风洞综述

风洞文献综述

Wind Tunnels Document Summary

一、前言

风洞，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

风洞设备的建设发展与航空航天飞行器研制紧密相联。在航空飞行器发展早期，对空气动力问题的探究促使了风洞的诞生。1871年，英国人温霍姆建造了世界上第一座风洞。随着飞机、导弹、航天飞行器发展，20世纪30～80年代，迎来了风洞建设的高峰期，低速、跨声速、超声速、高超声速各类型风洞得到快速发展。到目前为止，我国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。

由于实际流动的复杂性，流体力学和空气动力学中的许多课题还不能单纯依靠理论或计算方法解决，因而风洞有其特殊的重要性。二、风洞的发展简要回顾

风洞设备的发展大致经历了低速风洞发展阶段、超声速风洞发展阶段、跨声速风洞发展阶段、高超声速风洞发展阶段、风洞设备改造和稳定发展阶段、风洞设备发展适应新需求阶段、探索新概念风洞发展阶段。

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。

三、风洞的组成

风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而不同。

根据驱动系统的不同有两类，一类是运转时间长，运转费用较低，多在低速风洞中使用的连续式风洞。另一类是工作时间可由几秒到几十秒，多用于跨声速、超声速和高超声速的暂冲式风洞。

四、风洞的种类

风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速、高速和高超声速风洞。

①低速风洞

基本上有两种形式，一种是直流式风洞；另一种是回流式风洞。低速风洞实验段有开口和闭口两种形式，截面形状有矩形、圆形、八角形和椭圆形等，长度视风洞类别和实验对象而定。60年代以来，还发展出双实验段风洞，甚至三实验段风洞。

中国建成的具有柔壁喷管的三音速风洞实验段尺寸为

1.2×1.2米2,跨音速时采用部分排气在回流道内循环的下吹－

引射工作方式，超音速时为下吹工作方式。

②高速风洞

实验段内气流马赫数为0.4～4.5的风洞。按马赫数范围划分，高速风洞可分为亚声速风洞、跨声速风洞和超声速风洞。

⑴亚声速风洞

风洞的马赫数为0.4～0.7。结构形式和工作原理同低速风洞相仿，只是运转所需的功率比低速风洞大一些。

⑵跨声速风洞

风洞的马赫数为0.5～1.3。第一座跨声速风洞是美国NACA 公司在1947年建成的。此后跨声速风洞发展很快，到50年代就已建设了一大批实验段口径大于1米的模型实验风洞。

⑶超声速风洞

洞内气流马赫数为1.5～4.5的风洞。风洞中气流在进入实验段前经过一个拉瓦尔管而达到超声速。第一座超声速风洞是普朗特于1905年在德国格丁根建造的，实验马数可达到1.5。

③高超声速风洞

马赫数大于 5的超声速风洞。主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。实验项目通常有气动力、压力、传热测量和流场显示，还有动稳定性、低熔点模型烧蚀、质量引射和粒子侵蚀测量等。高超声速风洞主要有常规高超声速风洞、低密度风洞、激波风洞、热冲风洞等形式。

⑴常规高超声速风洞

它是在超声速风洞的基础上发展起来的。常规高超声速风洞的运行原理与超声速风洞相似，主要差别在于前者须给气体加热。

早期常规高超声速风洞常采用二维喷管，后期大多数高超声速风洞安装了锥形或型面轴对称喷管。

⑵低密度风洞

形成稀薄(低密度)气体流动的高超声速风洞。它为研制航天器提供高空飞行的气动环境，也是研究稀薄气体动力学的实验工具。低密度风洞主要进行滑移流态和过渡流态下的实验，主要模拟克努曾数、马赫数、物面平均温度和滞止温度之比等参数，以及高温低压下的真实气体效应。

⑶激波风洞

利用激波压缩实验气体，再用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。激波风洞的实验时间短，通常以毫秒计。它的发展与中、远程导弹和航天器的发展密切相关。

⑷热冲风洞

利用电弧脉冲放电定容地加热和压缩实验气体，产生高超声速气流的风洞。

除上述风洞外，高超声速风洞还有氮气风洞、氦气风洞、炮风洞（轻活塞风洞）、长冲风洞(重活塞风洞)、气体活塞风洞、膨胀风洞和高超声速路德维格管风洞等。

五、特殊风洞

为了满足各种特殊实验的需要，还可采用各种专用风洞，结冰风洞供研究飞机穿过云雾飞行时飞机表面局部结冰现象。

在大气层中飞行的飞行器可能会碰到部件结冰现象。结冰影

响飞行器的飞行安全和飞行性能。纵观世界各国, 凡有能力独立

研发飞行器的国家, 大多数拥有研究、评估飞行器结冰和防冰的

试验研究平台--结冰风洞。结冰风洞的出现已有60 多年的历史了, 随着飞行器研究的发展, 结冰风洞也在发展中。

为满足不同试验对象的结冰研究要求, 国外发展了多种航空

结冰试验设备, 主要有以下4类: (1) 结冰风洞; (2) 发动机结

冰试验设备; (3) 低速结冰试验设备; (4) 飞行试验设备。此外, 国外也发展了许多用于车辆试验的气候风洞, 可以进行车辆结冰

试验研究。

在风洞中开展模型结冰试验, 只有模型表面气流、水和冰三

者之间的热力学交换、气流中小水滴轨迹和液态水含量、流场等

诸多条件满足一定的关系,即遵循一定的相似准则, 风洞结冰试

验结果的可靠性才有保证。结冰风洞采用的相似准则：(1)气动力相似; (2) 热力学相似; (3) 水滴轨迹相似; (4) 积冰相似。六、风洞试验

空气动力学实验分实物实验和模型实验两大类。空气动力学

实验按空气与模型产生相对运动的方式不同又可分为3类：①空

气运动，模型不动。②空气静止，物体或模型运动。③空气和模

型都运动。

1、实验原理