武際可

人類所賴以生存的貼近地球表面的大氣層里，有許多與我們的生活密切相關(guān)、值得研究的現(xiàn)象。其中最為普遍的現(xiàn)象就是風(fēng)對物體的作用力以及物體運動時所受的力。呼嘯而過的大風(fēng)可以折樹倒屋，掀翻航船，造成嚴重的災(zāi)難；而利用風(fēng)能的風(fēng)車又可以提水發(fā)電，為人類效力。車船在空氣中前進，會受到阻力；而飛機又靠在空氣中前進所引起的空氣動力，才能夠飛行。

物體表面與空氣接觸會產(chǎn)生兩種力：一種是垂直于表面的，一種是與表面相切的。在物體表面和周圍情況不變的條件下，這些力的大小只與物體和空氣的相對速度有關(guān)。也就是說，同樣的物體，如果以同一姿態(tài)在空氣中勻速運動所受的力，是和物體在同樣姿態(tài)下，空氣以相同的速度流過物體時所受的力相同的。物體表面所受的這些力的合力組成合力與合力矩，它們決定了物體在空氣中的行為。

人們十分關(guān)心物體在風(fēng)的作用下所受的力，以及物體在空氣中運動時所受的阻力和升力情況。為了解這些力的大小，研究人員在英國數(shù)學(xué)家和工程師本杰明·羅賓斯所設(shè)計的懸臂機上進行了測試：將要測量的物體固定在懸臂末端，當懸臂以一定速度旋轉(zhuǎn)起來時，從所加的驅(qū)動力就可以換算出物體所受的阻力。這種懸臂機使用了很長時間。不過，它有一個缺點，就是當懸臂旋轉(zhuǎn)了一段時間后，周圍的空氣或水會隨著懸臂一同旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致實驗精度大大降低。

既然物體在空氣中所受的力只和物體與空氣的相對速度有關(guān)，那么，是不是可以將物體固定起來，只讓空氣運動，進而測量出物體所受的力呢？這就是人們最初建造風(fēng)洞的想法。

“飛行器的搖籃”

早期的風(fēng)洞就是為了研究物體在空中飛行時所受的升力與阻力來設(shè)計的，即為了飛機設(shè)計所需。第一個設(shè)計與建造實驗風(fēng)洞的是英國人溫翰姆，他是英國航空學(xué)會的創(chuàng)始人之一。他在1871年設(shè)計、建造了一座風(fēng)洞。1884年，英國人菲利普建造了一座改進的風(fēng)洞。1901年，美國萊特兄弟為了研制飛機建造了一座風(fēng)洞。1902年，俄羅斯力學(xué)家茹科夫斯基在莫斯科大學(xué)建造了一座直徑大約為0.61米的風(fēng)洞。

1903年，萊特兄弟成功地讓人類建造的飛機飛上了天空，開辟了航空史上的新紀元。這次成功的試飛得益于他們的風(fēng)洞。1901年，萊特兄弟為實驗和改進機翼，建造了風(fēng)洞并在風(fēng)洞中研究與比較了200種以上的機翼形狀。到1902年秋，他們已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗，掌握了飛行的理論與技術(shù)。這些為他們之后的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)。

因此，風(fēng)洞被稱為“飛行器的搖籃”，是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具。這種管道狀實驗設(shè)備能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象。

風(fēng)洞實驗，就是根據(jù)相對運動原理和相似理論，在風(fēng)洞中測量飛行器縮比模型的空氣動力特性，并研究相應(yīng)的流動現(xiàn)象與流動機理。風(fēng)洞實驗要遵循幾何相似、流動相似等一系列相似準則。

1903年以后，伴隨航空業(yè)的發(fā)展，各國紛紛建造風(fēng)洞。風(fēng)洞的尺寸越來越大，功能多樣，形式各異。德國早在1907年就成立了“哥廷根空氣動力實驗院”，為德國航空工業(yè)長期處于世界領(lǐng)先地位做出了卓越貢獻。美國在1915年建立了航空（航天）咨詢委員會（英文縮寫為NACA，其后改為NASA），該機構(gòu)除了領(lǐng)導(dǎo)和組織航空和航天方面的研究外，還建造和管理不同形式的風(fēng)洞。1918年，蘇聯(lián)成立了中央流體動力研究院，蘇聯(lián)力學(xué)家茹科夫斯基出任所長。1921年，茹科夫斯基逝世后，研究所由他的學(xué)生恰普雷金繼任。研究所也建造了許多不同功能的風(fēng)洞。據(jù)統(tǒng)計，僅20世紀90年代，美國、英國、法國、德國、加拿大、荷蘭和日本這7個國家共建有186座風(fēng)洞，其中，美國有114座。目前，全世界的風(fēng)洞已經(jīng)有千余座。

