流體力學(xué)方面的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指在風(fēng)洞中安置飛行器或其他物體模型，研究氣體流動(dòng)及其與模型的相互作用，以了解實(shí)際飛行器或其他物體的空氣動(dòng)力學(xué)特性的一種空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方法；而在昆蟲(chóng)化學(xué)生態(tài)學(xué)方面則是在一個(gè)有流通空氣的矩形空間中，觀察活體蟲(chóng)子對(duì)氣味物質(zhì)的行為反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。
空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)分實(shí)物實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)兩大類(lèi) 。實(shí)物實(shí)驗(yàn)如飛機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)和實(shí)彈發(fā)射實(shí)驗(yàn)等，不會(huì)發(fā)生模型和環(huán)境等模擬失真問(wèn)題，一直是鑒定飛行器氣動(dòng)性能和校準(zhǔn)其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果的zui終手段，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用昂貴，條件也難控制，而且不可能在產(chǎn)品研制的初始階段進(jìn)行，故空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)一般多指模型實(shí)驗(yàn)。空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)按空氣（或其他氣體）與模型（或?qū)嵨铮┊a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式不同可分為3類(lèi)：
①空氣運(yùn)動(dòng)，模型不動(dòng)，如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 。
②空氣靜止，物體或模型運(yùn)動(dòng)，如飛行實(shí)驗(yàn)、模型自由飛實(shí)驗(yàn)（有動(dòng)力或無(wú)動(dòng)力飛行器模型在空氣中飛行而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）、火箭橇實(shí)驗(yàn)（用火箭推進(jìn)的在軌道上高速行駛的滑車(chē)攜帶模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）、旋臂實(shí)驗(yàn)（旋臂機(jī)攜帶模型旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）等。
③空氣和模型都運(yùn)動(dòng)，如風(fēng)洞自由飛實(shí)驗(yàn)（相對(duì)風(fēng)洞氣流投射模型而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）、尾旋實(shí)驗(yàn)（在尾旋風(fēng)洞上升氣流中投入模型，并使其進(jìn)入尾旋狀態(tài)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）等。
進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保證模型流場(chǎng)與真實(shí)流場(chǎng)之間的相似，即除保證模型與實(shí)物幾何相似以外，還應(yīng)使兩個(gè)流場(chǎng)有關(guān)的相似準(zhǔn)數(shù)，如雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、普朗特?cái)?shù)等對(duì)應(yīng)相等（見(jiàn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)）。
實(shí)際上，在一般模型實(shí)驗(yàn)（如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)）條件下，很難保證這些相似準(zhǔn)數(shù)全部相等，只能根據(jù)具體情況使主要相似準(zhǔn)數(shù)相等或達(dá)到自準(zhǔn)范圍。例如涉及粘性或阻力的實(shí)驗(yàn)應(yīng)使雷諾數(shù)相等；對(duì)于可壓縮流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，必須保證馬赫數(shù)相等，等等。應(yīng)該滿足而未能滿足相似準(zhǔn)數(shù)相等而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，有時(shí)也可通過(guò)數(shù)據(jù)修正予以消除，如雷諾數(shù)修正。洞壁和模型支架對(duì)流場(chǎng)的干擾也應(yīng)修正。
