风洞试验
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风洞试验在现实生活中的应用
1.大跨度空间结构的风洞试验
随着科学技术的发展和施工工艺的进步, 各种外形美观、 结构新颖的大跨度空间结构广泛地应用于体育场馆、会 展中心、影剧院、机场航站楼等大型公共建筑中。大跨 度屋盖结构具有柔性大，阻尼小等特点，对风力的作用 比较敏感，风荷载也成为这一类结构设计中的主要控制 荷载。因此，需要进行风洞试验来确定设计所能承受的 风荷载，从而保证设计的安全性。主要方法有两种：一 是制作结构的气动弹性模型；二是制作成刚性模型。
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风洞试验ห้องสมุดไป่ตู้缺点
风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准 确。概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有 以下三个方面：
① 边界效应或边界干扰：真实飞行时，静止大气是无边界的。而在风洞 中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界。 ② 支架干扰：风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。 ③ 相似准则不能满足的影响：风洞实验的理论基础是相似原理。相似原 理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个 流场对应的所有相似准则数相等。最常见的主要相似准则不满足是 风洞的雷诺数不够。
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风洞试验的 发展及应用
应用气象学院 朱凯
2011.10.21
风洞的概念
所谓风洞, 所谓风洞, 是指在一个按一定要求设计的管道系统 使用动力装置驱动一股可控制的气流, 内,使用动力装置驱动一股可控制的气流, 根据运动的相 对性和相似性原理进行各种气动力试验的装置。 对性和相似性原理进行各种气动力试验的装置。简单的 风洞，就是在地面上人为的创造一个“天空” 说，风洞，就是在地面上人为的创造一个“天空”。 风洞是为了满足航空航天器研制需要而发展起来的 地面气动实验设备，同时， 地面气动实验设备，同时，航空航天器技术的发展需求 也决定了风洞建设的发展方向。 也决定了风洞建设的发展方向。风洞是保证一个国家航 空航天处于领先地位的基础研究设施。 空航天处于领先地位的基础研究设施。 风洞试验是指在风洞中飞行器或其它物体模型研究 气体流动及其与模型的相互作用， 气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或 其它物体的空气动力学特性的一种空气动力试验方法。 其它物体的空气动力学特性的一种空气动力试验方法。
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风洞的发展
• • • • • 低速风洞发展阶段。20世纪30年代前后，随着早期螺旋桨飞机的发展，为了探索 研究飞行遇到的诸多空气动力问题，工业发达国家开始建造大型低速风洞，如美国 建设了60英尺×30英尺全尺寸风洞等。 超声速风洞发展阶段。1905年德国普朗特、1925年斯坦顿先后在小风洞中建立了 马赫数1．5到1．7的超声速流。1956年美国建造了世界最大的超声速风洞，实验 段尺寸为4．88mx4．88m。 跨声速风洞发展阶段。20世纪40年代初，在风洞中进行近声速实验时，出现了壅 塞现象。1947年，美国建造了世界第一座跨声速风洞，为飞机突破音障奠定了基 础。 高超声速风洞发展阶段。20世纪50年代航天飞行器的发展，促使各类高超声速风 洞迅速发展，如激波风洞、热结构风洞、低密度风洞、电弧加热器、推进风洞、自 由飞弹道靶等，为运载火箭、飞船等航天工程发展奠定了基础。 航空风洞设备更新改造和其它专用风洞发展阶段。20世纪70年代，随着计算机技 术的发展，国外对早期建设的风洞进行了测量和控制技术改造，风洞的自动化程度 和生产效率大幅度提高；80年代末，许多重点风洞又对流场品质、模拟能力、试 验技术扩展等方面进行了更新改造；除航空航天领域外，一些汽车、大气边界层等 专用风洞得到发展。 风洞设备发展从数量规模转向能力品质发展阶段。20世纪90年代，随着经济全球 化和型号发展数量的减少，一方面，风洞设备在数量上呈现出过剩状态；另一方面， 又缺少能满足未来型号精细化发展要求的高性能风洞。因此，国外开始评估论证 21世纪航空航天发展对风洞设备的需求，探索研究新概念风洞。
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风洞试验在现实生活中的应用
2.低矮建筑的风洞试验
