郑玉麟

一般风洞的工作原理和它的构造

风洞是一个管道，用电动机带动风扇旋转，在管道中产生人造风。它是利用相对运动的原理，来研究空气和物体作相对运动时所产生的力。

当飞机在静止的空气中以前进速度V运动时，就会产生空气阻力R(见图2a)。这R力的大小决定于飞机相对于空气位移的速度V。如果使飞机固定不动，并相对地使空气以同样的速度流过飞机(见图26)，则我们也可得到同样的相对速度，所以，这样所得的阻力也和上述情况是同样的。这样的方法叫做转换运动。利用这种方法在空气动力学中建立了相对运动的原理：即空气动力的大小、方向与作用点不决定于气流流过飞机或者是空气静止而飞机在运动，而是仅仅决定于相互间的相对速度的大小与方向。

图2说明相对运动的原理

a)—飞机以速度V在静止空气中运动

b)—飞机静止，空气流速为V

相对运动原理，在空气动力学方面，有着极其重大的意义，使我们不必飞行就可能进行空气动力研究。在实验室内，可将飞机固定在风洞中，在风洞里造成具有需要速度的气流。用飞机固定在气流中的方法去研究决定空气动力的大小，进行必要的测定，比较飞机在空气中运动的情况要简单得多。下面我们来介绍一般风洞的构造：

图3所示为直流式风洞示意图。空气由风扇1吸入风洞，风扇由直流电动机2带动旋转。气流速度可以用调节电动机转数来改变。风洞前端入口部分3叫做收敛段，可使气流均匀地加速，并保证流进实验段时，速度也很均匀。空气由收敛段流入安装实验模型的实验段4，要求在此段中的流速和压力分布都很均匀。然后空气流入风洞的扩散段5，安装扩散段的目的，主要为了减少气流的能量损失。在实验段的入口处装有整流格6，它的功用是引直气流的方向，并且把气流中的大旋涡分割成很多小旋涡，使风洞紊流度更减小。(注：紊流度是流体紊乱的程度)

图4为单回流式风洞的示意图。由风扇吸进风洞的空气，不会像在直流式风洞里那样要跑进安装风洞的屋子，而是流入回流道，因此产生连续的循回气流。如果试验段尺寸相同，电动机功率也相同，则回流式实验段里的流速将比直流式里的流速要大。

图3直流式风洞示意图

图5为双回流道的回流式风洞示意图。为了使能量损耗降低，回流道拐弯处装有导流片，它的剖面与翼剖面很相似，可免除气流拐弯时产生分离。

按照实验段的构造，风洞还可以分成开口式实验段风洞和闭口式实验段风洞。开口式风洞实验段里，气流略经扩散与四周空气相接触，并因摩擦而扰动额外的空气。所以扩散段入口处的直径，应比收缩段的直径略大。同时，由于在开口实验段里空气对空气产生摩擦，速压损失较大，如果两个尺寸相同而只是实验段构造不同的风洞，在同一电动机功率下，开口式风洞的流速将远比闭口式的流速为低。可是，开口式实验段风洞在使用方面有较大的优点，例如，便于安装模型，便于观测等等，因此，仍被广泛采用。图6所示为开口双回流式风洞的示意图。

图4单回流道的回流式风洞示意图

图5双回流道的回流式风洞示意图

图6开口双回流道式风洞示意图

现代一般低速风洞实验段的截面形状有圆形、椭圆形或八角形，旧式的也有时作成正方形或长方形。最初的风洞，尺寸都不大，并且它的速度也不大，而且用以测量空气动力的仪表也很简陋。近三十年来，风洞实验研究技术已大为发展。也有供真实飞机实验用的巨型风洞，叫做全尺寸风洞或者实物风洞。这种风洞可以得到较大的雷诺数。

高速风洞的工作原理和它的构造

高速风洞可分为高亚音速风洞与超音速风洞两类。这些风洞是为了研究马赫数〔即M数=V(气流速度)/a(音速)〕对空气动力特性的影响。随着航空科学的发展，飞行器的速度增加，超音速风洞的M数有高达5或6甚至10以上的。

亚音速和超音速风洞，都有持续式和短暂式两种。持续式风洞的工作原理在构造上与普通低速风洞的差别不大。通常是用多级增压器来使这种风洞里的气流流动。增压器装于扩散器的一端，或者装在回流道里。