空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量氣流參數(shù)，觀測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象和狀態(tài)，測(cè)定作用在模型上的氣動(dòng)力等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般都整理成無(wú)量綱的相似準(zhǔn)數(shù)，以便從模型推廣到實(shí)物。
二、實(shí)驗(yàn)原理
風(fēng)洞一般稱之為風(fēng)洞試驗(yàn)。簡(jiǎn)單地講，就是依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛?/span>人工環(huán)境中，人為制造氣流流過(guò)，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是現(xiàn)代飛機(jī)、實(shí)彈、火箭等研制定型和生產(chǎn)的“綠色通道"。簡(jiǎn)單的說(shuō)，風(fēng)洞就是在地面上人為地創(chuàng)造一個(gè)“天空"。至于我們國(guó)家的風(fēng)洞為什么會(huì)選擇建在大山深處，那是歷史原因造成的。
空氣動(dòng)力學(xué)是目前世界科學(xué)領(lǐng)域里zui為活躍、有發(fā)展?jié)摿Φ?/span>學(xué)科之一。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展都給予了高度重視，不惜花費(fèi)巨額資金建設(shè)空氣動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)施并開(kāi)展研究工作。
美國(guó)早在80年代中期出臺(tái)的震撼的超級(jí)跨世紀(jì)工程——“星球大戰(zhàn)"計(jì)劃中，就曾把作為基礎(chǔ)學(xué)科的空氣動(dòng)力學(xué)放在非常突出的重要位置上。的確，如果不先在空氣動(dòng)力學(xué)上獲得重大突破，這個(gè)將耗資1萬(wàn)億美元的超級(jí)工程，很多關(guān)鍵技術(shù)將無(wú)法解決。緊接著在1985年發(fā)表的“美國(guó)航空航天2000年"中，也把空氣動(dòng)力學(xué)列為需要解決的七個(gè)問(wèn)題中的*個(gè)。而剩下的六個(gè)問(wèn)題中還有四個(gè)與空氣動(dòng)力學(xué)有關(guān)。這使美國(guó)花費(fèi)巨額投資研制了每秒20億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)門(mén)為空氣動(dòng)力學(xué)研究服務(wù)。
前蘇聯(lián)在“十月革命"勝利后的第二年，列寧就下令組建了國(guó)家空氣動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)——中央流體動(dòng)力研究院，并任命“俄羅斯航空之父"茹可夫斯基擔(dān)任院長(zhǎng)，這一決策為前蘇聯(lián)成為世界上另一個(gè)航天大國(guó)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二次大戰(zhàn)之前，斯大林曾下令建造了世界上*座可用于進(jìn)行整架飛機(jī)試驗(yàn)的全尺寸風(fēng)洞。與美國(guó)相比，前蘇聯(lián)在空氣動(dòng)力學(xué)的整體水平上毫不遜色，甚至在許多方面都高于美國(guó)，它在航空航天領(lǐng)域取得的一系列成就足以說(shuō)明這一點(diǎn)。
英、法兩國(guó)在二次大戰(zhàn)前均為的老牌航空先進(jìn)國(guó)家，然而戰(zhàn)后他們突然發(fā)現(xiàn)自己比美、蘇等國(guó)落后了一截，于是兩國(guó)重振旗鼓、奮起直追。在戰(zhàn)后第二年，法國(guó)政府便決定把因戰(zhàn)爭(zhēng)和被占領(lǐng)分散到全國(guó)各地的研究機(jī)構(gòu)組織到一起，組建了國(guó)家空氣動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)，并在阿爾卑斯山腹地開(kāi)始創(chuàng)建莫當(dāng)試驗(yàn)中心，堪稱世界*的大功率空氣動(dòng)力試驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)備。曾經(jīng)發(fā)明了世界上*座風(fēng)洞的英國(guó)人更是不甘落后，除了政府加強(qiáng)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)規(guī)劃之外，充分利用大學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)科的研究。據(jù)有關(guān)資料透露，在英國(guó)的46所大學(xué)里，至少有30個(gè)以上高水平的空氣動(dòng)力研究試驗(yàn)室。
