[科普中國]-風(fēng)洞模型

風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是指在風(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。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)是運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理和流動(dòng)相似性原理。根據(jù)相對(duì)性原理，飛機(jī)在靜止空氣中飛行所受到的空氣動(dòng)力，與飛機(jī)靜止不動(dòng)、空氣以同樣的速度反方向吹來，兩者的作用是一樣的。但飛機(jī)迎風(fēng)面積比較大，如機(jī)翼翼展小的幾米、十幾米，大的幾十米（波音747是60米），使迎風(fēng)面積如此大的氣流以相當(dāng)于飛行的速度吹過來，其動(dòng)力消耗將是驚人的。根據(jù)相似性原理，可以將飛機(jī)做成幾何相似的小尺度模型，只要保持某些相似參數(shù)一致，試驗(yàn)的氣流速度在一定范圍內(nèi)也可以低于飛行速度，并可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推算出真實(shí)飛行時(shí)作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力。

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M成結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃陲w機(jī)型號(hào)研制過程中，根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)生產(chǎn)的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其用途是測量飛行器各個(gè)部件的氣動(dòng)力特性。根據(jù)模型種類和用途的不同，一般把全機(jī)測力和測壓模型稱為常規(guī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停溆嗟姆N類稱為特種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。風(fēng)洞模型按實(shí)驗(yàn)方法可分為全機(jī)測力、壓力分布、半模型、進(jìn)氣道、通氣模型、噴流模型、二元翼型、鉸鏈力矩、投放模型、顫振、靜彈等20余種。

模型作為一種特殊的航空產(chǎn)品，在研制過程中，與通用航空產(chǎn)品相比有其特殊性，其幾何外形必須與真實(shí)飛機(jī)完全相似，一般按飛機(jī)的理論外型進(jìn)行縮比。模型設(shè)計(jì)必須滿足風(fēng)洞安裝要求，并進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算。模型的加工、裝配精度要求較高。模型是一種高精密度的機(jī)械產(chǎn)品，無論是零部件，還是整機(jī)組合件，在研制生產(chǎn)過程中，都要求必須精準(zhǔn)。一套典型的模型結(jié)構(gòu)大致分為以下幾部分：

（1）機(jī)身部分：是模型的承力部件，機(jī)身內(nèi)有主要的受力構(gòu)件，由于機(jī)身較為細(xì)長，要采用分段結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要一般由2~4段組成。

（2）翼面部分:是模型的承力部件，包括機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、彈翼等。

（3）活動(dòng)操縱面部分:包括機(jī)翼前后緣襟翼、副翼、升降舵、方向舵、角度片、鉸鏈機(jī)構(gòu)等。

（4）動(dòng)力及通氣管路:包括唇口裝置、通氣管路、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、噴管和噴口等。

（5）連接與支撐裝置:主要有與風(fēng)洞連接的支桿、天平等部件。

制造模型的材料是比較嚴(yán)格規(guī)范的，高速風(fēng)洞模型均由金屬材料制造，模型的主要承力零部件，如機(jī)身、翼面、活動(dòng)操縱面等選用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)合金鋼30CrMnSiA、欽合金等制造，部分試驗(yàn)次數(shù)較少或承載不大的零件可用鋼45或鋁合金LY12CZ。隨著加工手段的提高和模型大型化的趨勢，低速風(fēng)洞模型越來越多地采用鋁合金和復(fù)合材料。

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷漠a(chǎn)品特點(diǎn)(1)模型生產(chǎn)全部采取單機(jī)形式:也就是說，即使在在一種飛機(jī)型號(hào)的研制過程中，要設(shè)計(jì)生產(chǎn)幾十套模型。由于每套模型的試驗(yàn)?zāi)康牟煌阅Ｐ偷拇笮〕叽绾徒Y(jié)構(gòu)也都是不同的。

(2)模型外形相似性理論:模型的外形都是嚴(yán)格按理論數(shù)模縮小比例設(shè)計(jì)的。模型的縮小比例的大小是受試驗(yàn)條件(風(fēng)洞尺寸)的限制，但模型外形必須按比例真實(shí)模擬。

