风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

01

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

背景知识

向上滑动阅览

      风洞,不是我们所谓的一般的洞,而是以人工产生气流,以观察气流或在气流中作用的物体的物理现象的管道形实验装置,有时也可指代能进行风洞试验的实验室。极大依赖于风洞的风洞试验,是空气动力研究最有效的工具之一,是飞行器设计工作中不可或缺的部分更是世界各国的重要战略资源,被称为“航空航天飞行器的摇篮”。

      总所周知,一个航空器或航天器的研制过程起于理论上的成立,接着就是模型的构建,科学家们会从数学及其构造的理论物理模型对与该设备进行数据分析,从而判断该种构想是否在逻辑上成立。但,即便所有的书面理论或是计算机模拟数据都吻合的很好,这仍然无法说明这个设备具有了工作的条件。而对于动辄造价上亿的航空器与航天器,贸然进行实物实验不仅意味着巨大的经济风险,还很有可能造成实验地点人员的伤亡以及财产的损失,这是任何国家或团体都不能接受的。因此,工程师们迫切需要一种能够较为实际而且准确模拟模型在实际飞行中的状态的实验,并希望由此实验获得的物理数据能很好地证明该飞行器的合理性与可实践性。

      其实早在1871年,英国人就建造了世界上第一个风洞,可惜当时作为一个雏形,只能允许飞行员在其中进行简单的“垂直飞行”。为了为飞机进行有关的实验测试,美国莱特兄弟在1900年建造了一个比英国第一个风洞还要小型的风洞。在二战之前,斯大林下令建造了世界上第一个可用于完整飞机进行气动力飞行试验的全尺寸风洞,在那时前苏联在科研领域的诸多方面都领先于美国,推动了整个空气动力学的研究。世界上第一座常规高超声速风洞则是德国在第二次世界大战时建造的,可惜由于战败,最终风洞未能完全建成。而在二战之前一直在科研领域保有领先地位的英法两国突然发现,战后他们已经落后美苏一大截,于是两国开始整合起了科研资源,重整旗鼓、奋起直追,这些世界强国的互相竞争促使了风洞在20世纪中叶的大量涌现。在上世纪四十年代中期,法国政府就决定将因战乱被分散到全国各地的研究机构给组合起来,重组了国家空气动力研究机构,在阿尔卑斯山腹地建造莫当试验中心,堪称世界一流的大功率空气动力试验风洞设备中心。曾经发明了世界上第一座风洞的英国人更是不甘落后,除了政府部门之外,还充分利用大学进行有关研究。据说,英国46所大学里至少含有30个以上高水平的空气动力研究室,其中不少还有不只一个风洞。但目前西方国家的风洞数都已基本饱和,现在少见新建的风洞,多是在对原有风洞进行升级与改造。除上述国家之外,拥有高水平风洞并对该方面极度重视、投入了大量人力物力的国家不胜枚举,可见风洞受各国的重视程度之高,其重要性及战略意义可想而知。

      但是风洞也只是因为可以用实物试验,从而相对于理论上的推算更精确并具有代表性,但要试验能够满足与实际完全相似又谈何容易。不光是模型与实物的几何外形要相似,还有与流场相关的准数:雷诺数、马赫数和普朗特数等的对应相等,或者是通过计算进行数据修正,这也是风洞领域的重点之一,也是风洞改进与未来发展方向的重点。

      而风洞的优点也是显而易见,也是各国对其如此推崇的原因。一是可以比较准确地控制实验条件,方便模拟各种情景下的飞行;二是在室内进行,不受外界环境的影响;三是实验的方法与内容多样,可以用不同的方式进行,避免单一情景的偶然性,实验结果精确度较高;三是实验较为安全,成本较低,能有效降低实物实验带来的潜在可能损失,这也是各个推进航空航天工程的国家最看重风洞的一点。

02

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

国内外研究历史现状

向上滑动阅览

2.1 国外研究现状

      说到国外研究现状,自然无法跳过当今的世界霸主美国的状况。

      根据1949年美国国会颁布的法案,美国国家风洞试验设备主要集中于建设NASA(美国国家航空航天局)和AEDC(阿诺德工程发展综合体)。进入21世纪之后,美国国家风洞试验设备已完成“去产能”工作,国家资源向国家的核心风洞集中,以提高其资金的利用率和风洞更新改造的科学化管理水平。例如,2017年美国NASA完成了对兰利、格林和艾姆斯三个研究中心的评估,掌握了共12座核心风洞设备的现状、可靠性和满足未来五年实验的能力,对设备管理数据库进行了更新,为风洞的科学管理奠定了良好的基础。

