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“风洞”到底是什么?

风洞,是能人工产生和控制气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状试验设备,它是进行空气动力试验最常用、最有效的工具。

那么,“风洞”到底是干什么的?

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0.6米×0.6米连续式跨声速风洞。

一、风洞与风洞试验

风洞是利用人工产生的气流来模拟飞行器飞行环境的一种管道状试验设备。

风洞试验,就是根据相对运动原理和相似理论,在风洞中测量飞行器缩比模型的空气动力特性,并研究相应的流动现象与流动机理。风洞试验要遵循几何相似、流动相似等一系列相似准则。马赫数、雷诺数是其中最重要的相似参数,直接影响风洞试验结果的准确性。

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5.5米x4米航空声学风洞开展C919全机模型气动噪声测量试验。

●马赫数(Ma)

马赫数=飞行速度/声速,用于表征飞行器的飞行速度,反映飞行器飞行时周围空气的压缩程度。

●雷诺数(Re)

雷诺数=惯性力/粘性力,用于表征飞行器飞行时受到的粘性力,反映气流对飞行器表面的粘性阻滞作用。

二、风洞名称中的尺寸及其意义

风洞名称中通常会使用尺寸,例如1.2米×1.2米跨超声速风洞中的“1.2米×1.2米”,指的是风洞试验段横截面尺寸为1.2米(宽)×1.2米(高)。

风洞试验段尺寸决定了试验模型的大小。一般风洞试验模型尺寸比真实飞行器尺寸小得多,当模型尺寸太小时,飞行器上的几何细节和小部件难以模拟。风洞越大,试验模型尺寸就越大,模型保真度就越高,试验数据就越可靠。但是风洞尺寸越大,建设难度越大、运行成本就越高,这就要求权衡模拟准确度、可行性与经济性,合理确定风洞尺寸。

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在2米×2米超声速风洞开展导弹标模试验。

为此,世界主要空气动力研究机构,都对风洞尺寸进行统一规划,按大、中、小尺寸配套,成体系地进行建设。其中,小型风洞主要用于基础研究和先进气动技术探索,多学科研究及CFD验证;中型风洞主要用于中小型飞行器选型、校核和定型试验,先进气动技术的验证;大型风洞主要用于大型飞行器的选型、校核和定型试验等。

三、风洞的分类

马赫数是风洞试验必须模拟的相似参数,风洞通常按照来流马赫数进行分类。

● 低速风洞(Ma<0.4):

主要用于开展飞机起飞/着陆,低速飞行器、建筑、车辆、桥梁等空气动力试验研究。

● 高速风洞(0.4≤Ma<5):

高速风洞又可细分为跨声速风洞(0.4≤Ma<1.4)和超声速风洞(1.4≤Ma<5),主要用于各种航空飞行器空气动力试验研究。

● 超高速风洞(Ma≥5):

主要用于开展各种航天飞行器空气动力试验研究。

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3米x2米结冰风洞开展飞机平尾部件结冰试验

风洞按照驱动方式还可分为连续式和暂冲式。

● 连续式风洞:

由风扇压缩机系统驱动气流在风洞回路中运动。优点是运行时间长,运行成本较低;缺点是技术较为复杂,建设成本较高。

● 暂冲式风洞:

由预先压缩的高中压气源驱动或真空罐抽吸形成流动。其优点是建设技术相对简单,建设成本低;缺点是:运行时间短,运行成本高。

此外,根据用途不同,风洞还可分为常规风洞和特种试验设备,典型的特种试验设备包括结冰风洞、声学风洞、电弧风洞、激波管、弹道靶等。

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0.3米低温引导风洞

四、空气动力学研究“ 三种手段 ” 及其相互关系

风洞试验、数值计算和模型飞行试验,是研究空气动力学的三大手段。

● 风洞试验:

根据相对运动原理和相似理论,在风洞中测量飞行器缩比模型的空气动力特性,并研究相应的流动现象与流动机理。

优点:能够真实反映流动物理过程,可获得较为真实的试验数据,可严格重复;

缺点:试验条件与真实飞行条件不完全一致,存在洞壁干扰、支架干扰、模型失真等误差源。

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2米×2米超声速风洞

● 数值计算:

求解流体动力学方程组(NS方程或其简化模型),获取飞行器绕流流场参数,分析流动现象与机理,并通过表面积分获取空气动力特性。

优点:成本低、效率高,可模拟极限条件;

缺点:存在物理模型、计算方法等误差源。

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