风洞是什么原理实验室是干嘛的

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-10-18 02:01 标签： 风洞是什么原理

2022-09-21 13:22
来源:
机器人的秘密探索发布于：山西省
日前，媒体报道，我国将建成国际最大、整体性能最先进的激波风洞JF22，构成能够覆盖全部高超声速飞行走廊的、具有国际领先水平的地面气动实验平台。“风洞”这一科技术语，成为大众口中的又一热词。
提到风洞，可能大家比较陌生。这可不是黑洞、虫洞一类的东西。
那么，什么是风洞？它的具体用途和种类是什么，尤其是在国防军事领域担当了哪些角色？
1
风洞是什么
风洞（wind tunnel），即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。
在当今的科学研究和工程实践中，风洞是开展物体空气动力试验、进行理论验证及和产品设计研发必备的最有效的设备之一。
加拿大国家研究理事会的风洞
风洞主要分洞体、驱动系统和测控系统三大部分。洞体前部是形成定向和均匀气流的稳定段以及对气流起加速作用的收缩管（喷管），中部为对物体开展观察和测量工作的实验段，后部是可降低气流速度、减少风能损失的扩压段以及向外排出气流的排流段（如果是节能和抗扰性好的闭环封闭型风洞，则应为将气流导回风洞入口的回流段）。
英国范堡罗风洞前端的风机
2
风洞的用途
法拉利车企的风洞
风洞尽管诞生于飞机等航空飞行器的发展早期，其进步也始终与航空和航天紧密相关，但随着科技的发展驱动和需求牵引，如今它却在很多其他领域都有着重要应用。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……风洞实验无处不在，与我们的生活息息相关。
日常生活中见到或用到的一些物体，比如城市中直冲云端的摩天大楼、运动会场馆上高耸的火炬塔、空旷原野或山坡上直立的风能发电用扇叶、公路上跨度大而高的立交桥或跨海大桥和大长度斜拉索桥，还有运送人员货物的汽车、船舶、飞机、高速列车等，它们在建造或制造过程中大都要经历风洞试验，以了解风阻的大小、气流的扰动、流场的形状、姿态的受力、升力的变化等各种气动和运动情况以及声场分布情况，为它们的结构和外形设计以及降噪消噪和性能改进采集数据、确定方案。
飞机风洞实验
滑雪运动风洞实验
跳伞运动风洞试验
风洞在国防和军事领域就更为重要，它除了用于士兵特种训练（如跳伞、滑翔、翼装飞行等），开发、设计和改进特战装备（如伞具、滑翔器具、单兵飞行器具等）外，还是很多武器装备研究和试验的核心设备之一。
由于战斗机、航天器、舰艇、火箭、导弹等尖端武器，要求运动速度更快、机动能力更好、静音水平更高、生存能力更强，它们所面临的气动环境要复杂严酷得多，必须利用风洞模拟各种气流和风力来进行试验，观察气动现象和运动特性及噪声来源等情况。
风洞被喻为“飞行器的摇篮”，一度流传着“有什么样的风洞，才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。飞机、导弹、火箭等飞行器在首飞之前，需要进行成千上万次风洞实验。风洞提供不同流速、不同密度、不同温度等飞行环境，模拟飞行器的真实飞行状态，确定飞行器的气动布局并评估其气动性能。
据报道，20世纪50年代美国B-52型轰炸机的研制，曾进行了约10000小时的风洞实验；80年代第一架航天飞机的研制，则进行了约100000小时的风洞实验。
美国X-48B飞行器在做风洞试验
美国雷神公司增程式AIM-120中距空空导弹的风洞试验
3
风洞的类型
风洞种类繁多，按照不同气流流向、气流速度、实验时间、功能用途、形体尺寸等因素，可以分成不同类型。不同类型的风洞，可满足不同领域和不同物体的空气动力学试验需求。
根据实验段的气流速度（马赫数，Ma）范围划分风洞：Ma<0.3的风洞称为低速风洞；当0.3<Ma<0.8范围内的风洞称为亚音速风洞；0.8<Ma<1.2范围内的风洞称为跨音速风洞；1.2<Ma<5范围内的风洞称为超音速风洞；Ma>5的风洞称为高超音速风洞。
