流體力學方面的風洞實驗指在風洞中安置飛行器或其他物體模型坏快，研究氣體流動及其與模型的相互作用铅檩，以了解實際飛行器或其他物體的空氣動力學特性的一種空氣動力實驗方法；而在昆蟲化學生態(tài)學方面則是在一個有流通空氣的矩形空間中莽鸿，觀察活體蟲子對氣味物質(zhì)的行為反應(yīng)的實驗昧旨。
中文名稱：風洞試驗
外文名稱：wind tunnel test
所屬學科：流體力學
主要研究：氣體流動及其與模型的相互作用
原理：運動的相對性
實驗分類
空氣動力學實驗分實物實驗和模型實驗兩大類 。實物實驗如飛機飛行實驗和導彈實彈發(fā)射實驗等祥得，不會發(fā)生模型和環(huán)境等模擬失真問題兔沃，一直是鑒定飛行器氣動性能和校準其他實驗結(jié)果的最終手段，這類實驗的費用昂貴级及，條件也難控制乒疏，而且不可能在產(chǎn)品研制的初始階段進行，故空氣動力學實驗一般多指模型實驗饮焦∨挛猓空氣動力學實驗按空氣（或其他氣體）與模型（或?qū)嵨铮┊a(chǎn)生相對運動的方式不同可分為3類：①空氣運動，模型不動县踢，如風洞實驗转绷。②空氣靜止，物體或模型運動硼啤，如飛行實驗议经、模型自由飛實驗（有動力或無動力飛行器模型在空氣中飛行而進行實驗）、火箭橇實驗（用火箭推進的在軌道上高速行駛的滑車攜帶模型進行實驗）谴返、旋臂實驗（旋臂機攜帶模型旋轉(zhuǎn)而進行實驗）等煞肾。③空氣和模型都運動，如風洞自由飛實驗（相對風洞氣流投射模型而進行實驗）亏镰、尾旋實驗（在尾旋風洞上升氣流中投入模型扯旷，并使其進入尾旋狀態(tài)而進行實驗）等。進行模型實驗時索抓，應(yīng)保證模型流場與真實流場之間的相似钧忽，即除保證模型與實物幾何相似以外，還應(yīng)使兩個流場有關(guān)的相似準數(shù)逼肯，如雷諾數(shù)耸黑、馬赫數(shù)、普朗特數(shù)等對應(yīng)相等（見流體力學相似準數(shù)）篮幢。
實際上大刊，在一般模型實驗（如風洞實驗）條件下，很難保證這些相似準數(shù)全部相等三椿，只能根據(jù)具體情況使主要相似準數(shù)相等或達到自準范圍缺菌。例如涉及粘性或阻力的實驗應(yīng)使雷諾數(shù)相等葫辐；對于可壓縮流動的實驗，必須保證馬赫數(shù)相等耿战，等等。應(yīng)該滿足而未能滿足相似準數(shù)相等而導致的實驗誤差焊傅，有時也可通過數(shù)據(jù)修正予以消除，如雷諾數(shù)修正鸭栖。洞壁和模型支架對流場的干擾也應(yīng)修正∧筇猓空氣動力學實驗主要測量氣流參數(shù)带射，觀測流動現(xiàn)象和狀態(tài)同规，測定作用在模型上的氣動力等。實驗結(jié)果一般都整理成無量綱的相似準數(shù)窟社，以便從模型推廣到實物券勺。
實驗原理
風洞一般稱之為風洞試驗。簡單地說灿里，就是依據(jù)運動的相對性原理关炼，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛嫒斯きh(huán)境中，人為制造氣流流過匣吊，以此模擬空中各種復雜的飛行狀態(tài)儒拂，獲取試驗數(shù)據(jù)。這是現(xiàn)代飛機色鸳、導彈社痛、火箭等研制定型和生產(chǎn)的“綠色通道”。簡單的說命雀，風洞就是在地面上人為地創(chuàng)造一個“天空”蒜哀。至于我們國家的風洞為什么會選擇建在大山深處，那是歷史原因造成的吏砂。
風洞試驗中撵儿，天平測量得到的模型氣動力在轉(zhuǎn)換到氣流坐標系上時會因為模型迎角測量的誤差引入模型氣動力系數(shù)誤差乘客，而此誤差在一些條件下可以占到總的氣動力系數(shù)誤差的25%。因此淀歇，準確的迎角測量技術(shù)是獲得高精度氣動特性試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)易核。風洞試驗數(shù)據(jù)精確度的先進指標要求模型的阻力系數(shù)誤差在馬赫數(shù)Ma位于0.4～0.9的范圍內(nèi)時不超過0.0001，這就要求模型迎角的測量誤差不能超過0.01°房匆。