我國第一座風(fēng)洞是1934年由清華大學(xué)自行設(shè)計的低速風(fēng)洞。該風(fēng)洞建成于1936年，后因日本侵華戰(zhàn)爭爆發(fā)，風(fēng)洞被毀。此后，在南昌籌建的4.57米低速風(fēng)洞于1937年基本完工，該風(fēng)洞在1938年毀于日本飛機的轟炸?？箲?zhàn)勝利后，清華大學(xué)、浙江大學(xué)都曾建過風(fēng)洞，主要用于教學(xué)需要。

1949年之后，位于哈爾濱的解放軍軍事工程學(xué)院和北京大學(xué)等相繼建造了低速風(fēng)洞。為了加速發(fā)展中國的航空航天事業(yè)，根據(jù)著名科學(xué)家錢學(xué)森、郭永懷的構(gòu)想，我國于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構(gòu)，隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機構(gòu)。

40多年來，中國空氣動力研究與發(fā)展中心建造了數(shù)十座高質(zhì)量的風(fēng)洞，其規(guī)?？胺Q亞洲之最，為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻。

風(fēng)洞什么樣

風(fēng)洞名稱中通常會使用尺寸，風(fēng)洞實驗段尺寸決定了實驗?zāi)Ｐ偷拇笮?。一般風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ统叽绫日鎸嶏w行器的尺寸小得多，當模型尺寸太小時，飛行器上的幾何細節(jié)和小部件難以模擬。風(fēng)洞越大，實驗?zāi)Ｐ统叽缭酱?，模型保真度越高，實驗?shù)據(jù)就越可靠；但是，風(fēng)洞尺寸越大，建設(shè)難度越大、運行成本就越高，這就要求權(quán)衡模擬準確度、可行性與經(jīng)濟性，合理確定風(fēng)洞尺寸。

為此，世界主要空氣動力研究機構(gòu)都對風(fēng)洞尺寸進行統(tǒng)一規(guī)劃，按大、中、小尺寸配套，成體系地進行建設(shè)。其中，小型風(fēng)洞主要用于基礎(chǔ)研究和先進氣動技術(shù)探索、多學(xué)科研究及計算流體力學(xué)（CFD）驗證；中型風(fēng)洞主要用于中小型飛行器選型、校核和定型實驗，先進氣動技術(shù)的驗證；大型風(fēng)洞主要用于大型飛行器的選型、校核和定型實驗等。

現(xiàn)今，風(fēng)洞的形式和功能已經(jīng)發(fā)展得很復(fù)雜。

從吹風(fēng)的形式來說，有直流式，有的為了節(jié)約能耗做成回流式。從吹風(fēng)持續(xù)時間來說，有持續(xù)式和暫沖式。從實驗段形狀看，有圓形、方形、六角形和八角形等。

從風(fēng)速來說，有低速風(fēng)洞（風(fēng)速在130米/秒以下）、高速風(fēng)洞（實驗段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為0.4～4.5的風(fēng)洞）、亞音速風(fēng)洞（實驗段氣流馬赫數(shù)為0.4～0.7）、跨音速風(fēng)洞（實驗段氣流馬赫數(shù)為0.5～1.3）、超音速風(fēng)洞（實驗段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為1.5～4.5）、高超音速風(fēng)洞（實驗段內(nèi)氣流馬赫數(shù)大于5）。馬赫數(shù)是氣流速度與聲音傳播速度之比。

從風(fēng)洞的特別用途來說，有模擬風(fēng)對近地結(jié)構(gòu)作用的大氣邊界層風(fēng)洞、用于測量車輛行進時所受阻力的汽車風(fēng)洞，有模擬沙漠遷移規(guī)律的風(fēng)沙風(fēng)洞以及為測量高空氣流特性的稀薄氣體風(fēng)洞、為研究飛機穿過云霧飛行時飛機表面局部結(jié)冰現(xiàn)象的冰風(fēng)洞等。此外，還有激波風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞等，不一而足。

