风洞

什么叫做实验空气动力学？它的发展情况怎样？

空气动力学是非固体力学里面的一部分，是研究气体的运动、以及气体和在气体中运动的固体之间相互作用的一门科学。它也和其他任何一门自然科学一样，同时向着理论和实验两个方向发展。

当一架飞机在空气中飞行时，飞机上会产生空气阻力。飞机需要克服这个阻力，才能继续飞行。这种飞机和空气相互运动时所产生的阻力的大小和方向，决定于围绕飞机的全部空气流型。如果要用理论方法得到准确的解答是有很大困难的。所以，为了求得这类空气动力的大小和方向，常常利用实验空气动力学的方法。

理论空气动力学，基本上是应用数学和应用力学。力求深入研究现象的本质，深入现象的内在规律性，以及深入现象发展的原因。为了便于在数学上进行分析研究，它就只研究包含实际现象的主要方面的简化了的物理形态。而实验空气动力学则是研究这个复杂现象本身所具有的物理特性。

在过去几十年中，世界各国的空气动力学家们，应用理论研究的方法已经得出很多宝贵的结论，如机翼升力理论，附面层理论等，对航空工程起着很大的推动作用；但在实际问题中，还有很多复杂现象，如飞机各部分相互干扰，跨音速流动等，即使经过简化后，还不一定能够加以理论分析，或则所得的一些理论结果与实际相差太远，不合实用。于是必须依靠很多实验结果来解决实际问题。

实验空气动力学发展以来，虽然时间不长，但已达到相当完善的程度。进行实验的方法有许多种：或是气流流过不动的物体，如利用自然风及风洞等；或是物体在不动的媒质中运动，如自由落体法，空气动力车及旋臂机等。这些实验方法，除了风洞以外，都是简陋或极不完善的。它们曾被用于实验空气动力学发展的初期。

世界上第一个风洞出现于上世纪的九十年代(1897年)，是由苏联伟大科学家乔尔可夫斯基建立的。1902年儒考夫斯基在莫斯科大学又建成了一个具有75×75厘米正方形剖面的风洞，获得每秒9公尺的流速。接着就开始了广泛系统的空气动力学研究。以后，在儒考夫斯基的领导下，库奇诺气动力研究院，莫斯科大学和莫斯科高等技术学校等都先后建成很多相当大的和完善的风洞。伟大的十月社会主义革命后，苏联共产党和苏维埃政府在开展空气动力学研究方面，给了最大的关怀和支持，拨了巨大的资金，于1918年建立了中央流体动力研究院，它拥有世界上头等的实验室和完善的风洞。四十年来，风洞已成为空气动力学实验研究的不可缺少的重要工具。

风洞在航空工业的发展上有什么作用

风洞设备应用的范围很广，可以根据风洞实验，来选择阻力最小的火车、汽车等交通工具的外形；来改进工厂厂房的通风设备；来改进气动机械装备的效能。当然，最重要的在于促进航空科学和工业的发展。

风洞实验证明，空气作用于飞机的空气动力与空气密度、飞机迎面气流速度的平方、飞机的几何尺寸，外形以及它在气流中的姿态有关。在定态平飞时，升力Y平衡了飞机的重量G，而迎面阻力Q则为拉力P所平衡(见图1)。

图1定态平飞

由于迎面阻力与速度的平方成比例；同时水平飞行所需用的功率则与速度的立方成比例。可见飞机空气动力方面的改善，在提高飞机飞行速度方面所起作用的巨大。

我们来比较一下，飞机发动机功率随其飞行速度而增高的情况：

年代功率(马力)速度(公里/小时)1920～1927250～400180～2401938～1941800～1200 600～7001942－19482500～3000900～10001949－19565000～90001200～1800

比较1927和1956，最大飞行速度增加约十倍。如果只靠提高功率来求得速度的增长，那就必须把功率增加到1000倍。事实上，发动机功率只增加了几十倍。十分明显，这主要的是由于飞机的空气动力外形的改善。飞机空气动力外形的改善，正是由于庞大的空气动力研究院和风洞实验室迅速发展的结果。

譬如我们设计一架飞机，在进行总体安排时，必须做好空气动力布局工作。根据所选的机翼、机身、尾翼等气动特性数据，进行气动计算和结构强度计算。也就是必须知道：飞机在飞行中要受到那些空气动力和力矩作用，以及这些力是怎样沿着飞机各部的表面分布的。这些气动特性数据主要都需要根据风洞实验的结果。同时也需要根据初步设计的飞机几何形状做好模型，进行风洞实验，来验证已估计的气动性能与稳定性等数值。对于飞机设计的结构强度计算，必须根据飞机各部分的压力分布与气动载荷等数据来进行设计的计算，这些压力分布与气动载荷等数据的求得，主要也是依靠风洞实验。所以，进行一架新型飞机的设计与计算工作，必须有风洞实验的数据；或者进行模型风洞实验。特别是当新机设计中发生必须研究及解决的问题，往往需要进行风洞实验求出气动数据来分析研究，作为改进飞机设计的根据。所以风洞对于航空工业生产及航空科学研究发展，都起着极其重要的作用。

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