1.1风洞的研究背景及意义

风洞是进行空气动力学研究的主要实验设备,它是按照特殊用途设计而成的管道装置。通过人工控制管道中气体的流动状态,以模拟真实大气环境。在空气动力学研究工作中,风洞试验有着非常重要的作用。许多重要的空气动力学理论,如大气边界层理论,空气螺旋桨理论等等,都是基于大量的风洞试验才得以提出。在飞行器的整个研发过程中,风洞试验也起到了重要的作用,很多结构设计相关的技术和方法均是先反复地进行风洞试验,在得到明确实验验证以后才运用到设计中去^[1]。即使是在计算机技术和计算流体力学发展相对成熟的今天,一些重要研究课题和项目,风洞试验在获取实验数据、观察实验现象以及实验验证中依然起着不可替代的重要作用^[2]。

利用风洞进行实验的依据是运动的相似性和相对性原理^[10]。由于气体运动的复杂性、不确定性,研究对象几何形状的复杂性,许多空气动力学相关问题不能仅靠理论分析方法去求解,而是需要在理论分析的基础之上,结合一定的实验验证^[3]。在实验中,我们将模型或研究对象固定在试验段内,让空气均匀流动经过,以模拟模型或实物周围的气体流动状态。模拟实验和检测使用风洞时,可以人工控制流动条件,从而获取期望的实验数据^[4]。同时可以把成本高、难度大、效率低的室外飞行试验、检测搬到室内进行。这不但避免了危险,而且大大节省了资金,提高了效率,增加了设计制造的可行性与可靠性^[5]。

许多空气动力学研究的问题因为气体流动现象及研究对象几何形状的复杂性,不能简单地依赖于理论或者解析方法去求解,必须通过大量的实验,实验数据与理论分析相结合,实际问题才得以解决^[6]。风洞设计的主要目的就是使用经济实用的方法,保证实验时的流场与实际环境之间的相似性,以便得到准确可靠的实验数据。风洞试验不仅在航空、航天领域中有着广泛的应用,随着计算机技术和空气动力学的发展,其在交通,水利,武器,建筑,风工程,体育,环保等部门也有越来越广泛的应用^[7]。例如,交通工具的气动性能,建筑物的风载性能,体育器械、设备的安全性能,大气污染现象的治理防风林和防沙林的保护等,都可以利用风洞试验进行研究^[12]。

随着工业技术和经济水平的飞速发展,工厂工矿企业相继成立,城市人口越发密集,居民生活用燃烧石化燃料排出的烟尘、各类来自交通工具和工业生产排放的尾气和废气构成了大气污染的主要来源。从1873到目前为止,许多国家都发生过大气污染事件,如1952年英国发生的煤烟雾事件;1955年美国洛杉矶发生的光化学烟雾事件;1972年日本发生的哮喘事件等等。每次事件都有大批的人患病甚至死亡,造成严重的后果。因此,各国很取许多手段,对工业区的大气环境质量进行了评定,并进行了相关数值模拟研究,以减少对环境的污染。环境风洞正是在这种背景下应运而生,并为环境保护工作作出了卓越的贡献在体育运动中,风洞试验的应用也非常广泛,它能够在一定程度上提高运动员的比赛成绩。如对标枪结构进行风洞测力试验和分析,从而得到了标枪气动结构设计的原理和飞行性能优化的方法;对自行车车身和头盔进行风洞试验,可以得到减阻效果较好的自行车结构和最佳的骑行姿势;对铁饼投掷运动进行低速风洞试验,可以确定最佳的投掷角和投掷速度;对滑雪运动员的最佳姿态及帆船比赛的最佳驾驶帆船角等的研究同样可以在风洞内进行实验^[9]。流场品质、运行效率和试验能力是衡量一个风洞性能的三个最基本指标^[13]。就目前风洞的发展水平来看,风洞试验仍然存在着许多不足之处。比如风洞收缩段、过渡段的结构外形,风洞风扇系统的设计等都对风洞的性能和效率有着不同程度的影响。如何减小这些因素对风洞试验的影响,提高风洞的试验能力成为风洞设计中的一个焦点。一些气动特性受湍流度的影响比较大,特别是和边界层或分离有关的特性。因此,风洞气流的湍流度应与实际流场环境的湍流度相同或者接近,如果有很大差别,就会得不到准确的实验结果。

风洞是指一个按一定要求设计的、具有动力装置的、用于各种气动力试验的可控气流管道系统^[15]。虽然实际风洞有多种多样的形式，以适应不同的研究要求，但是从流动方式来看，总体上可划分为两个基本类型：即闭口回流式风洞和开口直流式风洞。而从风洞试验段的构造来看又有封闭式和敞开式之分。

结构风工程研究方法可分为现场测试、风洞试验和理论计算三种。现场测试方法是一种有效的验证理论计算和风洞试验方法和结构的手段；然而，现场测试需要花费巨大，试验环境条件很难人为控制和改变。与现场测试方法相比，风洞试验兼具直观性和节约的优点，同时可以上人为地控制、调节和重复一些试验条件，是一种很好的研究结构风工程现象的变参数影响和机理的手段。近些年来随着流体力学和计算机技术的发展，计算流体动力学逐渐成为风工程研究中越来越重要的工具^[15]。然而，由于风工程问题的复杂性，要深入了解由于空气流动所引起的许多复杂作用，风洞试验仍然是起着非常重要的作用。

1.2风洞的发展及国内外研究现状

1871年,英国科学家弗兰克H.韦纳姆(FrankH. Wenhan)在格林威治率先建造了世界上第一座风洞。它是试验段截面尺寸为45.7cm×45.7cm,总长只有3.05m,两端开口的木箱结构^[1]。1925~1933年期间,为了解决如何减小飞机阻力系数、提高螺旋桨效率等空气动力学问题,风洞开始向大型和高速两个方向发展。1933年,美国最先建成了大型全尺寸风洞,这样全尺寸模型或真正的飞机可以在其中直接测试^[1]。随着计算机技术和数值分析技术的发展,20世纪30~80年代,风洞建设进入了一个快速发展的时期,各类风洞的建设都得到了快速发展^[12]。目前,世界各国共建成的风洞数目很多,光是生产性风洞就有300余座。20世纪30年代,英国皇家物理试验室(NPL)关于风对建筑物影响的研究,在低湍流度的航空风洞中进行了相关的实验,并指出利用风洞试验模拟大气边界层湍流的可行性和重要性^[13]。

20世纪40年代,随着电子计算机的问世,运用数值方法求解复杂非线性偏微分方程成为可能,人们开始采用数值方法研究空气动力学问题。随着计算方法的不断改进,运用CFD方法对风洞系统内部流场进行数值模拟,已成为种重要的技术手段,为风洞研究和理论设计提供指导^[14]。CFD在一定程度上取代实验,减少实验周期,降低成本,而且便于后期优化设计。通过改变几何和气动性能参数,可以方便的重复进行数值模拟,以获得较好的风洞流场性能。上世纪60年代初,美国赛马克(Cermak)教授建成大气边界层风洞,并利用它开始研究风工程。20世纪80年代中期,美国出台了震惊世界的超级战略决策—“星球大战计划”,将空气动力学作为基础性性学科,并摆在非常突出的位置。在1985年发表的“美国航空航天2000年”中也提到了空气动力学相关知识,并再次强调它于国于民的重要性^[11]。