我国东南沿海地区台风活动频繁，台风也是主要的气象灾害之一。 历次风灾调查结果显示，极端风环境下被破坏的主要对象是低矮房 屋。国外已经开展了较长时间的有关低矮房屋风荷载特性的研究， 而且很多研究成果已经被风荷载标准设计所采用。最典型的是美国 德克萨斯理工大学的TTU模型——足尺标准模型。 通过研究发现，靠近屋角的屋面区域、屋面迎风边缘区域和屋脊等 处通常会在斜风下流体分离、再附的情况下出现风压的极值，所以 必须准确测量这些区域的风压。 我国东南沿海地区广泛采用的带挑檐的低层双坡房屋设计，在迎风 时，会对挑檐产生很大的向上的力，设计时应特别注意。
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风洞试验的优点
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。
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风洞试验在现实生活中的应用
3.幕墙抗风设计的风洞试验
幕墙是建筑外围护结构或装饰性结构，由于建筑幕墙直接暴露在大 气环境中，受外部风荷载作用影响明显，所以，幕墙面板本身必须 具有足够的承载能力，避免在风荷载作用下破碎。幕墙的风洞试验 可以分为三种类型的模型： ①整体模型风压试验 ②遮阳系统的局部模型试验 ③双层幕墙试验 通过风洞试验，合理进行风荷载分区，可优化幕墙设计风荷载取值， 保证设计的安全、合理，避免产生材料浪费或安全隐患。
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风洞试验的其他应用
风洞试验应用于沙漠学研究中，可以防风 治沙；应用于农业气象的研究，比如风对农作物 倒伏，落花落果的影响的研究；应用于土壤水分 蒸发的试验研究；同时，还可应用于风对大气污 染物的扩散情况的的研究等等。
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流体动力学（CFD）数值模拟
与风洞试验相比, 计算流体动力学(CFD)数值 模拟具有成本低、周期短、效率高等优点。而且, 其不受模型尺度的影响,可进行全尺度模拟,克服 了试验中难以满足的雷诺数相似的困难,可以方便 地变化各种参数,以研究不同参数的影响。CFD数 值模拟结果与网格划分、计算区域、湍流模型等 因素密切相关, 使用时必须严格注意。 随着计算机软硬件水平的飞速提高及流体力 学理论的发展,CFD数值模拟将会成为一种很有潜 力的方法。
风洞试验在现实生活中的应用
1.大跨度空间结构的风洞试验
随着科学技术的发展和施工工艺的进步, 各种外形美观、 结构新颖的大跨度空间结构广泛地应用于体育场馆、会 展中心、影剧院、机场航站楼等大型公共建筑中。大跨 度屋盖结构具有柔性大，阻尼小等特点，对风力的作用 比较敏感，风荷载也成为这一类结构设计中的主要控制 荷载。因此，需要进行风洞试验来确定设计所能承受的 风荷载，从而保证设计的安全性。主要方法有两种：一 是制作结构的气动弹性模型；二是制作成刚性模型。
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风洞试验ห้องสมุดไป่ตู้缺点
风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准 确。概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有 以下三个方面：
① 边界效应或边界干扰：真实飞行时，静止大气是无边界的。而在风洞 中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界。 ② 支架干扰：风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。 ③ 相似准则不能满足的影响：风洞实验的理论基础是相似原理。相似原 理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个 流场对应的所有相似准则数相等。最常见的主要相似准则不满足是 风洞的雷诺数不够。
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风洞试验的 发展及应用
应用气象学院 朱凯
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风洞的概念