日本在戰(zhàn)后受到限制的情況下，航空工業(yè)曾有過(guò)長(zhǎng)達(dá)8年的空白。但在此期間，其基礎(chǔ)研究——空氣動(dòng)力學(xué)則進(jìn)展神速。僅60年代，就先后仿制出11種飛機(jī)，自行設(shè)計(jì)8種飛機(jī)。
四、不足之處
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)既然是一種模擬實(shí)驗(yàn)，不可能*準(zhǔn)確。概括地說(shuō)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)固有的模擬不足主要有以下三個(gè)方面。與此同時(shí)，相應(yīng)也發(fā)展了許多克服這些不足或修正其影響的方法。
1.邊界效應(yīng)或邊界干擾
真實(shí)飛行時(shí)，靜止大氣是無(wú)邊界的。而在風(fēng)洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界
附近的流線彎曲，使風(fēng)洞流場(chǎng)有別于真實(shí)飛行的流場(chǎng)。其影響統(tǒng)稱為邊界效應(yīng)或邊界干擾。克服的方法是盡量把風(fēng)洞試驗(yàn)段做得大一些(風(fēng)洞總尺寸也相應(yīng)增大)，并限制或縮小模型尺度，減小邊界干擾的影響。但這將導(dǎo)致風(fēng)洞造價(jià)和驅(qū)動(dòng)功率的大幅度增加，而模型尺度太小會(huì)使雷諾數(shù)變小。近年來(lái)發(fā)展起一種稱為"自修正風(fēng)洞"的技術(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)段壁面做成彈性和可調(diào)的。試驗(yàn)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)，粗略而快速地計(jì)算相當(dāng)于壁面處流線應(yīng)有的真實(shí)形狀，使試驗(yàn)段壁面與之逼近，從而基本上消除邊界干擾。
2.支架干擾
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，需要用支架把模型支撐在氣流中。支架的存在，產(chǎn)生對(duì)模型流場(chǎng)的干擾，稱為支架干擾。雖然可以通過(guò)試驗(yàn)方法修正支架的影響，但很難修正干凈。近來(lái)，正發(fā)展起一種稱為"磁懸模型"的技術(shù)。在試驗(yàn)段內(nèi)產(chǎn)生一可控的磁場(chǎng)，通過(guò)磁力使模型懸浮在氣流中。
3.相似準(zhǔn)則不能滿足的影響
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理。相似原理要求風(fēng)洞流場(chǎng)與真實(shí)飛行流場(chǎng)之間滿足所有的相似準(zhǔn)則，或兩個(gè)流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的所有相似準(zhǔn)則數(shù)相等。風(fēng)洞試驗(yàn)很難*。zui常見(jiàn)的主要相似準(zhǔn)則不滿足是亞跨聲速風(fēng)洞的雷諾數(shù)不夠。以波音737飛機(jī)為例，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飛行，雷諾數(shù)為2.4×107，而在3米亞聲速風(fēng)洞中以風(fēng)速100m/s試驗(yàn)，雷諾數(shù)僅約為1.4×106，兩者相距甚遠(yuǎn)。提高風(fēng)洞雷諾數(shù)的方法主要有:
(1)增大模型和風(fēng)洞的尺度，其代價(jià)同樣是風(fēng)洞造價(jià)和風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)功率都將大幅度增加。如上文所說(shuō)俄國(guó)的全尺寸風(fēng)洞。
(2)增大空氣密度或壓力。已出現(xiàn)很多壓力型高雷諾數(shù)風(fēng)洞，工作壓力在幾個(gè)至十幾個(gè)大氣壓范圍。我國(guó)也正在研制這種高雷諾數(shù)風(fēng)洞。
(3)降低氣體溫度。如以90K(-1830C)的氮?dú)鉃?/span>工作介質(zhì)，在尺度和速度相同時(shí)，雷諾數(shù)是常溫空氣的9倍多。世界上已經(jīng)建成好幾個(gè)低溫型高雷諾數(shù)風(fēng)洞。我國(guó)也研制了低溫風(fēng)洞，但尺度還比較小。
