走进风洞：风洞建起来有多难？它会被计算机CFD取代吗？

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我们接续上文，本文介绍风洞的建设和未来发展。

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建设难度有多大？

风洞建设不仅耗资巨大，而且施工难度极高。

• 以中国空气动力研究与发展中心的2.4米×2.4米跨声速风洞为例，建设耗费数十亿人民币的巨资，基础施工中需浇注8000多吨水泥，打入地下的水泥柱多达700多个，最粗的达33米，后期设备安装的难度也丝毫不亚于基础施工。

• 国际上，美国NASA艾姆斯研究中心的36米×24米低速风洞造价高达2.22亿美元。美国1968年建设的一个大型风洞就耗费了5.5亿美元。荷兰与德国联合研发的DNW低速风洞造价也达6300万美元。

建造高超音速风洞的难点更在于技术不足与造价高昂的双重门槛。目前全球仅美国、中国、俄罗斯、法国、荷兰、德国等少数国家具备建造高超音速风洞的能力。

风洞运行同样是耗电超级大户。以美国艾姆斯巨型低速风洞为例，电机总功率为10万千瓦，开机一小时就是10万度电。有些大型风洞甚至要专门配备发电站。

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国际著名风洞设施

• 美国：NASA拥有全球最完善的风洞体系。1929年，美国国家航空咨询委员会（NACA，NASA前身）批准在兰利研究中心建造 “全尺寸风洞” （Full-Scale Tunnel），绰号——“风洞洞穴” （Cave of the Winds），1931年5月27日正式启用。测试段尺寸达30英尺高、60英尺宽，整座建筑长434英尺、宽222英尺，占地超过两英亩，是当时全世界最大的风洞。它第一次实现了对全尺寸真实飞机的直接测试。二战期间，这座风洞几乎24小时不间断运转，P-51“野马”、P-47“雷电”等经典机型都曾在此完成测试。此后近70年里，它还参与了“水星”飞船、阿波罗登月计划、航天飞机等关键项目的测试。1985年被列为美国国家历史地标，2011年最终拆除。

• 俄罗斯：茹科夫斯基中央空气流体力学研究院（TsAGI）成立于1918年12月，由列宁批准建立。该机构拥有欧洲最大的亚声速风洞，于1939年8月15日投入使用。其装备的亚跨音速大风洞T-128可帮助研究飞行器和导弹的模型。研究所内各种风洞种类齐全，最大的风洞工作面宽度和高度分别为24米和14米，可供真实战机在风洞内进行测试。

• 欧洲：荷兰与德国联合成立的DNW（German-Dutch Wind Tunnels）运营着6座风洞设施，涵盖亚音速、跨音速和超音速测试能力。欧洲跨声速风洞（ETW）由法国、德国、英国和荷兰四国共同运营，位于科隆，是全球领先的可在真实飞行条件下测试飞机的风洞。法国ONERA在莫达讷、勒福加-莫扎克和萨克雷等地也拥有多座风洞设施。

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中国风洞：从无到有，亚洲第一

我国航空工业起步很晚，自然风洞建设很晚，但是发展迅速。

• 1958年，中国风洞建设真正起步。1968年，由钱学森、郭永怀等科学泰斗规划，聂荣臻推动，毛主席批准，中国空气动力研究与发展中心在川西北组建。历经数十年建设，中心现拥有50余座配套的低速、高速、超高速气动力和气动热试验设备。风洞群总体规模亚洲第一、世界第三。

• 1997年12月21日，国家重点工程、亚洲最大的跨声速风洞建成并成功通气试车。风洞主体结构长66米，宽33米，试验段截面2.4米×2.4米，为亚洲之最，标志着我国跨声速空气动力研究试验能力跨入了世界先进行列。跨声速空气动力研究是航空航天飞行器研制中最复杂、最困难的问题之一，此前只有少数发达国家掌握了设计和制造大型跨声速风洞的技术。