      近些年,世界最大的全尺寸风洞NFAC在经历了2003年的关停、2008年交付AEDC管理运营后,美国国防部对其进行了全面的升级工作,并于2017年由AEDC完成了安装27探头的巨大流场校测排架设计与加工的工作,并计划对风洞的流场品质与运行包线进行全面校测。AEDC的16T大型跨声速风洞完成了动力系统运行模式的改造,填补了原有的部分数据运行空白。兰利气动热力学实验室将气动加热测试成像软件程序再度升级。波音公司的BTWT大型跨声速风洞也设计加工了新的双转轴模型支撑系统。

      而不光美国,其他国家也在风洞研究上大下功夫,丝毫不肯弱后于人。

      法国的ONERA(法国国家航空航天研究院)原本就拥有配套的大型风洞试验设备,近些年来,法国国防部与民用航空局投资了巨额资金用于加大这些风洞设备的生机与改造。2017年,对欧洲三大战略风洞(S1MA、ETW和DNWLLF)之一的S1MA风洞进行了更新,用全新的材料替换了原有的老式风扇叶片,大大提高了试验的效率。

      由英、法、德、荷欧洲四国合建并运营的ETW风洞是当今世界上最先进的低温高雷诺数风洞。2014年4月,ETW发起了一个实现绿色飞机设计(GADE)风洞的升级改造计划,其目的是保持ETW风洞在世界上的领先地位。GADE计划将持续多年,2017年仍然在推进过程中,目前主要完成了监控与数据采集等的部分软件升级。

      ISRO(印度空间研究组织)也是不甘落后,VSSC(维拉克姆萨拉巴伊航天中心)自行设计与建设的1m尺寸高超声速风洞和1m尺寸激波风洞完成了调试运行。

      另外,国外的大学也有部分对于风洞建设的研究。如美国伊利诺伊大学就设计了一座250kW电弧加热超声速和高超声速燃烧风洞设备;南卫理公会大学(SMU)建设了0.3m亚声速风洞;美国空军与圣母玛利亚大学开始联合研制M6静音风洞,该风洞将建设在圣玛利亚大学的怀特流体研究设备室。

      可以看出,在经过上世纪大批量风洞的涌现之后,国外的风洞基本上已经达到了饱和,现在主要还是集中于对于原有风洞的改造升级。但这并不意味着国外风洞研究的滞后,反而使得各国能保持原来就占有的科研优势,甚至不断扩大。因此,对原先风洞领域研究领先的国家始终不能小觑。

2.2 国内研究现状

      风洞领域,中国的实力自然也是不容小觑,虽然起步较晚,但经过了四十余年筚路蓝缕艰苦奋斗,中国已经达到了世界的最高水平。

      从早期追随外国脚步的常规风洞到现今可以与各个大国“掰腕子”的特种风洞,从单一手段到三大手段融合,从仅能提供数据到引领型号创新与发展,中国空气动力研究与发展中心的科研能力在40多年的艰苦奋斗之后,可说是已经挤进世界前列。其科研实验新区有数十座现代化的风洞设备,承担了百余项国家级重点科研项目,突破了数十个关键难题。

      2010年5月,中国空气动力研究与发展中心开始了科研试验新区建设,到目前为止已经全面具备了风洞试验、数值计算和模型飞行等三大手段。而诸多风洞的情况涉及机密,我们只能知道这些默默无闻的风洞为我国载人航天、深空探测等提供了先进的地面试验手段,为飞行器和地面交通工具气动噪声的测试和评估提供了重要的技术支撑,也为我国展开稀薄气体动力学等学科领域的研究打下了坚实的基础。

      中国拥有的在世界上都颇具名声的风洞群有五座,分别是:中国空气动力研究与发展中心、西南交通大学XNJD-3风洞、吉林风洞实验室、长安大学风洞实验室和JF12高超声速复现风洞。十余年前,公布的部分绵阳风洞群的风洞就已经使得欧洲代表大为吃惊,因为其功率已经远超欧洲的普通风洞,可随着后面的公开我们才知道,我们展示的只是绵阳风洞群中最普通的风洞之一,最大的甚至能达到展示风洞功率的十倍。2018年,中国开始启动一个新的风洞项目,预计能达到10-25马赫的实验条件,有希望赶超此前美国最先进的风洞,努力实现风洞科研领域的超越。

      因此,虽然中国公开的风洞及具体内容并不多,我们依然可以从有限的报道和中国在航空航天工程的卓越成就中,推断出中国在风洞领域的成就也是走在世界最前列的,这点毋庸置疑。

