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风洞与空气动力学剪不断的关系

2018-09-24 11:53:59·  来源：工程事  
　
在地球上，一物体在空气或者其他流体中作相对运动时，当中所产生的风阻系数、Cd值是你我他尽知的字眼，也可以高逼格地说上一句空气动力学。那，这跟风洞测试有什
在地球上，一物体在空气或者其他流体中作相对运动时，当中所产生的“风阻系数、Cd值”是你我他尽知的字眼，也可以高逼格地说上一句“空气动力学”。
 
那，这跟风洞测试有什么关系？关系可是杠杠滴，当物体通过风洞测试后将会得出一系列的实验数据（光是受力特性就有：升力、阻力、横向力等等，以及气体流动的变化情况等等），让那高逼格的空气动力学得以实现。
 
世界上公认最早的风洞出现在19世纪末（1869～1871年），由英国人韦纳姆（E.Mariotte）研究发明，后来飞机发明者美国莱特兄弟也在1900年、1901年前后均对他们的飞机进行风洞测试。可以说当年的风洞测试和空气动力研究大多数是与航空领域有关。
图：飞机发明者美国莱特兄弟对他们的飞机进行风洞测试
图：法国人Gustave Eiffel就曾在1909年建造出第一个直流开放式风洞
随后就是在第二次世界大战（1939～1945年）建有大型风洞，而在美苏冷战时期，这类型的大型风洞测试更具有重要战略性意义，当中出品不乏有超音速战机和作战导弹。在此过后的发展中风洞测试就自成一体，不再是单单地为飞机、航空领域服务。1960年第一个全尺寸实车专用风洞测试由英国MIRA建造并投入使用，除了汽车之外，现今的风洞测试还关系到高楼建筑、运动员装备、航船等等。
图：北美的XP-51B战机进行去掉外翼时的风洞测试
图：在0.04马赫（约为50km/h）至0.58马赫（710km/h）（图中左至右是0.04马赫、0.4马赫、0.58马赫的测试情况）的风速区间段对人体进行风洞测试，当时的飞行员提供测试数据。
图：风洞测试就不再是局限于飞机，还将会涉及太空设备、汽车、高楼大厦建筑。
图：1960年第一个全尺寸实车专用风洞测试是由英国MIRA建造设计，图中大家所见到的白色气流是由于加入有烟雾，让高速气流可视化。
近年来，像是举行的2016里约奥运会，空气动力学也大派用场。来自捷克的斯柯达车厂，运用汽车空气动力学的技术协助捷克奥运自行车选手Pavel Kelemen夺金。不同于上述的风洞测试，运用的是150台高解析度相机来建立骑乘时的3D模型，再运用CFD电脑模拟不同骑姿的风阻，这样一来即可找出最小风阻的骑姿。不仅仅是斯柯达，像是BMW也以自动驾驶的侦测技术协助美国泳队在本届奥运夺冠，此前Ferrari也曾协助过英国和意大利运动代表队。
而我国也早在1937年清华大学（当年开设有航空工程课程）就建造有国内第一个风洞，1947～1948年期间继而建造有铁壳风洞，气流速度达40～50m/s。1949年之后，哈尔滨军事工程学院、北京大学等都相继建造了低速风洞。为了加速发展中国的航空航天事业，根据力学家钱学森、郭永怀的构想，国家于1965年在四川组建了高速空气动力研究机构，随后又相继迅速组建了超高速和低速空气动力研究机构。而在1968年新中国成立后，位于川西山区的“中国空气动力发展与研究中心”建成，并称装备有亚洲最大的风洞群，如：歼-10战机、神舟系列航空工程、和谐号高速列车等均在此进行风洞测试。四十多年来，中国空气动力研究与发展中心建造了数十座高质量的风洞，其规模堪称亚洲之最，为我国航空航天事业的发展做出了突出的贡献。
图：国内的风洞测试除了涉及军事项目外，还涉及有高速交通工具等民生工程。
图：C919中型客机是国内首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机，图上所见的是研发期间对比例模型进行声学风洞测试，以检测飞行过程中的风噪。
图：目前国内大大小小的风洞测试实验室众多，大多数置身于国内的大学校园。
至今，风洞技术已有100多年历史，当中的结构组成也大致相似。目前风洞的分类有多种，假若按照流场气流速度大小区分共有两大类：低速风洞（气体流动速度为0.4马赫，约为480km/h）、高速风洞（气体流动速度可达0.4～>5马赫，1马赫即1倍音速），期间高速风洞又包含：超音速风洞（Supersonic wind tunnel）、高超声速风洞（Hypersonic wind tunnel）、亚音速风洞（Subsonic wind tunnel）和跨音速风洞（Transonic wind tunnel）。而像是汽车风洞测试之类采用的是低速风洞，而像是飞机、导弹、航天工程等采用的是高速风洞测试。 
其中早期汽车用的风洞大多是从航空风洞改造过来，而当中的许多空气动力理论和概念也是从航空力学延续过来的，所以目前分有三大类风洞结构类型：直流式、回流式和立式风洞。
    直流式风洞：
图：直流闭式风洞，气流通过试验段后直接排到大气中，虽结构简单但不易保持恒定的空气温度和湿度，以及气流稳定性差、噪声大。
   图：宾尼法利纳的直流开式风洞，半开式试验段为保持有稳定气流。
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