五、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)盡管有局限性，但有如下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①能比較準(zhǔn)確地控制實(shí)驗(yàn)條件，如氣流的速度、壓力、溫度等；②實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,受氣候條件和時(shí)間的影響小,模型和測(cè)試儀器的安裝、操作、使用比較方便；③實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容多種多樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的度較高；④實(shí)驗(yàn)比較安全，而且效率高、成本低。因此，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在空氣動(dòng)力學(xué)的研究、各種飛行器的研制方面，以及在工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)和其他同氣流或風(fēng)有關(guān)的領(lǐng)域中，都有廣泛應(yīng)用。
六、其他應(yīng)用
昆蟲(chóng)化學(xué)生態(tài)學(xué)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)
近年來(lái)風(fēng)洞技術(shù)已成為昆蟲(chóng)性信息素研究中*的實(shí)驗(yàn)手段。它用于監(jiān)測(cè)粗提物和分離餾分的生物活性，判斷鑒定出來(lái)的性信息素組分是否完整。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是非常接近于田間情況的；利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以模擬昆蟲(chóng)的田間飛翔能力，其中zui重要的一項(xiàng)研究是測(cè)量昆蟲(chóng)的飛行周期和飛行的持久性；利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)還可以研究性信息素濃度對(duì)昆蟲(chóng)飛行行為的影響。
七、觀察方法
風(fēng)洞中流態(tài)觀察方法大致為分兩類(lèi)：*類(lèi)是示蹤方法；第二類(lèi)是光學(xué)方法。
示蹤方法 在流場(chǎng)中添加物質(zhì)，如有色液體、煙、絲線和固體粒子等，通過(guò)照相或肉眼觀察添加物隨流體運(yùn)動(dòng)的圖形。只要添加物足夠小，而且比重和流動(dòng)介質(zhì)接近，顯示出來(lái)的添加物運(yùn)動(dòng)的圖形就表示出氣流的運(yùn)動(dòng)。這是一種間接顯示法，特別適合于顯示定常流動(dòng)。常用的有絲線法、煙流法、油流法、升華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種：
①絲線法 將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型后的網(wǎng)格上,由絲線的運(yùn)動(dòng)(絲線轉(zhuǎn)動(dòng)、抖動(dòng)或倒轉(zhuǎn)) 可以判明氣流的方向和分離區(qū)的位置以及空間渦的位置、轉(zhuǎn)向等。圖6為一個(gè)模型實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)翼的絲線顯示氣體流動(dòng)圖?，F(xiàn)在又發(fā)展到用比絲線更細(xì)的尼龍絲，有時(shí)細(xì)到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理后再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來(lái)，并且可以拍攝下來(lái)。粘絲很細(xì)，對(duì)模型沒(méi)有影響，可同時(shí)進(jìn)行測(cè)力實(shí)驗(yàn)。此法稱為熒光絲線法。
②煙流法 用風(fēng)洞中特制煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動(dòng)圖形。這是一種很好的觀測(cè)方法。世界各國(guó)建設(shè)了不少煙風(fēng)洞。通常是在風(fēng)洞外把不易點(diǎn)燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產(chǎn)生的煙引入風(fēng)洞；也有將涂有油的不銹鋼或鎢絲放在模型前，實(shí)驗(yàn)時(shí)通電將鎢絲加熱,產(chǎn)生細(xì)密的煙霧。為了保證煙束清晰不散,必須采用大收縮比的收縮段、穩(wěn)定段或風(fēng)洞入口加裝抗湍流網(wǎng)和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態(tài)。煙流法除用于觀察繞模型的流動(dòng)，還可用來(lái)測(cè)量邊界層過(guò)渡點(diǎn)位置和研究渦流結(jié)構(gòu)。圖7為模型煙流實(shí)驗(yàn)中拍攝的照片。
