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什么是风洞试验?风洞试验:模拟风向的实验室

来源:风洞试验 浏览:70次 时间:2022-11-04
       风洞试验一听就感觉特别高大上的词语,其实说的明白一些就是模拟风向的一个实验室,在这里可以获取一些数据,作为研发各种飞行器乃至汽车的参考!

        风洞是什么

        风洞(wind tunnel),即风洞实验室,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实验设备。

       在当今的科学研究和工程实践中,风洞是开展物体空气动力试验、进行理论验证及和产品设计研发必备的最有效的设备之一。

       20世纪初莱特兄弟测试自己的飞机时,最早开始把风洞作为实验设备,用它来检测飞机设计方案是否合理。因为有了风洞,莱特兄弟在地面就能淘汰掉许多不合理的设计,遴选出最安全可靠的理想方案。也正因为如此,他们不需要每次都亲自驾驶飞机升空来冒险检测这些方案的合理性,减少了许多风险。

       一百多年后的今天,风洞仍然是测试飞行器总体方案最为基本的测试手段。今天,科研人员会在飞行器表面设置许多压力传感器,通过采集大量数据来得出飞行器表面空气流动的流场特征,人们也可以用光学手段直接让空气流场可视化,更形象地展现飞行器与空气的相互关系。

  风洞实验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。

  风洞实验既然是一种模拟实验,不可能完全准确。概括地说,风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。与此同时,相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。

  1.边界效应或边界干扰

  真实飞行时,静止大气是无边界的。而在风洞中,气流是有边界的,边界的存在限制了边界

  附近的流线弯曲,使风洞流场有别于真实飞行的流场。其影响统称为边界效应或边界干扰。克服的方法是尽量把风洞试验段做得大一些(风洞总尺寸也相应增大),并限制或缩小模型尺度,减小边界干扰的影响。但这将导致风洞造价和驱动功率的大幅度增加,而模型尺度太小会使雷诺数变小。近年来发展起一种称为"自修正风洞"的技术。风洞试验段壁面做成弹性和可调的。试验过程中,利用计算机,粗略而快速地计算相当于壁面处流线应有的真实形状,使试验段壁面与之逼近,从而基本上消除边界干扰。

  2.支架干扰

  风洞实验中,需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在,产生对模型流场的干扰,称为支架干扰。虽然可以通过试验方法修正支架的影响,但很难修正干净。近来,正发展起一种称为"磁悬模型"的技术。在试验段内产生一可控的磁场,通过磁力使模型悬浮在气流中。

  3.相似准则不能满足的影响

  风洞实验的理论基础是相似原理。相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则,或两个流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。最常见的主要相似准则不满足是亚跨声速风洞的雷诺数不够。以波音737飞机为例,它在巡航高度(9000m)上,以巡航速度(927km/h)飞行,雷诺数为2.4×107,而在3米亚声速风洞中以风速100m/s试验,雷诺数仅约为1.4×106,两者相距甚远。提高风洞雷诺数的方法主要有:

  (1)增大模型和风洞的尺度,其代价同样是风洞造价和风洞驱动功率都将大幅度增加。如上文所说俄国的全尺寸风洞。

  (2)增大空气密度或压力。已出现很多压力型高雷诺数风洞,工作压力在几个至十几个大气压范围。我国也正在研制这种高雷诺数风洞。

  (3)降低气体温度。如以90K(-1830C)的氮气为工作介质,在尺度和速度相同时,雷诺数是常温空气的9倍多。世界上已经建成好几个低温型高雷诺数风洞。我国也研制了低温风洞,但尺度还比较小。

       风洞实验尽管有局限性,但有如下四个优点:

      ①能比较准确地控制实验条件,如气流的速度、压力、温度等;

      ②实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便;

      ③实验项目和内容多种多样,实验结果的精确度较高;

      ④实验比较安全,而且效率高、成本低。因此,风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面,以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中,都有广泛应用。

      中国风洞试验技术怎么样?

