罩、等流计、止旋片。它的作用是不断为风洞中的气流补充量，以保证气流以一定的速度恒稳地在风洞中流动。调节风洞中风速的方法通常有两种：一是加大电机的功率；二是调节风扇的浆叶角度。装在风扇前的导流片和装在风扇后的止旋片都是用于消除风扇所造成的旋流，从而改善气流的状态，提高流场品质。

第五，稳定段

动力段一般包括电机、风扇、整流罩、等流计、止旋片。它的作用是不断为风洞中的气流补充量，以保证气流以一定的速度恒稳地在风洞中流动。调节风洞中风速的方法通常有两种：一是加大电机的功率；二是调节风扇的浆叶角度。装在风扇前的导流片和装在风扇后的止旋片都是用于消除风扇所造成的旋流，从而改善气流的状态，提高流场品质。