發(fā)展歷史
空氣動力學是目前世界科學領(lǐng)域里最為活躍耸成、最具有發(fā)展?jié)摿Φ膶W科之一。世界各發(fā)達國家對空氣動力學的發(fā)展都給予了高度重視浴鸿，不惜花費巨額資金建設(shè)空氣動力試驗設(shè)施并開展研究工作井氢。
美國早在80年代中期出臺的震撼全球的超級跨世紀工程——“星球大戰(zhàn)”計劃中，就曾把作為基礎(chǔ)學科的空氣動力學放在非常突出的重要位置上岳链。的確花竞，如果不先在空氣動力學上獲得重大突破，這個將耗資1萬億美元的超級工程掸哑，很多關(guān)鍵技術(shù)將無法解決约急。緊接著在1985年發(fā)表的“美國航空航天2000年”中，也把空氣動力學列為需要解決的七個問題中的第一個苗分。而剩下的六個問題中還有四個與空氣動力學有關(guān)厌蔽。這使美國花費巨額投資研制了每秒20億次的超級計算機專門為空氣動力學研究服務(wù)。成功應(yīng)用在多項科研與型號試驗之中摔癣，大大提高了風洞試驗效率奴饮，降低了科研與風洞試驗成本，受到了各國航空航天領(lǐng)域科研人員的廣泛關(guān)注和深入研究择浊。
前蘇聯(lián)在“十月革命”勝利后的第二年戴卜，列寧就下令組建了國家空氣動力研究機構(gòu)——中央流體動力研究院，并任命“俄羅斯航空之父”茹可夫斯基擔任院長琢岩，這一決策為前蘇聯(lián)成為世界上另一個航天大國奠定了堅實的基礎(chǔ)投剥。二次大戰(zhàn)之前，斯大林曾下令建造了世界上第一座可用于進行整架飛機試驗的全尺寸風洞担孔。與美國相比江锨，前蘇聯(lián)在空氣動力學的整體水平上毫不遜色，甚至在許多方面都領(lǐng)先于美國攒磨，它在航空航天領(lǐng)域取得的一系列成就足以說明這一點泳桦。
英、法兩國在二次大戰(zhàn)前均為名列前茅的老牌航空先進國家娩缰，然而戰(zhàn)后他們突然發(fā)現(xiàn)自己比美灸撰、蘇等國落后了一截，于是兩國重振旗鼓、奮起直追浮毯。在戰(zhàn)后第二年完疫，法國政府便決定把因戰(zhàn)爭和被占領(lǐng)分散到全國各地的研究機構(gòu)組織到一起，組建了國家空氣動力研究機構(gòu)债蓝，并在阿爾卑斯山腹地開始創(chuàng)建莫當試驗中心壳鹤，堪稱世界一流的大功率空氣動力試驗風洞設(shè)備。曾經(jīng)發(fā)明了世界上第一座風洞的英國人更是不甘落后饰迹，除了政府加強對空氣動力學的領(lǐng)導規(guī)劃之外芳誓，充分利用大學進行基礎(chǔ)學科的研究。據(jù)有關(guān)資料透露啊鸭，在英國的46所大學里锹淌，至少有30個以上高水平的空氣動力研究試驗室。
日本在戰(zhàn)后受到限制的情況下赠制，航空工業(yè)曾有過長達8年的空白赂摆。但在此期間，其基礎(chǔ)研究——空氣動力學則進展神速钟些。僅60年代烟号，就先后仿制出11種飛機，自行設(shè)計8種飛機政恍。
不足之處
風洞實驗既然是一種模擬實驗汪拥，不可能完全準確。概括地說篙耗，風洞實驗固有的模擬不足主要有以下三個方面喷楣。與此同時，相應(yīng)也發(fā)展了許多克服這些不足或修正其影響的方法鹤树。
1.邊界效應(yīng)或邊界干擾