图7与图8所示为超音速风洞与高亚音速风洞。在超音速风洞里，拉瓦尔管必须在实验段之前，气流在拉瓦尔管的临界剖面上达到音速之后，才往后扩散，而在流入实验段时，就已经超过音速了。(注：拉瓦尔管：是一个匀称的喷管，其中气体按绝热定律膨胀并流动。喷管则与内部保持着高压的容器相连。)

由于这些风洞的气流速度要求很高，为产生气流所需的功率就很大，要在巨型风洞里造成超音速流或是高亚音速流，都必须消耗上万匹马力；因此，这些风洞所采用的尺寸，往往是比较小的。

高速风洞连续工作时间如果太久，由于空气对洞壁的摩擦，温度将迅速升高，因此，在所有持续式高速风洞里，都在回流道或入口收缩段的宽大部分，装有散热器。它也起整流栅的作用。

短暂式风洞比持续风洞要简单得多。这种风洞近来已广泛采用。按其工作原理，可分为三种类型：喷射式，真空式和蓄压式。

图7持续式超音速风洞示意图

图8持续式高亚音速风洞示意图

喷射式风洞的原理如图9所示。

来自储气瓶的空气，在高压下喷入位于风洞实验段后面的喷射室。喷射室呈环形，室内有作成拉瓦尔管剖面形状的缝隙，以保证空气以超音速由喷射室喷出，流入风洞的扩散段带动风洞里原有的空气，于是空气就由收缩段吸入风洞，造成实验段里的高速气流。为使流入风洞的空气干燥，通常在收缩段前面装一干燥器。这种风洞的连续使用时间随储气瓶的容量及其中压力而定。通常使用时间虽然只有0.5～3分钟左右，但在自动天秤系上测量读数，这点时间已经足够了。喷射式风洞通常是亚音速的。可是，如在入口收缩段与实验段之间装备代用拉瓦尔喷管或改型衬管，也可以得到超音速，这便是跨音速风洞。

真空式风洞的原理如图10所示。系由巨型空桶与风洞相连结而成，由风洞的扩散器通进空桶。开动风洞以前，将风洞通到空桶的孔道堵塞，再用真空泵从空桶中抽吸空气。要使空桶里的压力尽可能趋近于零。如将带空桶的风洞顶头上的孔眼开启，则大气里的空气即经过风洞流入空桶。在流过收缩段和界于收缩段与实验段之间的拉瓦尔管之后，实验段里的空气就获得超音速流。这超音速流可能需要某一段时间才得稳定，其长短随空桶和风洞实验段的尺寸而定。

图9短暂喷射式风洞示意图

图10真空式高速风洞示意图

图11由高压蓄压筒开动的超音速风洞示意图

蓄压式风洞的作用原理如图11所示，系由电动机2带动的压气机1将空气打进蓄压筒组3，空气便在高压下在这筒组里储蓄。压气瓶与蓄压筒之间装有滑油分离器4。空气由蓄压筒经起动调节开关5流入贮气筒6。这是一个大空筒，其中空气压力已降低到获得适当M数所必需的数值。空气由贮气筒经宽阔管道7进入前室8，由此经可拆换的拉瓦尔管9开始流入大气，得到超音速流。

这些短暂式风洞和持续式风洞比起来是比较不方便的，可是由于它们简单而且价廉，还是得到广泛的应用。

不论在低速或是高速风洞里，在对气流所流过的物体，用实验方法来决定空气动力特性时，都需要用很多精确和完善的仪器设备。这些仪表设备中最主要和通用的有：用来测量空气动力和力矩的天秤系；用来测量压力分布的压力感受器等。

在党的正确领导下，几年来，祖国的航空工业已经有了很大的成绩，新型的航空工厂已经生产出现代化的喷气式飞机和发动机。目前，在社会主义总路线的光辉照耀下，航空工业的发展也像其他工业农业一样，正在飞跃的前进。许多学校和工厂都在自己设计和制造飞机，在教育、生产、设计与研究等四结合的方针下，不论是在学校、工厂、设计室或者研究院都在建立很多完善的实验室和各种新式的风洞设备，来为航空工业的教学、设计、生产与研究的跃进而服务。