風洞能做什麼？
聽說風洞還能測試到空間，很茫然。風洞風洞試驗到時是幹嗎的
我們公司最近完成了自主研發的XS-M火箭風洞試驗，我來簡單介紹一下關於火箭的風洞試驗（以我們公司本次試驗為例）吧。
氣動試驗，又叫風洞試驗，通俗一點講，就是將火箭的縮比模型固定在風洞中與人為製造的氣流摩擦，通過模擬各種飛行狀態及來流情況，獲取相關試驗數據。
- 常規測力風洞試驗
由於火箭三、四級飛行段的大氣密度非常低，常規測力試驗主要針對一級飛行段和二級飛行段。經過前期充分協調和試驗準備，零壹的氣動工程師們歷時3個月，在1.2m×1.2m亞跨超音速風洞開展了一級和二級常規測力風洞試驗，在Φ1.0m高超音速風洞中開展了二級高超音速測力風洞試驗，獲取了亞跨超及高超音速範圍內全箭六分量氣動數據，驗證了前期氣動外形設計成果，校核了火箭氣動穩定性和操穩特性。
- 舵面鉸鏈力矩風洞試驗
在OS-M火箭的二級飛行段，零壹自研的綜控機負責導航信息接收和飛行控制指令解算，實時向二級伺服機構發送控制指令，由伺服機構推動空氣舵偏轉，從而實現火箭的姿態控制。舵面鉸鏈力矩對於伺服機構而言就是負載力矩，是伺服機構選型設計的輸入條件。此外該試驗還獲取了舵面彎矩，作為舵面結構設計的依據。
零壹的氣動工程師在1.2m×1.2m亞跨超音速風洞中開展了舵面鉸鏈力矩風洞試驗，驗證了前期舵面選型設計成果和舵軸位置優化結果，獲取了舵面部件力，為舵機選型設計和舵面結構設計提供了重要支撐。
- 脈動壓力風洞試驗
由於OS-M火箭頭部和二、三級級間段錐度較大，肩部可能存在的脈動壓力問題，氣動工程師們還設計了脈動壓力試驗，獲取OS-M典型部位（頭錐段、二三級錐段、翼舵前緣等）跨音速段的脈動壓力幅值，功率譜密度等數據，為載荷計算和結構設計提供輸入。
氣動工程師在1.2m×1.2m亞跨超音速風洞中開展全箭表面脈動壓力風洞試驗，獲取了典型部位脈動壓力峰值Ma數，脈動壓力功率譜密度等詳細數據，為錐段結構設計提供了真實準確的數據。
風洞試驗圓滿完成後，零壹的氣動團隊對獲取的氣動數據進行了詳細分析，並與此前通過計算機數值模擬計算的數據進行了對比，兩者的吻合度十分良好。本次風洞試驗的順利開展，吹響了火箭工程研製階段地面試驗驗證的號角，為彈道、控制、結構等專業提供了詳細的設計輸入，有力支撐了火箭的總體設計方案，是火箭型號研製過程中的重要部分。
聲明：為避免涉密，本文 …… 全部使用外國圖片。
掛一漏萬，且必有謬誤，歡迎不吝指正。
目錄：
1 風洞是個啥？
2 風洞可以做啥試驗？3 風洞可以給啥做試驗？4 除了做試驗，風洞還能幹啥？第一部分 風洞是個啥？
飛行器研製過程中，需要做試驗。直接造個飛機在天上飛兩圈試試，太不安全，也燒不起那錢。所以需要用模型來做試驗。模型不會飛，怎麼辦？
飛機在天上飛的時候，空氣不動，飛機動；根據作用力與反作用力的原理，模型不動，空氣動，效果是一樣一樣的。怎麼讓空氣動起來？
先要有風，弄一大電風扇。但風不能瞎吹啊，得奔著試驗對象吹啊。所以用一管子把風圈住，指哪兒吹哪兒。風洞就是電風扇加管道。顯然，環形管道更實惠，可以循環利用風能。風洞長什麼樣？
風洞效果圖，典型的環形迴路。
第二部分 風洞可以做啥試驗？
2A 測力
利用敏感度極高的天平，測量模型各方向的精確受力。
2B 測壓
比如使用光學壓敏漆（PSP Pressure Sensitiive Paint），測量出模型表面的壓力矢量分布。
2C 流場顯示
風洞試驗，測量模型受力大小僅僅是第一步，為了有效增升減阻，需要了解模型受力的產生機理，搞清楚模型表面及周圍的空氣是如何流動的，即流場是啥樣的。水的流動是可見的，哪裡順流，哪裡逆流，哪裡有渦，都看得見，加上一些染色劑，就更清楚了。但是氣流是看不見的呀，就要想辦法示蹤。