(3)加工精度要求高:GJB180-86及GJB569-868對(duì)高低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鹘M成部分的形位公差都做出了明確的規(guī)定，高速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诮M合后，外形公差要控制在 之間；低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庑喂钜刂圃?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/uyXbldvbNDEj7ngtJee5njcviqN8W2AKkDvT.jpg" alt="" /> ，此外，還對(duì)模型的全機(jī)長度、全翼展長、各舵面偏度等都做出了詳細(xì)規(guī)定。

(4)結(jié)構(gòu)的相似性:模型最終要在風(fēng)洞做試驗(yàn)，以取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，風(fēng)洞的尺寸、試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)功能也約束了模型的尺寸和結(jié)構(gòu)。雖然目前國內(nèi)有幾十座各型風(fēng)洞，但在同一風(fēng)洞做試驗(yàn)的模型結(jié)構(gòu)十分相似。

(5)加工工藝特殊:風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募庸づc常規(guī)機(jī)械加工不同，是一種專業(yè)化很強(qiáng)的工作，它的加工工藝獨(dú)特，除了要具備相應(yīng)的硬件條件外，還要有長期的經(jīng)驗(yàn)積累和經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員和技工隊(duì)伍。

(6)加工準(zhǔn)時(shí)性要求高:軍民機(jī)型號(hào)研制都遵循嚴(yán)格的時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制，型號(hào)研制的各階段都必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，所以要求模型的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)各環(huán)節(jié)必須準(zhǔn)時(shí)。1

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵箫L(fēng)洞試驗(yàn)的要求材料通常采用木質(zhì)(三合板)、有機(jī)玻璃或鋁合金。模型的大小依具體的風(fēng)洞尺寸而定，一般的風(fēng)洞都不可能進(jìn)行足尺試驗(yàn)，因此大部分的建筑風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ投际峭ㄟ^幾何縮尺得到的。風(fēng)洞的尺寸確定后，模型越大，風(fēng)洞壁附面層對(duì)模型的影響也越大。為了使風(fēng)洞壁附面層對(duì)模型的影響不會(huì)過大，風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了如下的規(guī)定:

(1)模型的迎風(fēng)面積不得超過試驗(yàn)段橫截面積的5%，即模型在風(fēng)洞試驗(yàn)段中的阻塞度不得超過5%；

(2)模型的寬度不得超過試驗(yàn)段寬度的70%；

(3)模型的長度應(yīng)在風(fēng)洞靜壓梯度比較均勻的區(qū)域內(nèi)，以減小風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)沿風(fēng)洞軸線方向的靜壓梯度影響。

在滿足以上要求的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體需要采用一個(gè)相對(duì)比較合理的幾何縮尺比進(jìn)行試驗(yàn)。通常建筑風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比選大約在1/300-1/500之間。

模型分類風(fēng)洞試驗(yàn)根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康牟捎貌煌哪Ｐ头N類。風(fēng)洞試驗(yàn)的基本模型主要分為剛性模型和氣動(dòng)彈性模型兩大類。

剛性模型所謂剛性模型就是在試驗(yàn)中只考慮風(fēng)對(duì)模型的靜力作用，而不考慮脈動(dòng)風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)。剛性模型為圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的設(shè)計(jì)提供局部風(fēng)壓分布并用于確定建筑物周圍的風(fēng)場特性(包括風(fēng)速、風(fēng)向和建筑物周圍的流線譜等)，也為確定總平均荷載提供平均壓力。

剛性模型絕大多數(shù)由甲基丙烯酸甲酷薄板制成，此材料俗稱為耐熱有機(jī)玻璃。它比木質(zhì)模型或鋁合金模型有許多優(yōu)點(diǎn)，如：易于精確地進(jìn)行機(jī)械加工和鉆孔，而且是半透明的，便于對(duì)模型內(nèi)的裝置進(jìn)行觀測。當(dāng)加熱至200度左右時(shí)，還易于成型為曲面?？捎媚z粘劑或埋頭螺絲將模型板連接。

對(duì)于目前建造的大多數(shù)建筑物來說尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于其具有足夠的剛度，重量也較大，由風(fēng)引起的振幅較小，從簡化抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，其模型都可以認(rèn)為是剛性模型。我國規(guī)范規(guī)定:對(duì)于高度在30米以下或高寬比小于1. 5的房屋可以不考慮脈動(dòng)風(fēng)壓的影響。新的國際風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為:在風(fēng)載作用下，建筑物的撓度小于建筑物高度的1/1000時(shí)為剛性建筑。