• 中国还拥有世界级的高超声速风洞。JF-12复现高超声速飞行条件激波风洞由中国科学院力学研究所研制，风洞总长265米，喷管出口直径2.5米，实验舱直径3.5米。可复现飞行高度25-50公里、飞行马赫数5-9的飞行条件。JF-12实现了风洞实验状态从 “模拟”到“复现”的跨越，是国际唯一可复现高超声速飞行条件的激波风洞。与JF-22超高速风洞一起，我国成为世界唯一具有能够开展全速域和空域地面试验的超大型高超声速试验装备的国家。

此外，中国还建成了亚洲首座大型结冰风洞以及背景噪声仅75.6分贝的航空声学风洞，不再多说。

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无人机浪潮下的风洞新生态

随着无人机产业的爆发式增长，风洞的应用场景正在被极大拓展。传统大型风洞资源有限，排期紧张，一批专门面向中小型无人机的风洞设施应运而生。

• 2024年9月，全球首个面向低空经济的低空三维多物理场耦合引导风洞在深圳龙华投用，由电子科技大学（深圳）高等研究院研发，81台风机组成，最高风速60米/秒，首次实现X-Y-Z三向速度场精准控制，可复现城市峡谷风场、风切变、下击暴流等复杂环境。

• 2025年7月，国内首个专注低空飞行器气动研究的复合型风洞在广州南沙落成，全长47米，试验段4.5米×3.5米，风速5-50米/秒（最高15级风），将试验排期从一年缩短至3-4个月，成本下降约一半。

• 2026年3-4月，长三角首个室内中小型无人机抗风验证平台——矩阵式直流风洞在南京投运，风速0-25m/s（最高10级风），架空设计高度10米，符合GB 42590-2023及GB/T 38930-2020标准，有效破解了此前“追风跑”“躲风测”的尴尬。

这些设施正将风洞技术从“大国重器”推向更广泛的产业应用场景。

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风洞的局限

风洞固然重要，尤其在各类验证场景，但是其应用并非万能，主要局限包括：

• 缩比问题（雷诺数效应）：由于风洞尺寸限制，通常使用缩比模型进行试验。但缩比模型难以完全还原真实尺寸下的所有物理现象，风洞试验的雷诺数模拟不足，会导致飞机焦点、最大升力系数和阻力系数等气动参数预测不准。

• 壁面干扰与支架干扰：风洞壁面会影响气流，带来测量偏差。此外，需要用支架把模型支撑在气流中，支架的存在也会产生对模型流场的干扰。

• 成本高且耗时：建设和运营费用极其昂贵。一次风洞测试的费用可高达数百万元。

• 难以精确模拟某些复杂流动：同时满足所有相似参数非常困难。

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十一、风洞是否已被模拟仿真替代？

答案是否定的。

CFD（计算流体力学）数值模拟发展迅速，在飞机气动外形设计阶段已广泛使用，当然只要涉及到流体，都可广泛应用。虽然数字科技发展迅速，甚至AI已经广泛赋能，但风洞试验至今不可替代。

根据欧洲规范EN 1991-1-4，数值模拟可以作为风洞试验的补充，但前提是经过证明和/或适当验证。CFD与风洞试验的关系是互补而非替代。两者的互补整合包括四种形式：（1）用风洞数据验证CFD结果；（2）通过实验反馈改进CFD模型；（3）跨时空尺度的互补；（4）用CFD优化风洞试验设计。

2026年NASA依然花费5700万美元新建实体风洞的事实，就是最有力的证明——在超级计算机与CFD技术突飞猛进的几十年里，实体风洞依然不可或缺。

风洞试验提供扎实的实证数据，CFD模拟提供灵活探索各种流动条件和设计调整的灵活性。只有经过验证的CFD模拟才能作为传统风洞测试的可靠补充。两者相辅相成，共同推动着人类飞向天空、冲向宇宙的每一步。

而今天，当无人机在城市楼宇间穿梭、在复杂风场中飞行时，风洞——从百年前韦纳姆的木质管道到如今遍布全国的低空风洞矩阵——依然在地面上为每一次飞行“吹”出安全与可靠。

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