示蹤粒子+片光
2D 流場測量
通過示蹤粒子+激光片光可以定性觀察流場形狀，但不夠精確，無法定量的分析流場。用超高速攝像機在同一截面連續拍攝2張圖片，對於同一個粒子，這兩張圖片上的位置發生了變化對不對？可以計算出位移的距離，又知道兩張照片的拍攝時間間隔，那麼就可以計算出這個粒子的速度了對不對？如果把這個截面上所有粒子的速度都計算出來，就是一個實時的速度矢量場了，對不對？這種實驗技術叫做PIV（Particle Image Velocimetry）。
2E 雜訊測量
2F 特種試驗
第三部分 風洞可以給啥做試驗？
3A 飛行器試驗；
3B 汽車試驗
地面上的物體，運動的阻力主要是地面摩擦力。但是當速度高到一定程度時，風阻就不可忽視，於是就需要做風洞試驗了。
3C 摩托車試驗
3E 建築物風洞試驗
樓群
第四部分：除了做試驗，風洞還能幹啥？
以上列舉的風洞，氣流都是平行於地面流動。另外還有一種風洞，氣流垂直於地面流動，除了做實驗之外，又有其他應用：
4A 跳傘訓練
4B 遊樂園項目
4C 拍電影
風洞（WindTunnel）是一種管道狀試驗設備，該設備依據運動的相對性原理，將飛行器的模型或實物固定在人為製造氣流中，以此模擬實際飛行中各種飛行狀態，獲取試驗數據。風洞試驗、數值模擬、飛行試驗是當今研究飛行器空氣動力學問題的主要方法，這三者之間 相互補充、相互促進、共同發展、缺一不可（讀起來像大話套話，但真實情況確實如此，這三者任一個都不能拍胸脯保證自己是絕對權威，不過風洞試驗的地位由於歷史和實際的因素還是更高些）。
一、風洞的主要分類
風洞種類多樣，外觀形式和用途也各有不同，國內外都比較認可的風洞分類方法有按試驗段流動速度和按運行時間這兩種。
按照氣流速度範圍分為低速風洞（馬赫數Ma小於0.3）、亞聲速風洞（0.3≤Ma≤0.8）、跨聲速風洞（0.8≤Ma≤1.2）、超聲速風洞（1.2≤Ma≤5）和高超聲速風洞（Ma≥5），這樣的分類對於馬赫數的大小並沒有特別明確的界定。風洞之家第1期介紹的JF12即屬於高超聲速風洞，該風洞不僅能夠模擬馬赫數，還能復現高空為溫度，加之較長的運行時間，所以還是相當厲害的。
按風洞的運行時間則可分為連續風洞（可長時間運行）、暫衝風洞（數秒至數分鐘量級）和脈衝風洞。一般而言，隨著風洞試驗段氣流速度的增大，單位試驗段截面積所需要的驅動功率也顯著地增大，因此試驗段尺寸越來越小、運行時間也越來越短。JF12運行時間在100ms左右，可以歸為脈衝風洞。
也有一些其他的風洞分類形式，如低速風洞試驗段的「開/閉口」、直流或迴流以及超聲速風洞的「下吹」、「吹吸」、「引射」等驅動形式。亦有按照風洞用途來進行分類的，如汽車風洞、建築風洞和橋樑風洞，這類風洞經常需要模擬大氣邊界層的影響。
圖1 迴流式、閉口低速風洞結構示意圖
圖2 低速風洞巨大的驅動電機和風扇照片
圖3 （高）超聲速暫沖式風洞結構示意圖
圖4 位於馬里蘭州白橡樹的9號高超聲速風洞噴管和試驗段
二、風洞可以做什麼
風洞試驗是飛行器研製工作中的一個不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天工程的研究和發展中起著重要作用，隨著工業空氣動力學的發展，在交通運輸、高層房屋建築、風能利用、汽車以及橋樑等領域也發揮著越來越重要的作用。實驗時，將模型或實物固定在風洞中進行反覆吹風，通過測控儀器和設備取得實驗數據。簡單地講，在空氣中運動的物體都會涉及到空氣動力問題，靜止的物體由於風的作用，也會存在空氣動力問題，當這些問題對於物體本身的動力學或者靜力學問題有足夠大的影響時，則必須進行風洞試驗。
