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风洞实验是中国的一个科技名词。

语言一发即逝,不留痕迹。当人类意识到需要把说出的话记下来时,就发明了文字[1]。在世界范围内,曾经独立形成的古老文字除我们的汉字外,还有埃及的圣书字、两河流域的楔形文字、古印度的印章文字以及中美洲的玛雅文[2]。后来,这些古老文字的命运各不相同,或因某种历史原因而消亡,如玛雅文;或因文字的根本变革而遭废弃,如楔形文、圣书字,只汉字沿用至今,而且古今传承的脉络清晰可见,成了中华民族文化的良好载体。

名词解释

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。

原理

风洞实验的理论依据是运动相对性原理和流动相似性原理。根据相对性原理,飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力,与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来,两者的作用是一样的。但飞机迎风面积比较大,如机翼翼展小的几米、十几米,大的几十米(波音747是60米),使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来,其动力消耗将是惊人的。根据相似性原理,可以将飞机做成几何相似的小尺度模型,只要保持某些相似参数一致,试验的气流速度在一定范围内也可以低于飞行速度,并可以根据试验结果推算出真实飞行时作用于飞机的空气动力。

优点

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。

要求

风洞实验的理论依据是流动相似原理。由于风洞尺寸、结构、材料、模型、实验气体等方面的限制,风洞实验要作到与真实条件完全相似是不可能的。通常的风洞实验,只是一种部分相似的模拟实验。因此,在实验前应根据实际内容确定模拟参数和实验方案,并选用合适的风洞和模型。模型的设计和制造是风洞实验的一个关键。模型应满足如下要求:形状同实物几何相似或符合所研究问题的需要(如内部流动的模拟等);大小能保证在模型周围获得所需的气流条件;表面状态(如光洁或粗糙程度、温度、人工边界层过渡措施等)与所研究的问题相适应;有足够的强度和刚度,支撑模型的方式对实验结果的影响可忽略或可作修正;能满足使用测试仪器的要求;便于组装和拆卸。此外,某些实验还对刚度、质量分布有特殊要求。模型的材料在低速风洞中一般是高强度木材或增强塑料,在高速和高超声速风洞中常用碳钢、合金钢或高强度铝合金。有些实验根据需要还采用其他材料。模型通常都是缩尺的,也有全尺寸的,有时还可以按一定要求局部放大。对于几何对称的实物,还可以利用其对称性做成模拟半个实物的模型。

对风洞实验结果通常须进行处理和分析。其主要内容是:将测量值换算成所需的空气动力学特性数据;分析综合各个实验环节可能引入的误差;对实验结果作出物理解释和数学说明;根据模型流动和实物流动的差别,修正实验结果。模型流动和实物流动的差别主要有:由风洞和模型造成的模拟失真,如雷诺数的差别、进气和喷流的模拟失真等;其次是风洞洞壁和模型支架的干扰影响;还有风洞流场的非均匀性、湍流度和噪声影响等。其中有些可以通过计算或者实验进行修正,更重要的是要注意积累使用风洞实验结果的经验。

分类

流体力学方面的风洞实验的主要分类有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。测力和测压实验是测定作用于模型或模型部件(如飞行器模型中的一个机翼等)的气动力及表面压强分布,多用于为飞行器设计提供气动特性数据。传热实验主要用于研究超声速或高超声速飞行器上的气动加热现象。动态模型实验包括颤振、抖振和动稳定性实验等 ,要求模型除满足几何相似外还能模拟实物的结构刚度、质量分布和变形。流态观测实验广泛用于研究流动的基本现象和机理。高速计算机在在以上风洞实验中的应用极大地提高了实验的自动化、高效率和高精度的水平。

测力和测压实验

测力实验是利用风洞天平(见风洞测试仪器)测量作用在模型上的空气动力和力矩的风洞实验。它是风洞实验中最重要的实验项目之一。测力实验主要有:全模型和部件的纵向和横向测力实验、喷流实验、静气动弹性实验、外挂物测力和投放轨迹实验等。

参考文献