真實飛行時，靜止大氣是無邊界的逊朽。而在風洞中罕伯，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界附近的流線彎曲叽讳，使風洞流場有別于真實飛行的流場追他。其影響統(tǒng)稱為邊界效應(yīng)或邊界干擾〉涸椋克服的方法是盡量把風洞試驗段做得大一些(風洞總尺寸也相應(yīng)增大)邑狸，并限制或縮小模型尺度，減小邊界干擾的影響涤妒。但這將導致風洞造價和驅(qū)動功率的大幅度增加单雾，而模型尺度太小會使雷諾數(shù)變小。近年來發(fā)展起一種稱為"自修正風洞"的技術(shù)。風洞試驗段壁面做成彈性和可調(diào)的硅堆。試驗過程中屿储，利用計算機，粗略而快速地計算相當于壁面處流線應(yīng)有的真實形狀渐逃，使試驗段壁面與之逼近够掠，從而基本上消除邊界干擾。
2.支架干擾
風洞實驗中茄菊，需要用支架把模型支撐在氣流中疯潭。支架的存在，產(chǎn)生對模型流場的干擾面殖，稱為支架干擾竖哩。雖然可以通過試驗方法修正支架的影響，但很難修正干凈畜普。近來期丰，正發(fā)展起一種稱為"磁懸模型"的技術(shù)。在試驗段內(nèi)產(chǎn)生一可控的磁場吃挑，通過磁力使模型懸浮在氣流中钝荡。
3.相似準則不能滿足的影響
風洞試驗
風洞實驗的理論基礎(chǔ)是相似原理。相似原理要求風洞流場與真實飛行流場之間滿足所有的相似準則舶衬，或兩個流場對應(yīng)的所有相似準則數(shù)相等埠通。風洞試驗很難完全滿足。最常見的主要相似準則不滿足是亞跨聲速風洞的雷諾數(shù)不夠逛犹。以波音737飛機為例端辱，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飛行虽画，雷諾數(shù)為2.4×107渊啰，而在3米亞聲速風洞中以風速100m/s試驗，雷諾數(shù)僅約為1.4×106柿冲，兩者相距甚遠饱亮。提高風洞雷諾數(shù)的方法主要有:
(1)增大模型和風洞的尺度，其代價同樣是風洞造價和風洞驅(qū)動功率都將大幅度增加脖岛。如上文所說俄國的全尺寸風洞朵栖。
(2)增大空氣密度或壓力。已出現(xiàn)很多壓力型高雷諾數(shù)風洞柴梆，工作壓力在幾個至十幾個大氣壓范圍陨溅。我國也正在研制這種高雷諾數(shù)風洞。
(3)降低氣體溫度绍在。如以90K(-1830C)的氮氣為工作介質(zhì)门扇，在尺度和速度相同時雹有，雷諾數(shù)是常溫空氣的9倍多。世界上已經(jīng)建成好幾個低溫型高雷諾數(shù)風洞悯嗓。我國也研制了低溫風洞件舵，但尺度還比較小。
實驗優(yōu)點
風洞實驗盡管有局限性脯厨，但有如下四個優(yōu)點：①能比較準確地控制實驗條件铅祸，如氣流的速度、壓力合武、溫度等临梗；②實驗在室內(nèi)進行,受氣候條件和時間的影響小,模型和測試儀器的安裝、操作稼跳、使用比較方便盟庞；③實驗項目和內(nèi)容多種多樣，實驗結(jié)果的精確度較高汤善；④實驗比較安全什猖，而且效率高、成本低红淡。因此不狮，風洞實驗在空氣動力學的研究、各種飛行器的研制方面在旱，以及在工業(yè)空氣動力學和其他同氣流或風有關(guān)的領(lǐng)域中摇零，都有廣泛應(yīng)用。
其他應(yīng)用
昆蟲化學生態(tài)學的風洞實驗
近年來風洞技術(shù)已成為昆蟲性信息素研究中不可缺少的實驗手段桶蝎。它用于監(jiān)測粗提物和分離餾分的生物活性驻仅，判斷鑒定出來的性信息素組分是否完整。一般來說登渣，風洞實驗的結(jié)果是非常接近于田間情況的噪服；利用風洞實驗可以模擬昆蟲的田間飛翔能力，其中最重要的一項研究是測量昆蟲的飛行周期和飛行的持久性胜茧；利用風洞實驗還可以研究性信息素濃度對昆蟲飛行行為的影響芯咧。
觀察方法
風洞中流態(tài)觀察方法大致為分兩類：第一類是示蹤方法；第二類是光學方法竹揍。