1.風洞是先進飛行器的搖籃。
將飛行器的縮比模型（對於大型風洞有可能是全尺寸模型，也有可能是飛行器的某個部件，如機翼和尾翼等）安裝在風洞試驗段內，獲得飛行器設計和改進需要的基礎數據，包括阻力係數、升力係數、氣動加熱特性等。相對於後期的飛行實驗，風洞提供了飛行器研發前期一個高效、方便、經濟的試驗手段。現代飛行器的設計對風洞的依賴性很大。例如50年代美國B-52型轟炸機的研製，曾進行了約10000小時的風洞實驗，而80年代第一架太空梭的研製則進行了約100000小時的風洞實驗。藉助於現代測試技術，我們可以測量的參數數量和測量精度都有了巨大的提升，天平可以測量飛行器的氣動力、溫敏漆（TSP）和壓敏漆（PSP）可以測量飛行器表面的全場溫度壓力分布、粒子圖像速度場（PIV）可以測量速度分布、激光誘導熒光技術（LIF）可以測量密度分布，加之一些非常經典的技術如紋影、絲線、煙線、油流等，在風洞中獲取流動參數的能力是相當強大的。當然，在一些速度非常高或者運行時間非常短的脈衝風洞中進行測試依然有相當大的難度，某些特殊試驗如燃燒等也是困難多多。
圖5 太空梭風洞試驗照片
圖6 太空梭起飛照片
2.風洞試驗是改進汽車和高鐵等交通工具性能的重要一環
當汽車時速達到110公里以上的時候，風的阻力佔到總行駛阻力的70%，也就是說大部分燃油消耗在了克服風阻上。同時風噪將會明顯增加，超越發動機雜訊、路面雜訊成為主要的雜訊源，影響乘員舒適性。因此優化汽車外形設計，減少風阻、提高行車安全性、降低噪音，是汽車風洞實驗的主要目的。2010年12月，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間的先導段聯調聯試和綜合試驗中，由中國南車集團研製的「和諧號」CRH380A新一代高速動車組的最高時速達到486.1公里。隨著列車運行時速的提高，列車的空氣動力學問題日益突出。列車空氣動力研究的目的主要是減小氣動阻力，改善操縱穩定性，提高安全舒適性及減小其對環境的影響。列車在空氣中高速運動時，其氣動性能，如氣動阻力、氣動升力等，與列車的外形有著密切的關係。另一方面，高鐵列車小半徑轉彎、高鐵列車進出隧道、高鐵列車交匯等特殊情況將引起更為複雜和顯著的空氣動力學問題，這些問題都需要大量的風洞試驗來提供數據並對原有設計進行改進。
圖7 高鐵列車風洞試驗照片
圖8 高鐵列車照片
3.風洞試驗是現代大型橋樑和建築安全的重要保證
氣流繞過一般非流線型外形的橋樑和建築結構時，會產生渦旋和流動的分離，形成複雜的空氣作用力。當結構的剛度較大時，保持靜止不動，這種空氣作用力只相當於靜力作用；當橋樑和建築結構的剛度較小時，結構振動得到激發，這時空氣力不僅具有靜力作用，而且具有動力作用。在過去相當長的時間內，人們把風對結構的作用僅僅看成是一種由定常風所引起的靜力作用。1940 年秋，美國華盛頓州建成才 4 個月的塔科馬（Tacoma) 懸索橋在不到20m/s 的8級風作用下發生強烈的風致振動——反對稱扭轉振動而導致橋面折斷和橋面坍塌，這才開始了以風致振動為重點的橋樑抗風研究。常見的三種橋樑風洞試驗為靜力三分力試驗、彈簧懸掛剛體節段試驗、全橋氣動彈性模型試驗。大型建築和橋樑是有相關的風洞試驗國家標準的。
圖9 重慶菜園壩長江大橋風洞試驗模型
圖10 重慶菜園壩長江大橋
4.風洞為體育事業發展提供技術支持
關於自行車在空氣中的阻力，測試表明，當車速度上升到每秒11米時，空氣阻力便占前進總阻力的80%。而最有效的措施是減少「人-車系統」在前進方向上的截面積。身體蜷伏、臀部高蹺、背部平直的騎行姿勢能大大減少空氣阻力，「羊角把」的設計便是為了實現這種姿勢。另一個我們較為熟知的是高爾夫球的「凹坑」設計，這樣的設計既有理論研究的貢獻，亦離不開風洞試驗的相關驗證。
