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風洞的歷史

世界上公認的第壹個風洞是英國人韋納姆於1869 ~ 1871年建成的,測量的是物體與空氣相對運動時的阻力。它是壹個兩端開口的木箱,橫截面為45.7厘米× 45.7厘米,長3.05米。美國兄弟O. Wright和W. Wright在1900年建造了壹個風洞,橫截面為40.6 cm ×40.6 cm,長度為1.8 m,氣流速度為40 ~ 56.3 km/h,才成功地進行了世界上第壹次動力飛行。1901年,萊特兄弟建造了風速為12 m/s的風洞,並對其飛行器進行了相關的實驗測試。

20世紀中期出現了大量的風洞。到目前為止,我國已有低速、高速、超高速和激波、電弧等風洞。

風洞是空氣動力學研究和試驗中最廣泛使用的工具。它的產生和發展與航天科學的發展密切相關。風洞被廣泛用於研究空氣動力學的基本規律,以驗證和發展相關理論,直接服務於各種飛行器的研制。通過風洞實驗,確定飛機的氣動布局,評估其氣動性能。現代飛機的設計很大程度上依賴於風洞。比如50年代美國B-52轟炸機的研制進行了約10000小時的風洞實驗,而80年代第壹架航天飛機的研制進行了約100000小時的風洞實驗。

新飛機的設計必須經過風洞實驗。風洞中的氣流需要不同的速度、不同的密度甚至不同的溫度來模擬各種飛行器的真實飛行狀態。風洞中的氣流速度壹般用實驗氣流的馬赫數(M數)來衡量。風洞通常根據速度範圍分類:m

由於可控性好、重復性高,風洞被廣泛用於測試汽車空氣動力學和風工程,如結構的風荷載和振動、建築物的通風、空氣汙染、風力發電、環境風場、復雜地形的流動條件、防風設施的功效等。利用幾何相似原理可以解決這些問題。可以在縮尺模型的風洞中放置地形和地面物體,然後用儀器測量模型的風力或風速。壹些研究還指出,風洞實驗的結果與現場風場觀測的結果相似,因此風洞實驗是研究許多風工程問題最常用的方法。風洞實驗數據也可以用來驗證數值模型的有效性,尋找更好的模型參數。

世界上的風洞總數已經達到壹千多個。最大的低速風洞是美國國家航空航天局艾姆斯中心的國家全尺寸設備(NFSF),實驗段尺寸為24.4×36.6 m2,足以實驗壹架完整的真機。雷諾數最高的最大跨音速風洞是美國蘭利中心的國家跨音速設備(NTF)。這是壹個低溫風洞,實驗截面尺寸為2.5×2.5 m2。采用註入液氮的技術降低實驗氣體的溫度,使風洞實驗的雷諾數達到或接近飛機的實際飛行值。現代最大的高馬赫數、高雷諾數氣體活塞風洞,還配備了先進的測量顯示儀器和數據采集處理系統。風洞的發展趨勢是進壹步增加風洞的模擬能力和改善流場品質,消除跨音速下的洞壁幹擾,發展自校正風洞。

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