马赫数在0.3至5之间的风洞，主要适用于枪弹、炮弹、巡航导弹、近程弹道导弹以及高速航空飞行器等；马赫数大于5的高超声速风洞，则可以应对各种运载火箭、航天飞行器、空天飞机、高超声速飞行器、高超声速武器、中远程弹道导弹等。
美国NASA艾姆斯风洞
4
风洞的重要性
风洞并非人们想象中的只要依靠风机风扇就行的低科技含量设备，而是一种“高大上”的复杂的系统集成项目，其设计和建设要涉及众多学科、跨越很多专业。
据统计，风洞涵盖了包括气动力学、结构力学、材料学、计算机、控制学、声学等20多个学科或专业领域，需要综合动力、电力、机电、控制、测量、模型制作等多种先进技术，配置传感、观察、摄像、测量、记录、消音、加热等多项附属设备，需要巨额预算提供支撑。一般来说，风洞产生的风速越高，造价、技术难度等也越高。
所以说，风洞体现了一个国家综合国力的强弱，反映了一个国家科技和工业发展及国民经济的现状，代表了一个国家空气动力学的试验水平，往往被作为国家的重要战略资源。
中国早已迈入了风洞强国之列，四川绵阳中国空气动力研究与发展中心拥有包括低速、高速和高超声速以及多声速、跨声速、激波等全球门类最为齐全的风洞群就是明证。
中国技术先进的风洞，有力地支撑了基建、造船、航空、航天、国防军事等领域的发展和壮大。近年来，为中国“吹出”了多种最新战机和先进导弹。
来源：国防科技大学国防科技战略研究智库返回搜狐，查看更多
责任编辑：
世界上的科技分两种，一种是贴近我们生活的，例如智能手机、智能家居和即将到来的5G网络。另一种是推动世界科技巨轮的，例如天文望远镜，核反应堆，或者是大型风洞。这篇文章小编就给大家介绍一下什么是风洞，为何世界上那么多的国家，能成功造出大型风洞的却寥寥无几？首先要介绍一下什么是风洞？风洞，全名是风洞实验室。是一种以人工的方式构造出一种可以控制气流、风速甚至是压力和重力的实验室，可以用来模拟汽车、飞机甚至是导弹的运行环境，它也是目前人类科技领域里对空气动力试验的最常用和最有效的方式之一。许多新型设备和武器研发之后，都要进入风洞中测试性能，相当于是一次必要的检验。但是风洞也和很多建筑一样，小规模的风洞很容易建设，但是大规模、多元化的风洞想要建成，就是一个非常困难的工程。简单地来说，你在自己的房间里放入一个电风扇，控制风扇的转速和方向，那么这个房间就是某种意义上的小规模风洞了。但是大型风洞甚至可以将气流加速到超越音速，甚至可以模拟气流让飞机、导弹进入其中模拟飞行。而大型风洞想要建造，就有如下几个难点和问题。1、对于很多国家来说，建设风洞纯属浪费作为当今科技金字塔顶尖的存在，大型风洞却并没有几个国家愿意去研究。事实上除了几个超级大国之外，其他国家想要建设风洞完全就是一件吃力不讨好的事情。毕竟风洞在某种意义上来说也是一个大型实验室，它的作用是测试装备。但是当今世界上有超音速飞机和超音速导弹的国家寥寥无几，对于没有先进装备的国家而已，风洞不过是一个耗时耗力又占地方的“鸡肋”建筑罢了。2、风洞的建设非常烧钱，也很考研一个国家的技术很多人听见风洞，就狭隘地认为它不过是一件可以加速气流的大型实验室罢了。然而大型的风洞，全程至少要达到200米以上，想要在这个巨大空间内制造出高强度、高速度的气流，并不是一个容易的事情。那些造出了大型风洞的国家，每一个都是花费了上亿的资金，好多年的时间，数以百计的工程师的心血。3、风洞的消耗非常巨大，运行一秒钟都是高额的投入有人对风洞做过研究，一个大型风洞是需要独立的水站和电站作为支撑的。而这些大型风洞的运行和一个上百万人口的城市所需要的资源所持平，这样一个消耗巨大的怪兽，并不是一些小国家可以负担得起的，所以即便是有大型风洞的国家，在没必要的时候也不会轻易让其开机。这就是为什么很多国家难以造出大型风洞的原因。大部分的国家没实力，有实力的国家也不一定愿意去建设，只有类似中美这样的大国才有大型风洞。大家听说过风洞吗？你知道有哪些国家造出了大型风洞吗？欢迎留言讨论。