所谓风洞, 所谓风洞, 是指在一个按一定要求设计的管道系统 使用动力装置驱动一股可控制的气流, 内,使用动力装置驱动一股可控制的气流, 根据运动的相 对性和相似性原理进行各种气动力试验的装置。 对性和相似性原理进行各种气动力试验的装置。简单的 风洞，就是在地面上人为的创造一个“天空” 说，风洞，就是在地面上人为的创造一个“天空”。 风洞是为了满足航空航天器研制需要而发展起来的 地面气动实验设备，同时， 地面气动实验设备，同时，航空航天器技术的发展需求 也决定了风洞建设的发展方向。 也决定了风洞建设的发展方向。风洞是保证一个国家航 空航天处于领先地位的基础研究设施。 空航天处于领先地位的基础研究设施。 风洞试验是指在风洞中飞行器或其它物体模型研究 气体流动及其与模型的相互作用， 气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或 其它物体的空气动力学特性的一种空气动力试验方法。 其它物体的空气动力学特性的一种空气动力试验方法。
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风洞的发展
• • • • • 低速风洞发展阶段。20世纪30年代前后，随着早期螺旋桨飞机的发展，为了探索 研究飞行遇到的诸多空气动力问题，工业发达国家开始建造大型低速风洞，如美国 建设了60英尺×30英尺全尺寸风洞等。 超声速风洞发展阶段。1905年德国普朗特、1925年斯坦顿先后在小风洞中建立了 马赫数1．5到1．7的超声速流。1956年美国建造了世界最大的超声速风洞，实验 段尺寸为4．88mx4．88m。 跨声速风洞发展阶段。20世纪40年代初，在风洞中进行近声速实验时，出现了壅 塞现象。1947年，美国建造了世界第一座跨声速风洞，为飞机突破音障奠定了基 础。 高超声速风洞发展阶段。20世纪50年代航天飞行器的发展，促使各类高超声速风 洞迅速发展，如激波风洞、热结构风洞、低密度风洞、电弧加热器、推进风洞、自 由飞弹道靶等，为运载火箭、飞船等航天工程发展奠定了基础。 航空风洞设备更新改造和其它专用风洞发展阶段。20世纪70年代，随着计算机技 术的发展，国外对早期建设的风洞进行了测量和控制技术改造，风洞的自动化程度 和生产效率大幅度提高；80年代末，许多重点风洞又对流场品质、模拟能力、试 验技术扩展等方面进行了更新改造；除航空航天领域外，一些汽车、大气边界层等 专用风洞得到发展。 风洞设备发展从数量规模转向能力品质发展阶段。20世纪90年代，随着经济全球 化和型号发展数量的减少，一方面，风洞设备在数量上呈现出过剩状态；另一方面， 又缺少能满足未来型号精细化发展要求的高性能风洞。因此，国外开始评估论证 21世纪航空航天发展对风洞设备的需求，探索研究新概念风洞。
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风洞试验在现实生活中的应用
2.低矮建筑的风洞试验
我国东南沿海地区台风活动频繁，台风也是主要的气象灾害之一。 历次风灾调查结果显示，极端风环境下被破坏的主要对象是低矮房 屋。国外已经开展了较长时间的有关低矮房屋风荷载特性的研究， 而且很多研究成果已经被风荷载标准设计所采用。最典型的是美国 德克萨斯理工大学的TTU模型——足尺标准模型。 通过研究发现，靠近屋角的屋面区域、屋面迎风边缘区域和屋脊等 处通常会在斜风下流体分离、再附的情况下出现风压的极值，所以 必须准确测量这些区域的风压。 我国东南沿海地区广泛采用的带挑檐的低层双坡房屋设计，在迎风 时，会对挑檐产生很大的向上的力，设计时应特别注意。
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风洞试验的优点
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。
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风洞试验在现实生活中的应用
3.幕墙抗风设计的风洞试验
幕墙是建筑外围护结构或装饰性结构，由于建筑幕墙直接暴露在大 气环境中，受外部风荷载作用影响明显，所以，幕墙面板本身必须 具有足够的承载能力，避免在风荷载作用下破碎。幕墙的风洞试验 可以分为三种类型的模型： ①整体模型风压试验 ②遮阳系统的局部模型试验 ③双层幕墙试验 通过风洞试验，合理进行风荷载分区，可优化幕墙设计风荷载取值， 保证设计的安全、合理，避免产生材料浪费或安全隐患。
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风洞试验的其他应用
风洞试验应用于沙漠学研究中，可以防风 治沙；应用于农业气象的研究，比如风对农作物 倒伏，落花落果的影响的研究；应用于土壤水分 蒸发的试验研究；同时，还可应用于风对大气污 染物的扩散情况的的研究等等。
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流体动力学（CFD）数值模拟
与风洞试验相比, 计算流体动力学(CFD)数值 模拟具有成本低、周期短、效率高等优点。而且, 其不受模型尺度的影响,可进行全尺度模拟,克服 了试验中难以满足的雷诺数相似的困难,可以方便 地变化各种参数,以研究不同参数的影响。CFD数 值模拟结果与网格划分、计算区域、湍流模型等 因素密切相关, 使用时必须严格注意。 随着计算机软硬件水平的飞速提高及流体力 学理论的发展,CFD数值模拟将会成为一种很有潜 力的方法。