示蹤方法 ：在流場中添加物質(zhì)，如有色液體邪铲、煙芬位、絲線和固體粒子等，通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形带到。只要添加物足夠小昧碉，而且比重和流動介質(zhì)接近，顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法被饿，特別適合于顯示定常流動四康。常用的有絲線法、煙流法狭握、油流法闪金、升華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種：
①絲線法 將絲線论颅、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型后的網(wǎng)格上,由絲線的運動(絲線轉(zhuǎn)動哎垦、抖動或倒轉(zhuǎn)) 可以判明氣流的方向和分離區(qū)的位置以及空間渦的位置、轉(zhuǎn)向等恃疯。圖6為一個模型實驗時機翼的絲線顯示氣體流動圖÷┥瑁現(xiàn)在又發(fā)展到用比絲線更細的尼龍絲，有時細到連肉眼都看不清今妄。將尼龍絲用熒光染料處理后再粘在模型上郑口。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，并且可以拍攝下來盾鳞。粘絲很細犬性，對模型沒有影響，可同時進行測力實驗雁仲。此法稱為熒光絲線法仔夺。
②煙流法 用風洞中特制煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法攒砖。世界各國建設(shè)了不少煙風洞缸兔。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產(chǎn)生的煙引入風洞；也有將涂有油的不銹鋼或鎢絲放在模型前吹艇，實驗時通電將鎢絲加熱,產(chǎn)生細密的煙霧惰蜜。為了保證煙束清晰不散,必須采用大收縮比的收縮段、穩(wěn)定段或風洞入口加裝抗湍流網(wǎng)和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施受神，保持煙流為層流狀態(tài)抛猖。煙流法除用于觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結(jié)構(gòu)鼻听。圖7為模型煙流實驗中拍攝的照片财著。
③油流法 在粘性的油中摻進適量指示劑(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊狀液態(tài)物撑碴，均勻地涂在模型表面撑教。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結(jié)構(gòu)，顯示出模型表面的流動圖形醉拓。如果油中加入少量熒光染料伟姐，則在紫外線照射下可以顯現(xiàn)出熒光條紋圖收苏，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向愤兵、邊界層過渡點位置鹿霸、氣流分離區(qū)、激波與邊界層相互干擾等流動現(xiàn)象秆乳。圖8為模型油流實驗照片懦鼠。
④升華法 將揮發(fā)性的液體或容易升華的固體噴涂在模型表面，依據(jù)涂料從模型上散失的速度與邊界層狀態(tài)有關(guān)的原理（在湍流邊界層內(nèi)由于氣流的不規(guī)則運動導致該處蒸發(fā)量或升華量大于層流處）來區(qū)分邊界層狀態(tài)矫夷，確定過渡點的位置葛闷。
⑤蒸汽屏法 在風洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面双藕，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經(jīng)過光面時扣泊，由于離心力的作用叶堆，旋渦內(nèi)外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。
