|
风洞作为每一个流体力学从业者都无法绕开的话题，几乎见证了现代流体力学的发展。那么，风洞究竟是何物？又是如何诞生的呢？ NASA官网上对风洞有个接地气的定义：风洞是内部有空气流动的大管子。达·芬奇和牛顿都曾经思考过怎么去评估飞行物体的受力，他们认识到，要么以所需的速度在空气中移动测试模型，要么将空气吹过固定的模型。而风洞显然属于后者。 ; e; \7 \# l$ N0 e9 Q% Y
01 风洞之前 在科学启蒙的时代，为了测试飞行物体的性能，科学家们不得不去寻找相对稳定的自然风源——人们把模型安装在山顶或者有风的山谷中。不过变化无常的自然环境最终迫使实验者转向各种机械方案，尝试在静止的空气中移动模型。 于是，人们自然联想到了投石索，通过旋臂来高速移动模型。1746年，英国数学家本杰明·罗宾斯通过旋臂测试，证明了空气阻力是弹丸飞行的关键因素。他的仪器如下图所示，由一个重物带动转鼓，提供了稳定的旋转速度。
这种简易的设置一直到19世纪末仍在被使用。当然，它的缺陷也非常明显——悬臂本身使得大范围的空气都处于旋转运动状态，更糟糕的是，悬臂末端的物体实际上一直在自己的尾流中飞行。由于装置本身就产生了大量的湍流，实验人员无法确定模型与空气之间的真实相对速度。此外，当模型高速旋转时，安装仪器并测量施加在模型上的力非常困难。 当然，物体的运动除了旋转还有平移。1904 年，法国军官兼航空工程师费迪南德·费伯制造了下图的装置，利用重力效应将飞机模型固定在绳索滑车上向下移动。不过这种设备的使用条件也相当有限，且难以测量模型受力。
那时的人们因为受困于空气的不可控，思路都集中在了如何让物体运动起来，然而物体运动总是会产生诸多不便。总之，如果你是那时的工程师，大概率会感叹一声：We need something better。 02 最初的风洞 空气动力学家眼中的“something better”便是风洞。它由一个封闭的通道组成，空气由风扇或其它方式驱动并流经此通道。风洞的核心是测试段，通过一个控制机构将物体支撑起来，模型的空气动力学特性及其流场则通过支撑由天平和其它测试仪器进行测量。风洞具有强大的受控测试能力，使得旋臂测试设备很快就过时了。测量在气流中保持静止的模型如此简便，从而开启了空气动力学研究的新纪元。
英国航空学会的一名理事会成员Frank H. Wenham，在 1871 年设计并操作了一个风洞，被普遍认为是世界上第一个真正意义上的风洞，不过由于年代太过久远，这条风洞的模型已然消失在历史的长河中了。而美国国家航空航天博物馆则保存了 1901 年莱特兄弟风洞的复制品。
莱特兄弟的风洞除了看起来有点不太牢靠以外，还有一个非常明显的错误——他们把风扇安装在了风洞的上游，这将对测试段的气流带来很大的干扰。 03 风洞的成型 虽然美国的莱特兄弟占据着飞机发明者的美名，不过随着一战的到来，世界航空业的重心很快便转移到了欧洲。各国中央政府资助的航空实验室在英国、法国、德国、意大利和俄罗斯等地兴起，这当然也包括风洞。不得不说，现代风洞的许多基础技术都是在欧洲奠定的。 1908年，在德国哥廷根，著名的空气动力学家路德维希·普朗特指导建造了世界上第一个连续回路风洞。普朗特的风洞使用管道连接了风洞的出口和入口，并在关键的位置安装导向叶片、纱网和蜂窝来获得均匀和安静的来流。有了风洞以后，普朗特便愉快地测试了各种翼型、流线型机身和飞机部件，并首次测量了旋转螺旋桨叶片上的压力分布。普朗特的风洞由于气流品质更稳定并更节省能源，很快便成为许多研究者模仿的标准。
在法国，以铁塔闻名的古斯塔夫·埃菲尔 (Gustave Eiffel) 用个人资金建造了私人空气动力学实验室。世人皆知埃菲尔是个建筑大师和结构专家，不过大神们都是那么精力无限，他对空气动力学也很感兴趣，甚至经常高空抛物——从塔上扔下各种形状的物体来测试空气阻力。或许他建造埃菲尔铁塔也有那么一点小心思。 1909 年，埃菲尔在铁塔脚下的战神广场上，建造了第一个开放式风洞。该风洞直径为 1.5 米，由一台 50 千瓦的电动机提供动力，并加装了扩散器以降低电力消耗。气流通过喷嘴以高达每秒 20 米的速度进入测试部分，并通过建筑内部的开放空间返回喷嘴。埃菲尔在这个设施中进行了 4000 多次测试，不过几年后，法国政府嫌他占地方太大，就把战神广场回收了。于是心有不甘的埃菲尔便又建造了更大且风速更高的第二代风洞。