圖11 美利達公路自行車風洞試驗照片
5.風洞為城市規劃、環境保護提供科學依據
城市中高樓鱗次櫛比，密集的建築群與風相互作用，在不同的風場條件下出現繞流渦、下沖流、角區流、變化的尾流和穿堂風等效應和現象，這些給城市環境都帶來了很大影響。如城市建設中缺乏科學合理布局，使得有些地方塵土飛揚，而有些區域由於樓群的阻塞使得空氣滯留，通風不暢。近年來城市機動車保有量大幅增加加之冬季的燃煤取暖、工廠的合法或者偷偷的排放，我國很多城市出現了如霧霾等嚴重的環境問題，對於自然擴散條件不佳的城市尤其嚴重。所以城市的規划進行風洞試驗，改進規劃設計，有助於改善城市環境，促進污染物的擴散。
風洞的應用永遠是現在進行時……
三、風洞的歷史發展
風洞是空氣動力學研究和試驗中最廣泛使用的工具。它的產生和發展是同航空航天科學的發展緊密相關的。風洞廣泛用於研究空氣動力學的基本規律，以驗證和發展有關理論，並直接為各種飛行器的研製服務，通過風洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能。
世界上公認的第一個風洞是英國人韋納姆(E.Mariotte)於1869～1871年建成，並測量了物體與空氣相對運動時受到的阻力。它是一個兩端開口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，長3.05米。美國的萊特兄弟在他們成功地進行世界上第一次動力飛行之前，於1900年建造了一個風洞，截面40.6厘米×40.6厘米，長1.8米，氣流速度40～56.3千米/小時。1901年萊特兄弟又建造了風速12米/秒的風洞，為他們的飛機進行有關的實驗測試。
因為風洞的控制性佳，可重複性高，現今風洞廣泛用於汽車空氣動力學和風工程的測試，譬如結構 物的風力荷載和振動、建築物通風、空氣污染、風力發電、環境風場、複雜地形中的流況、防風設施的功效等。全世界的風洞總數已達千餘座，最大的低速風洞是美國國家航空航天局艾姆斯中心（NASAAmes）的國家全尺寸設備(NFSF)，實驗段尺寸為24.4×36.6米2，足以實驗一架完整的真飛機。
時至今日，各航空航天大國無不擁有一套較為完整的風洞試驗設備，覆蓋從亞聲速至高超聲速，甚至可以直接講風洞試驗能力直接決定了一個國家的航空航天水平。圖12給出了主要航空航天大國的風洞設備數量對比，數據來源於美國國會圖書館報告，截至2008年。
圖12 世界航空航天大國各類型風洞數量對比
圖13 NASA Ames研究中心風洞群
圖14 NASALangley研究中心風洞群
四、風洞的未來
蘭德報告指出，NASA在冷戰結束後已經關停了大量風洞試驗設施，約佔其總量的三分之一，但是剩餘的設施在國際上都是極其有競爭力的，是服務於國家戰略安全的。隨著全球經濟一體化的發展，航空航天研製型號相對減少，但對風洞試驗要求不斷提高。那麼未來風洞將發生怎樣的變化？下面是拋磚引玉時間：
1 風洞的試驗能力要變得更強，簡而言之，更大、復現的參數更多，最好能夠將不縮比的飛行器放到風洞裡面去。傳統的風洞只能模擬少部分參數，如馬赫數等，以後需要能模擬總溫、化學反應、更高雷諾數等參數的風洞；
2 風洞的干擾需要減少，洞壁、支架等的干擾在傳統風洞中一直存在，以後需要儘可能降低這些干擾；
3 要建造更高速度的風洞及推進風洞、燃燒風洞等，以服務於國家的戰略安全，此處不多講；