⑥液晶顯示法 利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波预麸。液晶是一種油狀有機物,溫度較低時椅棺，無色透明,隨著溫度上升，便以紅、黃赡茸、綠、藍叭喜、無色的順序改變，能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前后的溫差启绰。它適用于高速和超聲速流態(tài)觀察昂儒。液晶的涂法與漆類似，先稀釋委可，再噴涂渊跋。液晶對污物雜質(zhì)敏感，噴涂時着倾，模型表面必須干凈拾酝。
光學方法 ：根據(jù)光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理制造出來的光學儀器，如陰影儀卡者、紋影儀蒿囤、干涉儀(見風洞測試儀器)和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形崇决。這種方法不在流場中添加其他物質(zhì)材诽，不會干擾氣體流動底挫，而且可以在短時間內(nèi)采集大量的空間數(shù)據(jù)。它是一種直接顯示方法脸侥，特別適合于觀察可壓縮流動和非定常流動建邓，如激波、尾流和邊界層過渡等睁枕。
除了以上兩大類方法外官边，還有一種向流場中注入能量的方法。如在低密度風洞中向氣流發(fā)射電子束外遇，使氣體分子激發(fā)出熒光注簿，熒光的光通量與氣流密度大小有關(guān)。根據(jù)光通量的變化跳仿，就可以顯示出氣流密度的變化诡渴，這種方法可以顯示高超聲速稀薄氣體流動的激波位置和形狀以及用于定量測量流場密度。
70年代后期塔嬉，發(fā)展出一種彩色照相圖示流態(tài)觀察技術(shù)玩徊。它用總壓探管在所測流場區(qū)域掃描，并將感受的壓力轉(zhuǎn)換成電壓值谨究。根據(jù)不同的電壓觸發(fā)不同顏色的光恩袱，在照相機上曝光。通過多種顏色信號光記錄的流場等壓線圖胶哲，可以清晰地看到渦旋分布和飛機模型后的渦流圖像畔塔。這項技術(shù)最近發(fā)展成為直接把傳感器感受的壓力信號記錄在磁帶上，并輸入計算機處理鸯屿。傳感器探頭可以用壓力探頭也可以用熱絲或熱膜或其他探頭澈吨。處理后的數(shù)據(jù)可由彩色電視顯示。因為不用照相裝置寄摆，而代之以計算機谅辣，這就帶來了很大的方便：可以一次處理很多數(shù)據(jù)（可以是一個也可以是好幾個探頭感受的數(shù)據(jù)）；顯示的顏色可多達4 096種（但由于人眼分辨率的限制,常用的也只有20～30種）婶恼；對于特別有興趣的區(qū)域可以放大和增加顏色詳細顯示桑阶；此外，還可以根據(jù)需要勾邦，旋轉(zhuǎn)顯示的數(shù)據(jù)平面蚣录，以得到從不同角度觀察的流場彩色顯示圖像。例如眷篇，可以在垂直風洞軸線的平面觀察萎河，也可以在平行風洞軸線的平面或其他任意平面觀察。高分辨率的彩色電視屏幕可以用顏色和箭頭表示流動方向。
風洞被稱為“航空航天飛行器的搖籃”虐杯，被世界各國視為重要的戰(zhàn)略資源玛歌。2010年5月，中國空氣動力研究與發(fā)展中心啟動科研試驗新區(qū)建設(shè)擎椰。據(jù)中心主任阮祥新介紹沾鳄，多種新型飛機在科研試驗新區(qū)首次實現(xiàn)了模型飛行試驗，上百萬組數(shù)據(jù)分類入庫确憨，中心目前已全面具備了風洞試驗、數(shù)值計算和模型飛行三大手段瓤的。
繼結(jié)冰風洞之后休弃，一座座新型風洞在該中心相繼建成：某新型風洞，為我國載人航天圈膏、深空探測等提供了先進的地面試驗手段塔猾；首座大型航空聲學風洞，為飛行器和地面交通工具氣動噪聲的測試和評估提供了重要的技術(shù)支撐稽坤；某高超聲速低密度風洞丈甸，為我國開展稀薄氣體動力學等學科領(lǐng)域研究打下堅實基礎(chǔ)。
