风洞究竟是什么？

提到风洞，可能大家比较陌生。风洞对于每一个流体力学从业者来说都是无法绕开的话题，几乎见证了现代流体力学的发展。它可不是黑洞、虫洞一类的东西而是一个开展空气动力科学研究的实验室。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。简单来说，风洞是通过人工产生和控制气流，模拟飞行器或物体周围气体的流动及空中各种复杂的飞行状态，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状试验设备。它是进行空气动力试验最常用、最有效的工具，是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”，风洞也可以看作为地面上人为地创造了一个“天空”。风洞通常被用来测试飞机、汽车、宇宙飞船，以及几乎所有与周围空气流动有关的工程应用，甚至高尔夫球。

风洞原理简示图

风洞主要由洞身、驱动系统和测控系统组成。每个部件的形式因风洞的类型而异。实验部分主要是用于测量和观察模型，在实验段的上游有稳定段和喷管，稳定段的作用是提高气流的平直度和减小气流的紊乱程度，而喷管的作用则是将气流加速到所需的速度；在实验段的下游一般有扩散器，用于降低流速和残余速度损失，还有一个排气段，用于将风洞外的气流或回流段引导至风洞的入口。

风洞基本构成

风洞是近代科学的产物，是在人类向往飞行的梦想中逐渐发展起来的，并伴随着科技发展不断完善。风洞的分类方法也有很多种，例如根据气流速度可以分为低速风洞、高速风洞、亚声速风洞、超声速风洞、高超声速风洞、以及超高声速风洞等；也可根据温度和焓值来分，有低温风洞、高温风洞、以及高焓风洞等；如果按照运行模式来分的话，有脉冲式风洞或连续式风洞等。

高超声速风洞

一般情况下，在风洞试验中，模型是固定不动的，而是让试验气体高速流过模型，实际上相当于将研究问题的坐标系固定在飞行器上。这种配置模式更易于实现，也便于测量。风洞是根据相对运动原理和相似理论来测量飞行器缩比模型的空气动力特性，并研究相应的流动现象与流动机理，以了解实际的飞行器或其他物体的空气动力学特性。当然，也有一类风洞是气体不动，而模型运动，这种配置模式更接近于实际问题，例如弹道靶。这类风洞试验的困难则在于模型的高速发射与回收以及测量。

将缩比飞机模型固定在风洞中

我们在日常生活中是不是很少见到风洞？但其实它的作用非常大，像飞机、火箭等这些在真正的运行前都需要经过风洞去检测它的一系列参数，保证它的安全性和稳定性，这样大家在坐飞机的时候才能更放心。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等方面也得到越来越广泛的应用。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……比如可以将汽车或运动员（作为试验模型）置于风洞中，并通过合适的示踪粒子，将气流通过模型的流动轨迹显示出来，用以直观显示气流对模型的作用特征。

立式跳伞风洞内飞行

为助力2022年北京冬奥，航空工业相关部门跨界利用航空空气动力学原理，为中国跳台滑雪项目量身打造了两类共三座体育专用风洞。通过风洞训练，可在模拟相对风速下，通过测力平台中的仪器精准测量运动员的双脚发力及不同动作姿态受到的摩擦阻力，来综合评估运动员脚步发力的情况，起跳角度对不对，从而改进助滑和起跳姿势，提高出台速度。真可谓是，为中国跳台滑雪运动员们插上了科技的“翅膀”。

风洞训练的运动员

中科院力学所研制的JF22超高速风洞在5月底已成功通过验收，它将与JF12复现风洞，一同构建我国全面覆盖高超声速飞行走廊的“地面飞行”实验平台，推动高超声速与高温气体动力学学科发展，支撑我国临近空间高超声速飞行器的研发。

JF22爆轰驱动超高速高焓激波风洞