风洞试验

风洞实验科技名词定义中文名称：风洞实验英文名称：wind tunnel testing定义：在风洞中进行模拟飞行器在大气中运动时的空气动力学现象。

应用学科：航空科技（一级学科）；飞行原理（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布流体力学方面的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；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。

目录编辑本段原理风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。

根据相对性原理，飞机在静止风洞实验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，气流速度在一定范围内也可以低于飞行速度，其试验结果可以推算出其实飞行时作用于飞机的空气动力。

[1]编辑本段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风洞实验件，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。

编辑本段要求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：形状同实风洞实验模拟技术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。

编辑本段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。

计算机在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。

测力实验利用风洞天平（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。

全模型和部件的纵向和横向测力实验测量沿模型上三个互相垂直轴的力和绕三个轴的力矩的实验。

其中无测滑的实验为纵向实验，有测滑的为横向实验。

为研究各部件的贡献和干扰,除采用全模和部件组拆实验外,更精确的方法是在模型内安装多台天平，同时测量全机和部件的气动力。

对于有对称面的飞行器，在绕流对称的条件下，可以洞壁或反射平板为对称面，取模型的一半做实验。

这种实验称为半模实验，其优点是模型可做得大些，雷诺数可以高些，无尾支杆干扰，制造方便和经济。

缺点是存在洞壁边界层和缝隙的影响以及仅能进行纵向实验。

喷流实验测量飞行器发动机喷流对飞行器机体气动特性影响的实验。

在风洞中要精确模拟喷流是很困难的。

除模拟自由流马赫数∞、比热比γ和喷管几何形状外,还要模拟出口与自由流静压比pj/p∞、出口马赫数j、喷流比热比γj、普适气体常数与热力学温度乘积比(RT)j/(RT)∞等相似参数。

通常只能有选择地模拟其中一些项目,例如，一般当喷口处于飞行器底部时,可用冷空气模拟喷流。

当喷口处于飞行器底部上游时，还应模拟γj 和(RT)j/(RT)∞。

火箭发动机喷流模拟以用缩尺火箭发动机为宜。

喷流实验的关键在于研制高精度天平、小干扰的支架和不传力的输气密封系统。

静气动弹性实验测量模型刚度对气动特性影响的实验。

通常风洞实验中的模型都是用强度和刚度较大的金属制作的，而真实飞行器的刚度比模型低得多。

因此，需制造一种由金属作骨架、用轻木或塑料作填料、能模拟飞行器各部件弯曲和扭转刚度的弹性模型，把它放在风洞中作模拟飞行条件的高动压实验，测量对模型刚度的影响，修正刚体模型实验的数据。

