鄭玉麟

一般風(fēng)洞的工作原理和它的構(gòu)造

風(fēng)洞是一個(gè)管道，用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，在管道中產(chǎn)生人造風(fēng)。它是利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，來(lái)研究空氣和物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力。

當(dāng)飛機(jī)在靜止的空氣中以前進(jìn)速度V運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空氣阻力R(見(jiàn)圖2a)。這R力的大小決定于飛機(jī)相對(duì)于空氣位移的速度V。如果使飛機(jī)固定不動(dòng)，并相對(duì)地使空氣以同樣的速度流過(guò)飛機(jī)(見(jiàn)圖26)，則我們也可得到同樣的相對(duì)速度，所以，這樣所得的阻力也和上述情況是同樣的。這樣的方法叫做轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。利用這種方法在空氣動(dòng)力學(xué)中建立了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理：即空氣動(dòng)力的大小、方向與作用點(diǎn)不決定于氣流流過(guò)飛機(jī)或者是空氣靜止而飛機(jī)在運(yùn)動(dòng)，而是僅僅決定于相互間的相對(duì)速度的大小與方向。

圖2說(shuō)明相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理

a)—飛機(jī)以速度V在靜止空氣中運(yùn)動(dòng)

b)—飛機(jī)靜止，空氣流速為V

相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，在空氣動(dòng)力學(xué)方面，有著極其重大的意義，使我們不必飛行就可能進(jìn)行空氣動(dòng)力研究。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可將飛機(jī)固定在風(fēng)洞中，在風(fēng)洞里造成具有需要速度的氣流。用飛機(jī)固定在氣流中的方法去研究決定空氣動(dòng)力的大小，進(jìn)行必要的測(cè)定，比較飛機(jī)在空氣中運(yùn)動(dòng)的情況要簡(jiǎn)單得多。下面我們來(lái)介紹一般風(fēng)洞的構(gòu)造：

圖3所示為直流式風(fēng)洞示意圖。空氣由風(fēng)扇1吸入風(fēng)洞，風(fēng)扇由直流電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。氣流速度可以用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)改變。風(fēng)洞前端入口部分3叫做收斂段，可使氣流均勻地加速，并保證流進(jìn)實(shí)驗(yàn)段時(shí)，速度也很均勻。空氣由收斂段流入安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)段4，要求在此段中的流速和壓力分布都很均勻。然后空氣流入風(fēng)洞的擴(kuò)散段5，安裝擴(kuò)散段的目的，主要為了減少氣流的能量損失。在實(shí)驗(yàn)段的入口處裝有整流格6，它的功用是引直氣流的方向，并且把氣流中的大旋渦分割成很多小旋渦，使風(fēng)洞紊流度更減小。(注：紊流度是流體紊亂的程度)

圖4為單回流式風(fēng)洞的示意圖。由風(fēng)扇吸進(jìn)風(fēng)洞的空氣，不會(huì)像在直流式風(fēng)洞里那樣要跑進(jìn)安裝風(fēng)洞的屋子，而是流入回流道，因此產(chǎn)生連續(xù)的循回氣流。如果試驗(yàn)段尺寸相同，電動(dòng)機(jī)功率也相同，則回流式實(shí)驗(yàn)段里的流速將比直流式里的流速要大。

圖3直流式風(fēng)洞示意圖

圖5為雙回流道的回流式風(fēng)洞示意圖。為了使能量損耗降低，回流道拐彎處裝有導(dǎo)流片，它的剖面與翼剖面很相似，可免除氣流拐彎時(shí)產(chǎn)生分離。

按照實(shí)驗(yàn)段的構(gòu)造，風(fēng)洞還可以分成開(kāi)口式實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞和閉口式實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞。開(kāi)口式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段里，氣流略經(jīng)擴(kuò)散與四周空氣相接觸，并因摩擦而擾動(dòng)額外的空氣。所以擴(kuò)散段入口處的直徑，應(yīng)比收縮段的直徑略大。同時(shí)，由于在開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段里空氣對(duì)空氣產(chǎn)生摩擦，速壓損失較大，如果兩個(gè)尺寸相同而只是實(shí)驗(yàn)段構(gòu)造不同的風(fēng)洞，在同一電動(dòng)機(jī)功率下，開(kāi)口式風(fēng)洞的流速將遠(yuǎn)比閉口式的流速為低?？墒?，開(kāi)口式實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞在使用方面有較大的優(yōu)點(diǎn)，例如，便于安裝模型，便于觀測(cè)等等，因此，仍被廣泛采用。圖6所示為開(kāi)口雙回流式風(fēng)洞的示意圖。

