认识风洞：原理、分类与意义||风洞到底是什么？它能做什么？

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什么是风洞？

风洞（wind tunnel），即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

NASA曾给过一个很接地气的定义：风洞是内部有空气流动的大管子。没错，风洞就是一根能让空气流动起来的“大管子”。飞行器在天上飞，气流相对于飞行器高速流过；在风洞里，飞行器模型固定不动，让人工制造的气流吹过它——相当于把坐标系“绑”在飞行器上，观察起来更直观、测量起来更准确。

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风洞的构成与工作原理

风洞主要由洞体、驱动系统和测控系统三大部分构成。洞体前部是形成定向和均匀气流的稳定段以及对气流起加速作用的收缩管（喷管），中部为对物体开展观察和测量工作的实验段，后部是可降低气流速度、减少风能损失的扩压段以及向外排出气流的排流段（闭口回流式风洞则为将气流导回入口的回流段）。

风洞实验的理论基础是流动相似原理。实验时通常使用缩比模型，要使模型周围的流动与真实飞行器周围的流动相似，需要满足几何相似、运动相似和动力相似等条件。但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的。

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风洞的历史：从韦纳姆到莱特兄弟

世界上公认的第一个风洞由英国人弗朗西斯·赫伯特·韦纳姆（Francis Herbert Wenham）和约翰·布朗宁于1871年设计建造。其目的是为了测量物体与空气相对运动所受到的阻力。

1901年，莱特兄弟为研究飞机及获得正确的飞行资料，建造了一个风洞进行测试。此后又在1902年利用风洞进行了200多个机翼模型（也有说60多个）的测试，根据测试结果改进了飞机设计，为1903年人类第一次动力飞行奠定了坚实基础。莱特兄弟1901年建造的风洞截面40.6厘米×40.6厘米，长1.8米，气流速度40～56.3千米/小时。

1907年，德国成立了“哥廷根空气动力试验院”。风洞的大量出现是在20世纪中叶（二战催演），随着航空事业的飞速发展，各国纷纷建设各种类型的风洞设施。

回看航空史的开端——你很难想象20世纪的前几年，那些先驱者对待飞行的态度，既不缺少冒险的勇气，也从未放弃过专业、科学的审慎。

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风洞怎么分类？

风洞种类繁多，按不同标准有多种分类方式。

• 按气流速度（马赫数Ma）分类：

• • 低速风洞（Ma＜0.3） ：气流密度几乎无变化，用于飞机起降、汽车、建筑、桥梁等试验

• 亚音速风洞（0.3＜Ma＜0.8） ：气流密度在流动中已有变化

• • 跨音速风洞（0.8＜Ma＜1.2） ：航空飞行器试验的关键区间

  • 超音速风洞（1.2＜Ma＜5） ：用于各类航空飞行器

  • 高超音速风洞（Ma≥5） ：用于航天飞行器、弹道导弹等

• 按洞身结构可分为直流式（埃菲尔型）和回流式（普朗特型）。回流式风洞首尾相接形成封闭回路，既节省能量又不受外界干扰。

• 按运行模式可分为连续式（可长时间运行）和暂冲式（运行时间仅数秒至数分钟）。

• 此外还有特种风洞，如航空声学风洞（用于降噪研究）、结冰风洞（用于防除冰技术研究）、高温电弧风洞（用于模拟火箭飞行或高超声速飞行器飞行）等。

随着无人机产业的迅猛发展，专门针对中小型无人机的风洞设施也大量涌现。例如，武汉理工大学低空风环境实验室建有一套环绕式风洞，分为大小两个试验段：小风洞试验段体积达3米×3.5米×21米，可吹出35米/秒的风速，相当于12级台风；大风洞试验段更为庞大，达到8米×3米×21米，可吹出15米/秒的风速，能够满足翼展8米以下、高度3米以下的各类飞行器气动测试需求。

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为什么风洞如此重要？

科学界流传着一句话：“有什么样的风洞，才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹。”

风洞被喻为 “飞行器的摇篮” 。飞机、导弹、火箭等飞行器在首飞之前，需要进行成千上万次风洞实验。风洞提供不同流速、不同密度、不同温度等飞行环境，模拟飞行器的真实飞行状态，确定飞行器的气动布局并评估其气动性能。

风洞试验的工作量极为惊人。据报道，20世纪50年代美国B-52型轰炸机的研制，曾进行了约10000小时的风洞实验；80年代第一架航天飞机的研制，则进行了约100000小时的风洞实验。

风洞的应用早已超越航空航天。从飞机到飞船，从火箭到导弹，从汽车到高铁，从大桥到高楼，从体育到军事……风洞实验无处不在。城市中的摩天大楼、跨海大桥、风力发电机叶片，乃至运送人员的汽车、船舶、高速列车，在建造或制造过程中大都需经历风洞试验。2022年北京冬奥会，中国还为跳台滑雪运动员量身打造了体育专用风洞。

在国防军事领域，风洞更是核心设备之一。战斗机、航天器、舰艇、火箭、导弹等尖端武器，要求运动速度更快、机动能力更好、静音水平更高，它们所面临的气动环境要复杂严酷得多，必须利用风洞模拟各种气流和风力来进行试验。

每一代风洞技术都决定了相应飞行器的研制水平，彰显了一个国家的科研实力。可以说，风洞是推动航空航天飞行器发展的国家重器。

篇幅关系，先说这些，后一篇说说风洞建设、存在局限、潜在的替代与未来发展等。

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