科技之光|风洞：“吹”出来的大气环境模拟器

湖南日报·新湖南客户端记者 周阳乐 通讯员 黄启萍 肖星南 音频 周阳乐

引子

近日，航空工业气动院在FL-10风洞(8m低速风洞)开口实验段圆满完成了我国首期涡桨飞机全机带动力气动噪声风洞实验，填补了国内该项技术空白。

飞机、火箭、卫星、导弹在飞天前都曾经过风洞的“洗礼”，风洞究竟是个什么“洞”？

流体力学方面的风洞，即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟在列车、飞行器等运动物体或静止建筑物等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。它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

简单地说，风洞就是在地面上人为创造的一个缩小版的大气环境。那么，风洞为何而存在？

历史上，因飞行器或建筑的设计不合理而引发事故，造成严重经济损失和人员伤亡的案例不在少数。要想获得良好空气动力学特性，就需要经受住可能遇到的各种复杂的风的挑战。可复杂的风不是随时能遇见，且用实物实验风险大、成本高。因此，可人为“吹风”的风洞和风洞中缩小版的实物模型就这样诞生了。

同为风洞，种类繁多。按实验段气流速度与音速大小的比值来区分，可以分为低速风洞、亚音速风洞、跨音速风洞、超音速风洞及高超音速风洞；按照风洞内气流流动方式可分为闭口回流式风洞和开口直流式风洞；按风洞实验段的构造可分为封闭式风洞和敞开式风洞；按风洞的功能及专门服务的实验对象可分为航空风洞、列车风洞、建筑风洞、环境风洞、汽车风洞等。

虽然风洞五花八门，构造各异，但总体而言，风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。驱动系统是风的“制造者”，风吹入洞体，吹过实验物，传感器将风和物体的相互作用情况反馈给测量控制系统，便可得到气流参数，观测流动现象和状态，测定作用在模型上的气动力等。

作为气体流量、速度、强度、物体空气动力学参数等各方面检测的必要手段,目前风洞实验的用途非常广泛。一方面是针对在大气环境中运动的物体的研究，如航空航天领域的飞行器、返回式卫星、载人飞船，以及地面的高速列车、汽车等产品的外形优化设计。另一方面是风环境下静止建筑物的研究设计，如对大跨度柔性桥梁、超高层建筑等风环境下结构强度和动力学特性的研究。据悉，通过运用高科技的风洞实验测算，上海中心大厦柔和的轮廓和扭转120度的外形减少了风对建筑造成的摇摆，这样的设计比同样体量矩形建筑的风阻减少了24％。

（科学指导：中南大学先进轨道交通科普基地 刘堂红教授）