  中国空气动力研究与发展中心是我国风洞事业的顶梁柱,我国几乎所有飞机、导弹、飞船等航空航天飞行器都在中心进行过空气动力试验研究任务,中心在几乎所有涉及空气动力学的国家重大研究计划和工程中发挥了至关重要的作用。

  创新,是这支团队的灵魂和生命。多年来,他们坚持以创新驱动发展,推动实验研究能力不断提升,吹响了中国空气动力事业竞逐世界一流的冲锋号。

  迎难而上 夯实根基

  空气动力技术是发展先进航空航天飞行器的重要支撑,是国家间较量的重磅砝码。在复杂的国际环境下,过去许多年里,西方国家对我国严密封锁,由于没有风洞设备进行试验,我国刚刚起步的航空航天飞行器研制工作不得不放慢速度。

  上世纪60年代,为打破西方封锁遏制,自主发展我国“两弹一星”和航空航天事业,老一辈国家领导人和科学家们高瞻远瞩、审时度势,作出了整合力量、集中建设我国国家级空气动力研究机构的战略决策。

  喷管是风洞产生均匀高速气流的重要部件,被形象地称为风洞的“心脏”,是风洞设计中的关键技术难点。我国原有风洞采用的是落后的固块喷管,效率非常低下。“不创新就要落后。”设计师刘政崇敢于做第一个吃螃蟹的人,“要想发展大型跨超声速风洞,先要从攻破关键核心技术开始”!


  为了阅读英文资料,熟悉俄语的刘政崇从ABC起步,恶补英文知识;为解决柔壁喷管的技术和安装难题,课题组成员争分夺秒,夜以继日。在狭小的洞腔内试验,他们一干就是七八个小时,因为腰部过于劳累,常常要在风洞外躺很长时间才能站起来。刘政崇的小女儿出生时,他还在绘图板前挥汗如雨。
什么是风洞试验?风洞试验的基本原理解释

  十年磨一剑,他们终于研制出我国第一座柔壁喷管,于1982年底安装到1.2米跨超声速风洞中。看着两块巨大柔板协调地移动,在场的科技人员无不喜极而泣。

  冰花,晶莹剔透、纯洁美丽,却是飞行器的潜在杀手。据不完全统计,全世界因结冰导致的飞行事故上千起。为破解这一难题,欧美航空强国陆续建设了多座结冰风洞,开展相关试验研究工作。

  因为没有自己的结冰风洞,我国飞行器研制工作被迫进行调整,甚至不得不冒险在自然结冰气象条件下试飞……

  “只有把核心技术掌握在自己手中,才能真正掌握发展的主动权。”从上世纪90年代开始,建设大型结冰风洞的呼声越来越高。面对国外技术封锁,国内缺乏技术储备的局面,气动人针对我国航空工业对结冰风洞的迫切需求,主动进行结冰风洞的前期研究,开始了新的艰难探索。

  年逾七旬的刘政崇带领设计团队又一次站在新的起点,摸着石头过河,历经1000多个日日夜夜,攻克了制冷系统、喷雾系统和高度模拟系统等多个关键技术难题,扫清了结冰风洞建设的技术障碍。

  梅花香自苦寒来。2013年10月,均匀的水雾从上千个喷嘴中喷涌而出,温度曲线不断下降,从20℃到0℃,再到零下20℃、零下30℃……试验模型上的冰凌从无到有,慢慢变白、变厚时,试验大厅里掌声如潮水般响起,我国首座多功能结冰风洞首次验证性试验取得圆满成功。参试科研人员望着“中国风”吹出的“中国冰”,似乎闻到了一股浸润苦寒的幽幽暗香,再也抑制不住激动,热泪盈眶。

  设备是基础,技术是关键。依托先进的试验设备,中心科研人员自主探索出尾旋、颤振、热防护等一大批配套完善的先进试验技术,让中国风洞的综合试验能力跻身世界先进行列。

  自主创新 勇攀高峰

  科研是没有硝烟的战场,惟创新者进、惟创新者强、惟创新者胜。多年来,中心科研人员在一个个陌生领域拓荒前行,血液里早已注入勇于创新、敢于创新的细胞和基因。

  尾旋,是飞机的“死亡陷阱”,飞机一旦进入尾旋不能及时改出,就难以避免机毁人亡的结局。中心科研人员主动作为,依靠配套的尾旋试验技术和飞行仿真分析方法,开展大攻角风洞试验,最终掌握了飞机失速、尾旋特性及改出方法,并提出了改进飞机设计和操纵的建议。