哈哈，我们公司的作品有幸被提到了，这里就也添加点吧。“风洞一响，黄金万两。”同济大学的交通中心风洞中的换热系统部分是由我们公司承包完成的。这个风洞也是个闭式循环风洞。也就是说，整体形状就是个环。风洞本身是由德国人设计的，其中具体的每个部分再分包给其他承包商负责，例如土建，压缩机和换热器等。其中一个风洞最关键的部分就是压缩机和换热器。闭式风洞与开式风洞最大的区别就是有没有换热器。传统的开始风洞，就像一个带了罩子的大电风扇那样。在以前如果要做一个超音速航天器的实验，需要开式风洞的空气压缩机连打两天的气，然后一次性放出，来模拟超音速气流。那么这两天的气能提供多久的超音速气流？答案是一分钟。于是有了闭式风洞，典型的形态就是上图右侧的样子。空气在里面被压缩机加速后，通过试验段，转一个圈后会再回到压缩机被加速。所以不像开式发风洞那样，空气被放出去就一去不复返了。上图里面可以明显看到压缩机段和试验段，隐约也能看到换热器.... 目前中国最大的问题是发动机，制造风洞的最大局限也就是压缩机。沈鼓和陕鼓目前都在花大力气解决压缩机的技术问题。但是闭式风洞有个问题。由于是个闭式系统，空气在里面流动时会产生热量。而风洞实验室为了模拟一定的雷诺数，要求条件相对稳定，会升温的空气当然就算不是理想的实验室了。所以一般在闭式风洞里，换热器和压缩机就是一对好基友，压缩机给空气带去的多余能量，需要靠换热器来交换出去。由于压缩机每次将空气加速所用的能量相比其产生的热量基本可以忽略不计，所以一般换热器的换热功率基本等于压缩机的功率。所以设计换热器就变成了一个手艺活儿，换热系统的换热功率必须被精确计算，换热器的结构也要进行特殊设计。换热是通过空气与水管中的冷却水来完成的，因此冷却器的风阻设计必须尽可能小。不然人家压缩机好不容易加速雄起的空气，一经过你换热器就全软了就没意思了。在这一点上，本公司设计的低风阻换热器在以同济风洞为代表的几个风洞项目中都让客户灰常满意，请允许我在这里小嘚瑟一下。（小插曲，当初同济大学风洞中心项目招标时，德国设计方任务换热器的设计要求过于苛刻，中国国内怕是没有能胜任的换热器厂商。参与投标时，就只有本公司和另外两家德国企业，而德国企业都报出了近千万的报价，本公司最后以低于德国企业数倍的价格中标（嘛...本地制造，光运费就省了不知道多少了~~）。项目竣工到现在也有四五年了，深受好评。以至于保时捷德国研发中心的911风洞也跑来找我们做他们的新风洞了。）写到这里发现自己已经严重跑题了，好吧，回到题主的问题，发展前景如何？很好，非常好！目前基本上全世界还在造大风洞的也就中国了。原因嘛，当然是中国造大飞机的决心。现在几个空气动力中心一天做的实验量能抵上90年代几年的任务量。有关更多的细节就不能随便透露了。目前国内风洞实验室的瓶颈是压缩机。至于换热器嘛有一定难度，但是有像我们这样的厂商在努力设计（至少说，会为了验证换热器而自己在厂里花钱造了个小风洞的二逼企业，国内估计也就我们了），跟国际上的水平差距很小，甚至偶尔略有超越。还是那句话，发动机决定工业技术的高度啊！广告时间，公司网址：上海东润换热设备制造有限公司---------------有关保时捷风洞的问题，由德国WBI公司总体设计，现在还不能透露太多，只能先发两个我们生产风洞换热器的冰山一角。以下图片严格只在知乎内本问题下使用，严禁其他人以任何形式引用或转载。-----------------2015.07.07更新 长城汽车 保定哈弗技术中心风洞资料 本公司为长城汽车保定哈弗技术中心风洞的设计制造的风洞换热器也于2014年底完成制造，2015年初通过验收。一、技术参数Technical Date换热功率：约2.5MWCapacity：about2.5MW截面尺寸：6.5米×6.5米Size：6.5m×6.5m换热管类型：热浸锌椭圆翅片管Tube type：hot-dip galvanizing elliptical finned
tube运行重量：25吨Operation weight： 25 Ton二、关键技术1.