也許你認為，建造一個風(fēng)洞是很簡單的事情，無非是建造一個大的洞體，再由一個巨大的風(fēng)扇吹風(fēng)就妥了。其實，風(fēng)洞的建造是很復(fù)雜的，就洞內(nèi)的氣流來說，如果要使實驗段各處的風(fēng)速均勻，速度的方向平行，湍流度要控制在一定范圍內(nèi)，這就是所謂對流場品質(zhì)的要求。對于高速風(fēng)洞，除了有對流場品質(zhì)的要求外，對氣流的濕度和溫度還有要求。另外，洞體合乎要求后，還要有配套的許多測試設(shè)備和儀器。要有測力矩和測量流場各點速度壓強的設(shè)備。由于測量這些數(shù)據(jù)的工作量很大，所以又需要有數(shù)據(jù)的自動采集和處理設(shè)備。

因而，現(xiàn)代化風(fēng)洞的建立是現(xiàn)代科技水平的體現(xiàn)，風(fēng)洞的水平完全能夠體現(xiàn)一個國家的綜合科技水平和實力。有的風(fēng)洞的尺寸很大，可以把一架飛機裝在里面吹風(fēng)。我們見到的任何一架飛機或火箭的設(shè)計都需要成千上萬次的風(fēng)洞實驗。建造一座現(xiàn)代化的風(fēng)洞，耗資可以達數(shù)億美元乃至數(shù)十億美元之巨。

用途多又多

有了合格的風(fēng)洞，利用這些風(fēng)洞究竟能夠做些什么實驗?zāi)兀?/p>

風(fēng)洞的產(chǎn)生和發(fā)展首先是同航空航天科學(xué)的發(fā)展緊密相關(guān)的。風(fēng)洞廣泛用于研究空氣動力學(xué)的基本規(guī)律，以驗證和發(fā)展有關(guān)理論，并直接為各種飛行器的研制服務(wù)，通過風(fēng)洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能。現(xiàn)代飛行器的設(shè)計對風(fēng)洞的依賴性很大。例如，20世紀50年代美國研制B-52型轟炸機時，曾進行了約1萬小時的風(fēng)洞吹風(fēng)實驗，20世紀80年代第一架航天飛機的研制則進行了約10萬小時的風(fēng)洞實驗，包括測量在不同姿態(tài)、不同速度、不同大氣條件下的阻力、升力和壓力分布。所以風(fēng)洞實驗的水平體現(xiàn)了一個國家航空航天的水平，也體現(xiàn)了一個國家國防中制空權(quán)的水平。

隨著現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展整體化趨勢的出現(xiàn)，空氣動力學(xué)特別是低速空氣動力學(xué)已跨出航空航天領(lǐng)域，正在向國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域滲透，并發(fā)揮著越來越大的作用，由此逐步形成了一門新興的邊緣學(xué)科——工業(yè)空氣動力學(xué)。工業(yè)空氣動力學(xué)這個名詞最早在20世紀60年代初使用，主要是指非航空、航天工程的空氣動力學(xué)問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞的應(yīng)用范圍日益廣泛。降落傘、船帆、球類、標槍、鐵餅、汽車、建筑物、橋梁、奧運火炬、風(fēng)車、通風(fēng)機、冷卻塔，等等，凡是對于在空氣和風(fēng)中的物體的運動行為不清楚的地方，都需要在風(fēng)洞中實驗和研究。

舉例來說，建成于1940年的美國西北部一座跨海吊橋，即長853.4米的塔科馬大橋，建成后不久，由于同年11月7日的一場不大的風(fēng)（風(fēng)速僅為19米/秒），引起了振幅接近數(shù)米的“顫振”。在這樣大振幅的振蕩下，橋梁結(jié)構(gòu)很快便塌毀了。人們在事后的風(fēng)洞研究中發(fā)現(xiàn)，這座橋在設(shè)計上存在缺陷，是以往橋梁設(shè)計者所沒有預(yù)見到的。自此之后，凡是設(shè)計跨度較大的吊橋，都必須進行風(fēng)洞模型實驗，以便對橋梁所受的空氣動力進行詳細論證。