③油流法 在粘性的油中摻進(jìn)適量指示劑(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊狀液態(tài)物，均勻地涂在模型表面。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)指示劑顆粒沿流向形成的紋理結(jié)構(gòu)，顯示出模型表面的流動(dòng)圖形。如果油中加入少量熒光染料，則在紫外線照射下可以顯現(xiàn)出熒光條紋圖，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動(dòng)方向、邊界層過(guò)渡點(diǎn)位置、氣流分離區(qū)、激波與邊界層相互干擾等流動(dòng)現(xiàn)象。圖8為模型油流實(shí)驗(yàn)照片。
④升華法 將揮發(fā)性的液體或容易升華的固體噴涂在模型表面，依據(jù)涂料從模型上散失的速度與邊界層狀態(tài)有關(guān)的原理（在湍流邊界層內(nèi)由于氣流的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致該處蒸發(fā)量或升華量大于層流處）來(lái)區(qū)分邊界層狀態(tài)，確定過(guò)渡點(diǎn)的位置。
⑤蒸汽屏法 在風(fēng)洞中形成過(guò)飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經(jīng)過(guò)光面時(shí)，由于離心力的作用，旋渦內(nèi)外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能顯示出渦核的位置。此法多用來(lái)觀察大攻角脫體渦的位置。
⑥液晶顯示法 利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來(lái)識(shí)別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機(jī)物,溫度較低時(shí)，無(wú)色透明,隨著溫度上升，便以紅、黃、綠、藍(lán)、無(wú)色的順序改變，能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動(dòng)以及激波前后的溫差。它適用于高速和超聲速流態(tài)觀察。液晶的涂法與漆類(lèi)似，先稀釋?zhuān)賴娡俊?/span>液晶對(duì)污物雜質(zhì)敏感，噴涂時(shí)，模型表面必須干凈。
光學(xué)方法 根據(jù)光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理制造出來(lái)的光學(xué)儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀(見(jiàn)風(fēng)洞測(cè)試儀器)和全息照相裝置等，都可用來(lái)觀察氣體流動(dòng)圖形。這種方法不在流場(chǎng)中添加其他物質(zhì)，不會(huì)干擾氣體流動(dòng)，而且可以在短時(shí)間內(nèi)采集大量的空間數(shù)據(jù)。它是一種直接顯示方法，特別適合于觀察可壓縮流動(dòng)和非定常流動(dòng)，如激波、尾流和邊界層過(guò)渡等。
除了以上兩大類(lèi)方法外，還有一種向流場(chǎng)中注入能量的方法。如在低密度風(fēng)洞中向氣流發(fā)射電子束，使氣體分子激發(fā)出熒光，熒光的光通量與氣流密度大小有關(guān)。根據(jù)光通量的變化，就可以顯示出氣流密度的變化，這種方法可以顯示高超聲速稀薄氣體流動(dòng)的激波位置和形狀以及用于定量測(cè)量流場(chǎng)密度。
70年代后期，發(fā)展出一種彩色照相圖示流態(tài)觀察技術(shù)。它用總壓探管在所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域掃描，并將感受的壓力轉(zhuǎn)換成電壓值。根據(jù)不同的電壓觸發(fā)不同顏色的光，在照相機(jī)上曝光。通過(guò)多種顏色信號(hào)光記錄的流場(chǎng)等壓線圖，可以清晰地看到渦旋分布和飛機(jī)模型后的渦流圖像。這項(xiàng)技術(shù)zui近發(fā)展成為直接把傳感器感受的壓力信號(hào)記錄在磁帶上，并輸入計(jì)算機(jī)處理。傳感器探頭可以用壓力探頭也可以用熱絲或熱膜或其他探頭。處理后的數(shù)據(jù)可由彩色電視顯示。因?yàn)椴挥谜障嘌b置，而代之以計(jì)算機(jī)，這就帶來(lái)了很大的方便：可以一次處理很多數(shù)據(jù)（可以是一個(gè)也可以是好幾個(gè)探頭感受的數(shù)據(jù)）；顯示的顏色可多達(dá)4 096種（但由于人眼分辨率的限制,常用的也只有20～30種）；對(duì)于特別有興趣的區(qū)域可以放大和增加顏色詳細(xì)顯示；此外，還可以根據(jù)需要，旋轉(zhuǎn)顯示的數(shù)據(jù)平面，以得到從不同角度觀察的流場(chǎng)彩色顯示圖像。例如，可以在垂直風(fēng)洞軸線的平面觀察，也可以在平行風(fēng)洞軸線的平面或其他任意平面觀察。高分辨率的彩色電視屏幕可以用顏色和箭頭表示流動(dòng)方向。