外挂物测力和投放轨迹实验测量飞行器外挂油箱、炸弹或其他物体的气动力和外挂物投放轨迹的实验。

由于风洞尺寸的限制，风洞中外挂物模型很小，测量很困难。

早期的实验是设计专门的外挂物天平。

天平可以放在外挂物模型或者它的挂架内直接测量。

外挂物投放轨迹是用高速摄影或多次曝光技术对自由投放的模型进行照相记录。

图3是在低速风洞中用多次曝光法拍摄的外挂物投放轨迹照片。

这种方法简便、直观,但要模拟弗劳德数,所以模型设计和调整很困难。

20世纪60年代以来，发展出一种双天平测量系统，母机模型和外挂物分别支撑在各自的天平上。

实验时首先测量外挂物和母机的气动力，输入计算机，由运动方程和给定的时间间隔算出外挂物在气动力作用下运动的下一个位置，然后操纵外挂物运动到计算位置再进行测量。

一直到所要求的轨迹测出为止。

这时，母机和外挂物所有瞬间的气动力也同时测出。

这种方法不要求模型动力相似，模型可多次使用。

同时，这套装置也可以用于其他双体实验或大攻角失速后运动轨迹测量等。

缺点是精度要求较高，制造费用大。

除上述实验外，还有一些专门的测力实验，如铰链力矩测量、摩阻测量、进气道阻力测量、马格纳斯力和力矩（见马格纳斯效应）测量等，这些都要有专门设计的天平。

测压实验风洞洞壁、模型表面上各点和气流中各点的当地压力参数测量。

对应于流场的每一点，有一个总压p0和一个静压p∞。

总压是假想气流等熵绝热地滞止，最后流速降为零时所能达到的压力。

静压是气流内部相互作用的流层之间的法向力。

在不可压缩流体中，总压和静压之差，即该流动点上由于气流动力效应引起的压力增高(p0－p∞),称为动压或速压q∞。

气流压力的测量，是空气动力实验中最基本的测量项目之一。

1738年，丹尼尔第一·伯努利就确立了无粘性不可压缩流体中压力与速度之间的关系，后称为伯努利定理。

这个定理后来被推广到可压缩流体。

因为测量气流压力比较容易，故风洞实验中常借助测量气流的压力来推求速度。

物体表面某一点(如第i点)的压力pi,常以无量纲形式的压力系数Cρii表示。

如果p∞和q∞分别代表远前方未扰动气流的静压和动压,则Cρii是该点的剩余压力(pi－q∞)与动压q∞之比。

风洞中最常见的测压实验是模型表面压力分布测量。

模型表面上直接开有测压孔。

通过实验，可以了解局部流动特性并积分出总的气动特性。

常见的有飞行器测压、汽车测压和建筑物测压等。

进气道测压实验是通过进气道表面测压孔和管道内排管的压力测量，以得到进气道的流量- 总压恢复特性。

风洞流场校测中速度场、压力场、方向场的测量也是通过测压进行的。

此外，边界层压力测量也是经常进行的实验项目。

有时还通过二元物体尾流压力测量来推算物体的阻力。

所以风洞测压实验在工程设计和研究工作中得到广泛应用。

风洞中气流总压、静压测量用总压、静压探测管和压力计或压力传感器。

图4和图5示出一般总压管和静压管的结构。

总压或静压排管可同时获得许多测压数据。

但管与管之间的相互影响要小。

模型表面压力测量孔要求垂直当地物面，孔缘处平滑不得有毛刺。

静压探测管上静压孔位置的选择特别重要，应使它受静压管头部和支柄的综合影响最小。

测压设备中压力传输的管路不能太长，否则管内压力达到平衡要用很长时间。

传热实验在气流和模型作相对高速运动的条件下，测定气流沿模型绕流所引起的对模型表面气动加热的一种实验。

当飞行器飞行马赫数大于3时,必须考虑气动加热对飞行器外形、表面粗糙度和结构的影响。

风洞传热实验的目的是为飞行器防热设计提供可靠的热环境数据，实验项目包括：光滑和粗糙表面的热流实验，边界层过渡、质量注入对热流影响的实验，台阶、缝隙、激波和边界层等分离流热流实验等。

在风洞传热实验中一般略去热辐射，只考虑对流加热，要模拟的是马赫数、雷诺数、壁温比、相对粗糙度（粗糙度与边界层位移厚度之比）、质量注入率、自由湍流度等参数。

在一般高超声速风洞、脉冲风洞、激波风洞、电弧加热器、低密度风洞和弹道靶中都能进行传热实验，但都不能全面模拟上述参数。

因此，必须对不同设备的实验数据进行综合分析。

风洞传热实验的方法有两类：一类是确定热流密度分布的热测绘技术，如在模型表面涂以相变材料，通过记录等温线随时间的扩展过程进行热测绘；又如在模型表面涂以漆和粉末磷光材料的混合物，通过记录磷光体的亮度分布转求热流密度分布（后一方法响应快，灵敏度高）。

热测绘技术可以提供丰富的气动加热资料，但精度较低。

另一类是热测量技术，利用量热计进行分散点的热测量，一般是在一维热传导的假定下通过测量温度随时间的变化率测量热流密度。

在一般高超声速风洞中常用的量热计有两种：①薄壁量热计，使用它时要求模型的壁做得很薄，以使模型在受热时，内外表面的温度接近相等,在内表面安装温差电偶,用以测量温度随时间的变化来推算热流密度。

②加登计，是R.加登在1953年提出的，它是基于受热元件的中心和边缘之间的温度梯度和热流密度有一定的关系进行测量的。

薄壁量热计和加登计由于达到温度平衡需要较长的时间，不能用于脉冲风洞。

在脉冲风洞中，可采用塞形量热计和薄膜电阻温度计进行测量。

塞形量热计是利用量热元件吸收传入其中的热量，然后测量元件的平均温度变化率再计算表面热流密度。