简单说来,风洞就是用来产生人造气流(人造风)的管道,大致由管体、风力设备、测控系统三大部分组成。
风洞实验
人们用相对性原理——用风吹静止的飞机代替飞机在空中飞——让飞机“静下来”,固定到风洞里“飞”,以研究飞机“飞行”时的状态及各项参数,比如研究空气流过机身机翼时的流体状态,研究飞机各个部位所受的力。
但要把在天上飞的飞机放到风洞里“飞”,人们还要解决另一个问题:飞机迎风面积比较大,如机翼翼展小的几米、十几米,大的几十米,使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来,其动力消耗将是惊人的。因此,人们又利用相似性原理,将飞机做成等比例缩小的模型进行实验。当然,随着技术的发展,也有比较大的全尺寸风洞(即实验模型可以和实物一样大小),比如美国埃姆斯(Ames)研究中心的全尺寸低速风洞,最新的实验段直径达24.4米,长度达36.6米。
由于空气是无色的,因此,人们利用风洞研究模型周围的气流时,不得不想出各种辅助手段。比如在气流中混入有色液体、烟等来观察气流在模型周围的流动方向、涡流的形态等。在空气中混入烟雾后,透明的气体瞬间变得易被观测。这种方法简单易行,为此,世界各国建有不少烟风洞。产生烟雾的方法也有很多,如把不易点燃的矿物油用金属丝加热来产生烟雾等。
随着电子技术和计算机技术的发展,从20世纪40年代后期开始,风洞测控系统也由最初通过手动和人工记录,发展到了采用电子液压控制系统、实时采集和处理的数据系统。测控系统按预定的实验程序,控制各种阀门部件、模型和仪器仪表,并通过各种传感器,测量气流参量、模型状态等相关物理量。