2.3 国内外主要差距

      可以看出,中国在风洞的高精尖领域已经能够稳占一席之地,可以说在世界的最前列。但就目前而言,国外在风洞的设备更新与改进上更加常态化与科学化,这使得国外目前领先而且具有优势的风洞在未来很长的一段时间里依然能保持优势,甚至扩大优势。其次,国外的大学很多都拥有风洞试验中心,而这是国内所缺乏的,国内的风洞过于集中化,这不能很好地促进相关方面人才的发掘与培养。这两方面也是我们可以从国外风洞领域开展的工作吸取的经验。

      另一方面,风洞很大程度上依赖于发动机,但不得不承认,就如飞机的发动机一般,中国在这方面还没有能与世界强国相提并论的能力。但从另一方面说,假如说中国成功研制并改良出世界一流的发动机,那么毫无疑问,风洞的性能又将大大提升。这既是我们目前的不足,也可能是未来赶超的方向。

      并且,我们在为国家取得成就而自豪的同时,不得不清楚地意识到:风洞的各项记录的保持者,绝大多数还是美国。虽然我们已经属于世界的前列,但美国无疑是最顶尖的,美国长期积累的科研实力需要我们不断努力,毫不懈怠地去追赶,才能达到乃至超越。

03

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

未来发展趋势

风洞与风洞试验

向上滑动阅览

      风洞虽然拥有着如此重要的地位,可终究还是模拟实验,与实际飞行还是有很大的区别,所以自然有些不足,而克服这些不足,势必将成为未来的研究方向与发展趋势。

      一是边界效应(也称边界干扰)。风洞气流边界周围的流线是弯曲不规则的,而现实中的大气则没有边界,这使得风洞流场有别于真实飞行的流场,这迫使风洞做得更大,而模型做得更小,这又会影响实验的精确度。近些年,发展起了一种称为“自修正风洞”的技术,将风洞壁做成可调节的状况,从根本上消除边界干扰。但这种技术对于科技力量要求较高,要做到完全消除需要的成本目前还是太高,依然是未来的一个研究方向。

      二是支架干扰。实验中支撑模型的支架也会对流场产生干扰,虽然可以修正影响,但很难做到完全消除。近些年,发展起了一种称为“磁悬模型”的技术,产生可控磁场代替支架,让模型悬浮在气流中。但目前这种技术对于模型材料要求较高,这影响了试验成本,限制了试验适用范围,依然需要进一步的开发与研究。

      三是相似准则不能满足的影响。比如,如果要模拟高超音速的飞行器,那么风洞要能模拟超高音速的环境,而大部分的普通风洞都无法进行这种试验,这需要的是长期的工作发展与更新。如2018年我国规划的新型风洞,就预计能达到10-25马赫的实验条件,有希望赶超此前美国最先进的风洞,但科学永无止境,风洞性能的改善将一直是永恒的研究课题。

04

感想和建议

风洞与风洞试验

就我个人而言,我非常喜欢这门公选课。我原以为所谓的航空航天与兵器概论会是一门枯燥无味的半专业课,其内容将会十分的枯燥无味,充满学术气息。

      但令我十分惊讶的是,我们课堂的PPT制作十分精良,内容有趣充实,无疑能够雅俗共赏。既有国外先进或历史性突破的展现,也有对国内相关领域的呈现。在这里,我们能看到许多不算机密却冷门难寻的资料短片,能有专业老师的讲解,特别是写这篇报告时发现有部分资料竟然是由我们老师审核通过的,当时让我不小地吃了一惊。我相信,即便不是我们理工科的学生,任何对航空航天与兵器有所兴趣的同学都会觉得这门课十分的有趣与吸引人,可以说是一门生动有趣的科普课程,我也在学习过程中培养起了极大的学科兴趣,并且强化了自己在这一领域的基础知识理解。

      但是,作为一个大一的新生,我觉得涉及到专业公式的部分稍微有点多。这些专业公式连我们刚高考完的理科生都一知半解,要其他学院可能学文科的同学甚至特长生去理解的话太过困难,因为如果课程要如老师所愿,吸引其他学院的同学来学习的话,这些公式虽然不要求了解,但还是显得没有什么过多的学习价值,不像专业术语那么好理解。因此我建议可以省去专业的公式,这可以使得课程更加具有通识性。

另外,我觉得如果想吸引更多其他学院的同学前来学习并了解航空航天与兵器方面的知识,课程的名字可以选择更加生动有趣些。我觉得课程内容已经有足够的趣味性了,让任何一个大学生听懂都不成问题,缺的只是一个所谓吸引人的噱头。

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

End

风洞与风洞试验

作者:精工书院 杨智涵 1120193055

排版:朱化杰

风洞与风洞试验

风洞与风洞试验

By 多哈