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風洞是中國的一個科技名詞。

語言一發即逝,不留痕跡。當人類意識到需要把說出的話記下來時,就發明了文字[1]。在世界範圍內,曾經獨立形成的古老文字除我們的漢字外,還有埃及的聖書字、兩河流域的楔形文字、古印度的印章文字以及中美洲的瑪雅文[2]。後來,這些古老文字的命運各不相同,或因某種歷史原因而消亡,如瑪雅文;或因文字的根本變革而遭廢棄,如楔形文、聖書字,只漢字沿用至今,而且古今傳承的脈絡清晰可見,成了中華民族文化的良好載體。

名詞解釋

風洞(wind tunnel)即風洞實驗室,是以人工的方式產生並且控制氣流,用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況,並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備,它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一。

風洞實驗是飛行器研製工作中的一個不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天工程的研究和發展中起着重要作用,隨着工業空氣動力學的發展,在交通運輸、房屋建築、風能利用等領域更是不可或缺的。這種實驗方法,流動條件容易控制。實驗時,常將模型或實物固定在風洞中進行反覆吹風,通過測控儀器和設備取得實驗數據。

為使實驗結果準確,實驗時的流動必須與實際流動狀態相似,即必須滿足相似律的要求。但由於風洞尺寸和動力的限制,在一個風洞中同時模擬所有的相似參數是很困難的,通常是按所要研究的課題,選擇一些影響最大的相似參數進行模擬。

此外,風洞實驗段的流場品質,如氣流速度分布均勻度、平均氣流方向偏離風洞軸線的大小、沿風洞軸線方向的壓力梯度、截面溫度分布的均勻度、氣流的湍流度和噪聲級等必須符合一定的標準,並定期進行檢查測定。

結構

風洞主要由洞體、驅動系統和測量控制系統組成,各部分的形式因風洞類型而不同。

洞體

它有一個能對模型進行必要測量和觀察的實驗段。實驗段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。實驗段下游有降低流速、減少能量損失的擴壓段和將氣流引向風洞外的排出段或導回到風洞入口的回流段。有時為了降低風洞內外的噪聲,在穩定段和排氣口等處裝有消聲器。

驅動系統

驅動系統共有兩類。

一類是由可控電機組和由它帶動的風扇或軸流式壓縮機組成。風扇旋轉或壓縮機轉子轉動使氣流壓力增高來維持管道內穩定的流動。改變風扇的轉速或葉片安裝角,或改變對氣流的阻尼,可調節氣流的速度。直流電動機可由交直流電機組或可控硅整流設備供電。它的運轉時間長,運轉費用較低,多在低速風洞中使用。使用這類驅動系統的風洞稱連續式風洞,但隨着氣流速度增高所需的驅動功率急劇加大,例如產生跨聲速氣流每平方米實驗段面積所需功率約為4000千瓦,產生超聲速氣流則約為16000~40000千瓦。

另一類是用小功率的壓氣機事先將空氣增壓貯存在貯氣罐中,或用真空泵把與風洞出口管道相連的真空罐抽真空,實驗時快速開啟閥門,使高壓空氣直接或通過引射器進入洞體或由真空罐將空氣吸入洞體,因而有吹氣、引射、吸氣以及它們相互組合的各種形式。使用這種驅動系統的風洞稱為暫沖式風洞。暫沖式風洞建造周期短,投資少,一般雷諾數較高,它的工作時間可由幾秒到幾十秒,多用於跨聲速、超聲速和高超聲速風洞。對於實驗時間小於 1秒的脈衝風洞還可通過電弧加熱器或激波來提高實驗氣體的溫度,這樣能量消耗少,模擬參數高。

測量控制系統

其作用是按預定的實驗程序,控制各種閥門、活動部件、模型狀態和儀器儀表,並通過天平、壓力和溫度等傳感器,測量氣流參量、模型狀態和有關的物理量。隨着電子技術和計算機的發展,20世紀40年代後期開始,風洞測控系統,由早期利用簡陋儀器,通過手動和人工記錄,發展到採用電子液壓的控制系統、實時採集和處理的數據系統。

分類

風洞種類繁多,有不同的分類方法。按實驗段氣流速度大小來區分,可以分為低速、高速和高超聲速風洞。

參考文獻