圖4單回流道的回流式風(fēng)洞示意圖

圖5雙回流道的回流式風(fēng)洞示意圖

圖6開(kāi)口雙回流道式風(fēng)洞示意圖

現(xiàn)代一般低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的截面形狀有圓形、橢圓形或八角形，舊式的也有時(shí)作成正方形或長(zhǎng)方形。最初的風(fēng)洞，尺寸都不大，并且它的速度也不大，而且用以測(cè)量空氣動(dòng)力的儀表也很簡(jiǎn)陋。近三十年來(lái)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)已大為發(fā)展。也有供真實(shí)飛機(jī)實(shí)驗(yàn)用的巨型風(fēng)洞，叫做全尺寸風(fēng)洞或者實(shí)物風(fēng)洞。這種風(fēng)洞可以得到較大的雷諾數(shù)。

高速風(fēng)洞的工作原理和它的構(gòu)造

高速風(fēng)洞可分為高亞音速風(fēng)洞與超音速風(fēng)洞兩類(lèi)。這些風(fēng)洞是為了研究馬赫數(shù)〔即M數(shù)=V(氣流速度)/a(音速)〕對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響。隨著航空科學(xué)的發(fā)展，飛行器的速度增加，超音速風(fēng)洞的M數(shù)有高達(dá)5或6甚至10以上的。

亞音速和超音速風(fēng)洞，都有持續(xù)式和短暫式兩種。持續(xù)式風(fēng)洞的工作原理在構(gòu)造上與普通低速風(fēng)洞的差別不大。通常是用多級(jí)增壓器來(lái)使這種風(fēng)洞里的氣流流動(dòng)。增壓器裝于擴(kuò)散器的一端，或者裝在回流道里。

圖7與圖8所示為超音速風(fēng)洞與高亞音速風(fēng)洞。在超音速風(fēng)洞里，拉瓦爾管必須在實(shí)驗(yàn)段之前，氣流在拉瓦爾管的臨界剖面上達(dá)到音速之后，才往后擴(kuò)散，而在流入實(shí)驗(yàn)段時(shí)，就已經(jīng)超過(guò)音速了。(注：拉瓦爾管：是一個(gè)勻稱(chēng)的噴管，其中氣體按絕熱定律膨脹并流動(dòng)。噴管則與內(nèi)部保持著高壓的容器相連。)

由于這些風(fēng)洞的氣流速度要求很高，為產(chǎn)生氣流所需的功率就很大，要在巨型風(fēng)洞里造成超音速流或是高亞音速流，都必須消耗上萬(wàn)匹馬力；因此，這些風(fēng)洞所采用的尺寸，往往是比較小的。

高速風(fēng)洞連續(xù)工作時(shí)間如果太久，由于空氣對(duì)洞壁的摩擦，溫度將迅速升高，因此，在所有持續(xù)式高速風(fēng)洞里，都在回流道或入口收縮段的寬大部分，裝有散熱器。它也起整流柵的作用。

短暫式風(fēng)洞比持續(xù)風(fēng)洞要簡(jiǎn)單得多。這種風(fēng)洞近來(lái)已廣泛采用。按其工作原理，可分為三種類(lèi)型：噴射式，真空式和蓄壓式。