4 各種專業風洞如結冰風洞、聲學風洞、等離子體風洞、環境風洞、建築風洞等，這些風洞需要迎來自己的大發展、大繁榮；
5 風洞試驗的成本需要下降，效率需要提高，使風洞試驗也能「飛入尋常百姓家」，更好地服務於國家建設發展。
最後插一張蘭德公司評估美國NASA風洞設備能否滿足美國戰略需要的報告中一表格，大概描述了NASA不同類型風洞的國際競爭力和利用情況，看這張表還是很有意味的，人家的風洞很好，人家的利用程度也很高，我國需要努力、努力、再努力。
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原文鏈接 風洞之家第2期‖風洞是什麼
參考資料：
范潔川 世界風洞 航空工業出版社 1992
李周復 風洞試驗手冊 航空工業出版社 2015
劉芝賓 常見橋型抗風性能綜述 建築工程技術與設計2015
黃志祥等 高速列車減小空氣阻力措施的風洞試驗研究 鐵道學報 2012
中華人民共和國行業標準（JGJ/T338-2014）建築工程風洞試驗方法標準 [Standard for Wind Tunnel testof Buildings and Structures]
NASA官網 https://history.nasa.gov/SP-440/ch8-3.htm Wind Tunnels of The Future
Federal Research Division Library of Congress ，Wind Tunnels of The Eastern Hemisphere 2008
Federal Research Division Library of Congress， Wind Tunnels of The Western Hemisphere2008
RandReport 蘭德報告，Do NASA』s Wind Tunneland Propulsion Test Facilities Serve National Needs http://www.rand.org 2004
德國宇航局 DLR官網http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10002/
戰培國 風洞發展現狀及趨勢研究 航空科學技術 2012
范潔 川世界風洞 航空工業出版社 1992
李周復 風洞試驗手冊 航空工業出版社 2015
風洞是一種產生人造氣流的管道，用於研究空氣流經物體所產生的氣動效應。最早是應用于飛機的測試，現在廣泛應用於各種太空飛行器、導彈、飛機、汽車、列車的氣動測試，也有艦船在水流中的測試和建築結構測試，甚至還有火災控制的風洞測試。具體來說就是模擬出飛行物飛行汽車運行時的氣流狀況，或者模擬出建築風力發電受風力影響的環境，用於解決這些東西的設計問題。
流動顯示，測力，測壓，測流場
大有用處的
我來說個偏僻的，網板也需要風洞實驗的。
網板這個東西，是用在拖網上的，拖網類似於一條船拖著一個大網兜，網兜口怎麼張開呢，上下靠浮子，沉子。左右就靠兩扇門一樣的網板迎流產生左右的張力。
設計的時候要把縮小版的網板模型放在風洞裡邊看他的擴張力怎麼樣。趕上梅雨天 至少能吹乾衣服吧
簡單來說就是提供氣流場，在裡面放置模型測試特性。原理是模型律，一言以蔽之，就是根據你目標力與基準力的比值保持不變。
風洞除了適用那些高大上的東西，普通用途還是蠻廣的，比如最簡單的，給測壓力的畢託管儀器標定。很多專業都會有大大小小的風洞，小的就一兩個普通房間，大的簡直就是鎮校之寶。據我所知，同濟的土木機械汽車都有風洞，汽車風洞的建造燒了很多很多的錢，是亞洲最大的汽車風洞，聽老師說過電費分分鐘幾萬元，不知真假。推薦閱讀：