虽然没有哥廷根式风洞那么风靡世界，埃菲尔的风洞也有其独特的优势，其结构简单且压力稳定，也被不少研究者采用，因此其与哥廷根式风洞并称为两大主要的风洞类型。 当然，另外两个欧洲大国也不甘示弱，英国和俄罗斯也在20世纪初期建立了自己的风洞。1903 年，托马斯·斯坦顿开始在英国建造风洞，并于 1912 年首次亮相，号称其风洞拥有“世界上最稳定的空气动力流”。俄罗斯第一个重要的风洞则是由杰出的科学家 D. Riabouchinsky 于 1904 年建造的，他用自己的资金在离莫斯科不远的库奇诺建造了一个完整的空气动力学实验室。其风洞测试部分直径为 1.2 米，并装备了一个圆柱形罩，用于校准和消除气流中的湍流。 04 发展与追逐 一战结束后，NASA的前身——美国国家航空咨询委员会 (NACA)，向国会提交的第一份年度报告中，清晰的描述了未来的技术发展趋势：航空业在一战中取得了如此迅速的进步，以至于战争结束后，将会有大量的不同种类的飞机和训练有素的人员，这将迅速使得航空业进入商业领域。 他们于1920年建造了 NACA 1 号风洞 ，这是一个低速风洞，相比欧洲的风洞看起来简陋了许多，也没有回流回路。由于从该风洞中获得的数据不够现实，无法用于飞机设计，因此一号风洞只能被称为一个学习的工具。
不过这只是开始，NACA的风洞建设马不停蹄。1921 年，全世界已经建造了超过 20 个风洞，但所有大型风洞都在正常大气压下运行。这意味着在风洞中使用比例模型获得的实验结果值得商榷，因为雷诺数等无量纲数与全尺寸飞机实际飞行中的参数无法匹配。 1921 年 6月，NACA大胆决定建造一个可以改变气压的风洞，这便是兰利实验室的可变密度风洞 (VDT)。1923 年 3 月，VDT 开始运行，并很快成为高雷诺数下空气动力学数据的主要来源。它测试了各种各样的飞机模型，从笨重的齐柏林飞艇到军用飞机。
航空专业的小伙伴们可能对VDT的另一重要贡献更加熟悉。1933 年，NACA发布了一份重要的技术报告，提供了 78 个相关翼型截面的空气动力学数据。与 NACA 的许多研究一样，这份相当枯燥、但技术含量很高的报告提供了完备的翼型信息，是科研人员的福音，并最终带来了成功的飞机设计——DC-3 运输机、B-17 运输机以及著名的 P-38战斗机，后者在二战中成为日本零式战机的主要对手。 05 超声速风洞 直到 1932 年，NACA 的风洞都是亚音速的。1927 年 Joseph S. Ames 成为 NACA 的主席后，决定优先考虑高速风洞尤其是跨音速和超音速研究能力的发展。 1939 年，基于其最新的 24 英寸高速风洞，NACA 为美国航空业提供了一系列新型高速机翼的空气动力学数据。这些翼型很快就进化出了高速飞机的螺旋桨，这些螺旋桨为时速 500 英里的美国战斗机提供动力，而这些战斗机在二战中发挥了巨大作用。
战争极大的刺激了航空业的发展。二战期间，德国已将其航空研究设施增加了十倍，并且拥有五个研究中心。然而建造大型高速风洞仍不容易——驱动风洞所需的功率和风速的三次方成正比。德国工程师则想到了另外的办法，他们在山洞中建造了大型储气室替代了驱动风扇。到战争结束时，德国至少拥有三个不同的超音速风洞，其中一个能够产生 4.4 马赫的超声速气流。 NACA 的研究也不甘落后。到第二次世界大战结束时，美国已经建造了 8 个新风洞，其中世界上最大的风洞位于加利福尼亚州桑尼维尔附近的 Moffett Field，能够以 250 mph 的速度测试全尺寸飞机。位于俄亥俄州赖特机场附近的垂直风洞，则用于测试直升机及其旋翼性能。
06 技术的更迭 二战之后，技术转移和商用化又进入了一个高峰期，其中最具代表性的则为S1MA风洞。该风洞在二战期间由德国工程师在奥地利阿尔卑斯山开始建设，后被认定为战争补偿转移到法国。该风洞于1952年开始使用，它由一对对转风机驱动，功率高达88兆瓦，比戴高乐号航母还要高。其测试段直径为8米，最大风速可达1马赫。
该风洞承担了大量的商用飞机开发和验证工作，至今仍是世界上最重要的风洞之一。同S1MA一样，二战结束后仍有许多风洞在服役，甚至像埃菲尔风洞这样的老古董，也在建筑领域发挥着余热。 不过还有更多的风洞都在二战结束20年内逐步退出了历史舞台，取而代之的是能耗更低、更适合垂直领域商业化用途的风洞，如S4MA航天器风洞，Capua结冰风洞，S2A汽车风洞等等。 07 汽车风洞 大约从 1960 年代起，随着人们对汽车低能耗和操控稳定性的追求，空气动力学在汽车开发中占据的地位也越来越重要，风洞测试技术也逐步从航空向汽车转移。 而汽车和飞机在几何外形和运行工况上有着巨大的差异，比如汽车会产生更明显的堵塞甚至尾流扭曲、具有地面效应、更复杂的湍流来流等等，使得人们越来越考虑建造专用的汽车风洞。
犹如战争年代的航空技术风洞，和平年代的汽车风洞便如雨后春笋般冒了出来，时至今日已有大量的全尺寸汽车风洞正在夜以继日的运行，不仅包括气动声学风洞，还包括环境风洞等等。 结语 作为空气动力学发展最重要的助力器与见证者，风洞测试技术催生了大量的技术迭代与革新，并服务于众多行业的产品研发。而随着计算流体力学的兴起，数值风洞也成为空气动力学研究的重要手段。新时代下，数值方法和物理风洞能碰撞出什么样的火花呢？敬请期待“从物理风洞到数值风洞的数字孪生”。
5 a8 k$ |) d6 Y/ o" r0 A# V- z, \6 P# u/ z Q4 |0 Q @
| 