  载人航天工程是我国空间科学技术领域的重大战略工程。发展载人航天,气动力、热和防热问题是必须首先攻克的关键技术难题。以返回舱为例,在返回地球穿越大气层过程中速度最高达到二十几倍声速,剧烈的压缩和摩擦最高可能产生数千摄氏度的高温气流,解决飞船防热问题,是整个载人航天工程的重要课题。

  上世纪80年代末,中心科研人员就瞄准这座航天领域的高峰,全方位投入关键技术预研攻关,完成了工程研制各阶段的试验研究任务几百项,为我国载人航天工程提供了大量准确可靠的气动试验数据,解决了一系列关键技术难题。
什么是风洞试验?风洞试验的基本原理解释

  “科研创新绝不能等待观望,必须只争朝夕。”中心科研人员创新的脚步一刻不停,把目光投向了我国航天领域又一前所未有的新挑战——探月三期工程。他们开展了返回器再入气动问题研究、外形优化设计、气动热环境预测等数十项技术攻关,解决了返回器气动布局和热防护系统设计等关键技术难题。

  2014年11月,中国探月工程三期再入返回器安全着陆在预定着陆点,任务取得圆满成功。伴随着中国人探索太空的脚步越走越远,气动人创新开拓的勇敢担当,也一同荣耀地写进了浩瀚天宇。

  人才引领 团结协作

  实现大发展、大作为,根本在人才。一流的创新,要有一流的创新人才。那些关系型号研制成败的气动关键问题,之所以能够迎刃而解,得益于这里培养集聚了国内规模最大、能力最强的国家级空气动力人才方阵。

  近年来,他们扎实做好团结、引领、服务工作,真诚关心、爱护、成就人才,在领军人才、科技团队、青年英才培养上持续用力,制定出台高层次科技创新人才培养实施办法,不断加快人才国际化培养步伐,推动人才培养与世界一流接轨,一大批勇立潮头的攻关团队和科技英才脱颖而出。中心60%新增科研课题由35岁以下青年骨干担任负责人,成为推动国家空气动力事业发展的中坚力量。

  青年科技专家易贤潜心空气动力学与飞行器结冰的交叉学科研究十余年,在国内首次提出飞行器结冰的数值仿真方法和试验理论,在实践中得到广泛应用。

  青年科技专家杨党国在高速飞行器气动噪声控制研究领域颇有建树,经过潜心研究,提出了一种振动模态预测方法,发展了工程实用的飞行器部件气动噪声预测技术,34岁就当上了高速飞行器气动噪声研究团队主要负责人。

  余永生博士参与完成多座大型风洞设计任务,37岁就被任命为大型低速风洞总设计师,迅速成长为我国风洞设计团队的后起之秀。

  女博士胡华雨致力于强场物理研究和气动-电磁问题理论与试验研究,所开展的国家自然科学基金研究项目引起国际同行关注。

  目前,中心拥有10位“973”技术首席、17位“863”专家,108人享受政府特殊津贴,19人次入选国家创新人才工程,还有“气动热试验功勋研究室”“科技创新模范”“全国杰出专业技术人才先进集体”等一大批科技创新典范,形成了院士领衔、专家众多、英才辈出的生动局面。

       所以说,风洞体现了一个国家综合国力的强弱,反映了一个国家科技和工业发展及国民经济的现状,代表了一个国家空气动力学的试验水平,往往被作为国家的重要战略资源。

      我国早已迈入了风洞强国之列,四川绵阳中国空气动力研究与发展中心拥有包括低速、高速和高超声速以及多声速、跨声速、激波等全球门类最为齐全的风洞群就是明证。

      我国技术先进的风洞,有力地支撑了基建、造船、航空、航天、国防军事等领域的发展和壮大。近年来,为我国“吹出”了多种最新战机和先进导弹。
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