圖7持續(xù)式超音速風(fēng)洞示意圖

圖8持續(xù)式高亞音速風(fēng)洞示意圖

噴射式風(fēng)洞的原理如圖9所示。

來(lái)自?xún)?chǔ)氣瓶的空氣，在高壓下噴入位于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段后面的噴射室。噴射室呈環(huán)形，室內(nèi)有作成拉瓦爾管剖面形狀的縫隙，以保證空氣以超音速由噴射室噴出，流入風(fēng)洞的擴(kuò)散段帶動(dòng)風(fēng)洞里原有的空氣，于是空氣就由收縮段吸入風(fēng)洞，造成實(shí)驗(yàn)段里的高速氣流。為使流入風(fēng)洞的空氣干燥，通常在收縮段前面裝一干燥器。這種風(fēng)洞的連續(xù)使用時(shí)間隨儲(chǔ)氣瓶的容量及其中壓力而定。通常使用時(shí)間雖然只有0.5～3分鐘左右，但在自動(dòng)天秤系上測(cè)量讀數(shù)，這點(diǎn)時(shí)間已經(jīng)足夠了。噴射式風(fēng)洞通常是亞音速的。可是，如在入口收縮段與實(shí)驗(yàn)段之間裝備代用拉瓦爾噴管或改型襯管，也可以得到超音速，這便是跨音速風(fēng)洞。

真空式風(fēng)洞的原理如圖10所示。系由巨型空桶與風(fēng)洞相連結(jié)而成，由風(fēng)洞的擴(kuò)散器通進(jìn)空桶。開(kāi)動(dòng)風(fēng)洞以前，將風(fēng)洞通到空桶的孔道堵塞，再用真空泵從空桶中抽吸空氣。要使空桶里的壓力盡可能趨近于零。如將帶空桶的風(fēng)洞頂頭上的孔眼開(kāi)啟，則大氣里的空氣即經(jīng)過(guò)風(fēng)洞流入空桶。在流過(guò)收縮段和界于收縮段與實(shí)驗(yàn)段之間的拉瓦爾管之后，實(shí)驗(yàn)段里的空氣就獲得超音速流。這超音速流可能需要某一段時(shí)間才得穩(wěn)定，其長(zhǎng)短隨空桶和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的尺寸而定。

圖9短暫噴射式風(fēng)洞示意圖

圖10真空式高速風(fēng)洞示意圖

圖11由高壓蓄壓筒開(kāi)動(dòng)的超音速風(fēng)洞示意圖

蓄壓式風(fēng)洞的作用原理如圖11所示，系由電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)的壓氣機(jī)1將空氣打進(jìn)蓄壓筒組3，空氣便在高壓下在這筒組里儲(chǔ)蓄。壓氣瓶與蓄壓筒之間裝有滑油分離器4?？諝庥尚顗和步?jīng)起動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)5流入貯氣筒6。這是一個(gè)大空筒，其中空氣壓力已降低到獲得適當(dāng)M數(shù)所必需的數(shù)值?？諝庥少A氣筒經(jīng)寬闊管道7進(jìn)入前室8，由此經(jīng)可拆換的拉瓦爾管9開(kāi)始流入大氣，得到超音速流。

這些短暫式風(fēng)洞和持續(xù)式風(fēng)洞比起來(lái)是比較不方便的，可是由于它們簡(jiǎn)單而且價(jià)廉，還是得到廣泛的應(yīng)用。

不論在低速或是高速風(fēng)洞里，在對(duì)氣流所流過(guò)的物體，用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)決定空氣動(dòng)力特性時(shí)，都需要用很多精確和完善的儀器設(shè)備。這些儀表設(shè)備中最主要和通用的有：用來(lái)測(cè)量空氣動(dòng)力和力矩的天秤系；用來(lái)測(cè)量壓力分布的壓力感受器等。

在黨的正確領(lǐng)導(dǎo)下，幾年來(lái)，祖國(guó)的航空工業(yè)已經(jīng)有了很大的成績(jī)，新型的航空工廠已經(jīng)生產(chǎn)出現(xiàn)代化的噴氣式飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，在社會(huì)主義總路線的光輝照耀下，航空工業(yè)的發(fā)展也像其他工業(yè)農(nóng)業(yè)一樣，正在飛躍的前進(jìn)。許多學(xué)校和工廠都在自己設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)，在教育、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與研究等四結(jié)合的方針下，不論是在學(xué)校、工廠、設(shè)計(jì)室或者研究院都在建立很多完善的實(shí)驗(yàn)室和各種新式的風(fēng)洞設(shè)備，來(lái)為航空工業(yè)的教學(xué)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與研究的躍進(jìn)而服務(wù)。