椭圆翅片管技术Technology of the elliptical finned
tube 此次换热器核心换热管采用椭圆翅片管，材质为钢管钢翅片，保证优良的性能和高传热效率，提高了产品的性能；椭圆翅片管的翅片刚性强，易清洗，解决了翅片管外侧结尘和下挠问题, 其风阻相对于一般其他换热管更低，这样就能使得换热效率更高。This heat exchanger adopts elliptical finned tubes as heat
exchanging component. The tubes and fins are both steel and hot dipped galvanized.
It is improves the heat transfer efficiency in following 3 ways: first, it has
excellent performance in anti-corrosion and heat transfer efficiency; second,
it is solves lateral dust clustering and scratching problems; third, the wind
resistance is much lower than the other tubes.椭圆翅片管示意图The elliptical finned tube1.
错逆流设计Counter flow design换热器采用错逆流设计，具有更高的换热效率。管程侧通过在管箱内部设置隔板，保证进出水在同侧时，管内冷却水采用两回程，确保管内流体沿迎风面流动均匀，从而保证换热器在换热量最大点时仍能满足温度均匀性。The heat exchanger adopts counter flow design, which
has higher heat transfer efficiency. Partitions are installed inside the tube chambers,
which ensure the cooling water has two returns while inlet and outlet water in
the same side. Such design makes sure that the fluid flows uniformly
along the windward side, so that temperature uniformity of air-out side can be satisfied
when the heat-exchange amount is at the maximum point.错逆流模型示意图
Counter flow model2.
高效低风阻设计High efficiency and low wind
resistance 换热器的结构相当紧凑，单位体积换热面积较大。同时采用优化设计的错列布置椭圆翅片管，并采用合理的翅片间距,使得满足系统换热量要求的同时，流经换热器的气流损失较小.The structure of
the heat exchanger is quite compact, which has a relatively larger heat unit
heat exchange area. It uses staggered arrangement
for the finned elliptical tubes and reasonable spacing of fins , which satisfies
the heat-exchanging requirement while significantly lowers the air loss.错列布置示意图 Staggered arrangement3.
浮动式设计The floating design换热器下管箱与端梁采用浮动结构，能有效降低热胀冷缩的影响，迎风面芯体与管道中间加装膨胀节有效的降低有害变形对设备的影响。The heat exchanger
adopted the floating structure design for the lower tube chamber and end beam,
which effectively lowers the influence of heat-expansion and
cold-contraction. Expansion joints
are installed between windward side core and the pipe significantly reduces the
effect of harmful deformation on the equipment.-----------------2016.11.更新 一汽丰田汽车环境风洞基本参数换热功率 900kW迎面风速：6m/s风阻:小于400Pa换热面积：2200平方米外形尺寸（单元）：4800×3400mm单个风洞换热器模块数量：2

我要回帖

更多关于 风洞是什么原理 的文章

 

随机推荐