风洞,就是用来产生人造气流(人造风)的管道。在这种管道中,通过动力设备,能造成一段气流均匀流动的区域,用来对飞机、火箭、飞船及车辆的各种模型进行空气动力实验。它也是用来对桥梁、建筑物进行抗风试验的一种关键设备。
世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国的莱特兄弟于1901年建造了风速12米/秒的风洞,从而发明了世界上第一架飞机。风洞的大量出现是在20世纪中叶。下面,让我们进一步认识风洞。
一、为什么要建风洞进行实验呢
飞机、火箭、汽车……绝大部分飞行器或交通工具的运动,都是在空气中进行的,而火箭则必须在克服大气层的种种影响,顺利进入太空,才能完成运载、发射等空间操作任务。
在这些飞行器或交通工具的运动过程中,空气必然会对它们产生作用力,如飞机就是由空气提供升力的,并通过与空气的作用而获得前进动力。因此,与空气的作用力,就成为了决定其运动性能的一个非常重要的因素。这个因素与飞行器的外形等等密切相关。如何设计运动物体的外形以获得恰当的空气作用力,如何正确提供动力以配合其在空气中的运动……就是空气动力学的重要内容。
要进行研究,必须进行实验。
空气动力学实验分实物实验和模型实验两大类。实物实验如飞机飞行实验和导弹实弹发射实验等,这样的实验不会发生模型和环境等模拟失真问题,一直是鉴定飞行器空气动力性能和校准其他实验结果的最终手段,但实验的费用昂贵,条件也难控制,而且不可能在各种飞行器产品研制的初始阶段进行,因此,空气动力学实验一般多指模型实验。
模型实验如何进行呢?根据运动的相对性原理,物体在空气中运动和空气相对静止物体运动的情况是一样的,二者没有本质的区别。于是,人们就想到了人为驱使空气流动,使其流过静止的模型,模拟实物在静止空气中的运动。这,就是建造风洞的原因。

图1 早期的风洞实验
模型实验按空气(或其他气体)与模型(或实物)产生相对运动的方式不同可分为三类:①空气运动,模型不动;②空气静止,物体或模型运动;③空气和模型都运动。几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。通过测量作用在模型上的空气动力,观测模型表面及周围的流动现象,就可以获得关于模型的空气动力性能的数据,从而为设计与改进飞行器的外形提供依据。
二、风洞实验的优点和缺点
相比于实物实验,除了费用低廉外,风洞实验还有许多的优点:①实验条件(包括气流状态和模型状态两方面)易于控制。②流动参数可各自独立变化,也就是说,便于我们“控制变量”。③模型静止,测量方便而且容易准确。④一般不受大气环境变化的影响。
风洞实验的最大缺点是,它难以使风洞环境与实际环境完全等同,受到洞壁和模型支架的干扰。但这些干扰可以通过数据修正方法部分或大部克服。