剛性模型是為高寬比小于5的建筑物提供適用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的。雖然剛性模型研究的基本目的是得出局部壓力的波動(dòng)狀態(tài)，但其試驗(yàn)結(jié)果仍可能外延，得出對(duì)氣動(dòng)彈性相互作用不敏感的剛性建筑整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)壓力。利用其結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)總體框架的設(shè)計(jì)己日益普遍。和空氣動(dòng)力學(xué)以及高頻力平衡研究相比，在剛性模型研究中用于得出平均壓力的方法似乎有些冗長乏味，但必須指出，剛性模型試驗(yàn)是提供局部壓力波動(dòng)資料的唯一試驗(yàn)，而波動(dòng)資料是經(jīng)濟(jì)而良好地進(jìn)行玻璃等圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。盡管一些較先進(jìn)的建筑法規(guī)試圖建立考慮外形因素、紊流和建筑物動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)荷載，但是，求助于風(fēng)洞試驗(yàn)己成為工程的實(shí)踐。因?yàn)闃I(yè)主和開發(fā)者們通常感到風(fēng)洞試驗(yàn)中得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)載可信度大大超過了試驗(yàn)的耗費(fèi)。在北美，如果沒有圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓力的研究，許多幕墻供應(yīng)商將猶豫是否承擔(dān)這一任務(wù)。

氣動(dòng)彈性模型由于大氣紊流的沖擊作用，高、細(xì)、柔的建筑物受到動(dòng)力荷載。風(fēng)引起的振動(dòng)又由于建筑物的動(dòng)力反應(yīng)而明顯增大。由建筑物動(dòng)力反應(yīng)引起的增大可達(dá)總反應(yīng)的50}或50}以上。風(fēng)亦引起水平加速度增大，因而要求考慮用戶的舒適感和對(duì)運(yùn)動(dòng)的感覺。和剛性模型研究一樣，用分析方法確定風(fēng)載的動(dòng)力效應(yīng)不能作為常規(guī)的設(shè)計(jì)程序，因此必須進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以模擬建筑物的獨(dú)特特性和所處的具體場所。二十世紀(jì)六十年代，在對(duì)紐約世界貿(mào)易中心大廈的風(fēng)載試驗(yàn)中，氣動(dòng)彈性模型首次被應(yīng)用于高層建筑研究，并在此后得到了不斷的發(fā)展。

雖然將剛性模型研究得出的局部壓力沿全表面累加可以很好地估算出建筑物的總風(fēng)荷載，但局部風(fēng)壓峰值的不相關(guān)性排除了這種由累加得出動(dòng)力荷載峰值的可能性。而且，要對(duì)適當(dāng)?shù)年囷L(fēng)持續(xù)時(shí)間(該持續(xù)時(shí)間可使結(jié)構(gòu)充分承受陣風(fēng)的全部效應(yīng))選用適當(dāng)?shù)年囷L(fēng)荷載系數(shù)，這個(gè)陣風(fēng)系數(shù)的選擇常常不是容易做到的。正確的陣風(fēng)系數(shù)應(yīng)考慮平均風(fēng)載的平均周期；與建筑物高度有關(guān)的場地粗糙度；與建筑物自振頻率有關(guān)的峰值陣風(fēng)系數(shù)：紊流效應(yīng)和建筑物的臨界阻尼。雖然許多有關(guān)風(fēng)和結(jié)構(gòu)相互作用的效應(yīng)可以定性的加以描述，但在實(shí)踐中卻不可能將這些效應(yīng)進(jìn)行精確的分析并量化。

在考慮建筑物或結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)影響風(fēng)荷載時(shí)，利用氣動(dòng)彈性模型可以直接去量測風(fēng)洞中的動(dòng)力荷載(總荷載、位移和加速度)，從而擺脫了陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)算。

除提供風(fēng)的總平均荷載和動(dòng)力荷載外，氣動(dòng)彈性模型研究基本上是檢驗(yàn)風(fēng)引起的擺動(dòng)反應(yīng)。此試驗(yàn)對(duì)于那些對(duì)空氣彈性或人體運(yùn)動(dòng)有重大效應(yīng)的細(xì)而柔，并對(duì)動(dòng)力敏感的結(jié)構(gòu)十分重要。氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)是預(yù)測建筑物對(duì)風(fēng)反應(yīng)的最可靠的方法之一。2