運動的物體所受氣流的迎風(fēng)阻力f是由公式f =ρkSV 2給出的，其中ρ是空氣密度，S是物體的截面積，V是氣流的相對速度，而k是與物體形狀有關(guān)的系數(shù)，也稱為阻力系數(shù)或形狀系數(shù)。這個系數(shù)k只能靠風(fēng)洞實驗來確定。物體不同，阻力系數(shù)也不同，通過阻力系數(shù)，可以看出物體的不同形狀對其所受阻力的影響可以達到數(shù)倍到數(shù)十倍之大。20世紀70年代以前，一般小汽車的阻力系數(shù)約為0.4～0.6；之后，由于油價飆升，節(jié)油成為評價汽車性能的重要指標之一，經(jīng)過不斷改進，現(xiàn)今一般小汽車的阻力系數(shù)已經(jīng)降低到0.28～0.4。這都是借助于風(fēng)洞來實現(xiàn)的。目前，全世界專用于研究汽車空氣動力學(xué)的風(fēng)洞有50多座，大部分分布在歐美和日本。

關(guān)于自行車在空氣中的阻力，測試表明，當車速增加到11米/秒時，空氣阻力占前進總阻力的80%。減小空氣阻力最有效的措施是減少“人-車系統(tǒng)”在前進方向上的截面積：身體蜷伏、臀部高抬、背部平直的騎行姿勢能大大減少空氣阻力，“羊角把”的設(shè)計便是為了實現(xiàn)這種姿態(tài)。

近年來，人們對環(huán)境問題日益重視。美國洛杉磯市區(qū)三面環(huán)山，很少有風(fēng)，20世紀40年代初，由于有250多萬輛汽車每天向大氣中排放大量的碳氫化合物、氮氧化物以及一氧化碳等廢氣，致使廢氣在日光作用下形成光化學(xué)煙霧，造成嚴重的光化學(xué)煙霧污染事件，許多居民出現(xiàn)了眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰竭等現(xiàn)象。當?shù)?5歲以上的老人在兩天內(nèi)死亡400多人。這種情況并不是孤例。

隨著城市的發(fā)展和規(guī)模的擴大，高樓鱗次櫛比，密集的建筑群與風(fēng)相互作用，使得城市在不同的風(fēng)場條件下出現(xiàn)繞流渦、下沖流、角區(qū)流、變化的尾流和穿堂風(fēng)等效應(yīng)和現(xiàn)象，這些給城市環(huán)境帶來了很大影響。過去，由于在城市建設(shè)中缺乏科學(xué)規(guī)劃與合理布局，導(dǎo)致有些地方因為大風(fēng)吹拂而塵土飛揚，另外一些區(qū)域由于樓群的阻塞使得空氣滯留，通風(fēng)不暢，空氣混濁。這些都會嚴重影響居民健康。據(jù)統(tǒng)計，我國空氣質(zhì)量超過國家三級標準、屬于嚴重污染的城市占到40%左右。城市懸浮顆粒物超標比較普遍。因此，研究建筑群及城市的環(huán)境流動、指導(dǎo)科學(xué)合理的城市規(guī)劃和建設(shè)是十分必要的。

對于這方面的研究，科學(xué)家早在20世紀20年代就開始摸索利用風(fēng)洞實驗來模擬大氣邊界層流動特性及大氣擴散現(xiàn)象。1941年，夏洛克和斯托克在風(fēng)洞中研究地形及建筑物對煙囪排放出來的煙氣擴散的影響。1952年，斯特羅姆在風(fēng)洞實驗段裝上加熱氣流的格柵及阻尼網(wǎng)，形成溫度梯度及速度梯度的氣流，用于研究大氣擴散現(xiàn)象。直到1963年世界上第一座長實驗段大氣環(huán)境風(fēng)洞——美國科羅拉多州立大學(xué)氣象風(fēng)洞的出現(xiàn)，使大氣擴散風(fēng)洞模擬研究從在常規(guī)的航空低速風(fēng)洞中的探索階段進入到使用專用的大氣環(huán)境風(fēng)洞的發(fā)展階段。

由于水和空氣都是流體，風(fēng)洞不僅可以模擬物體在空氣中的受力情況，也可以模擬物體在水下受力的情況。只不過在實測阻力系數(shù)下，用水的密度來計算實際阻力。所以，風(fēng)洞在研究潛水艇的改進中也具有巨大作用。

總之，經(jīng)過100多年的發(fā)展和改進，作為高科技領(lǐng)域一種體現(xiàn)國家綜合科學(xué)技術(shù)實力的重要標志，風(fēng)洞的種類日益繁多，功能日益完善。發(fā)展航空航天事業(yè)離不開風(fēng)洞，改進建筑離不開風(fēng)洞。風(fēng)洞還可以為減災(zāi)、環(huán)境保護、提高體育運動成績以及車船節(jié)能等貢獻力量。

【責(zé)任編輯】趙 菲