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风洞与空气动力学剪不断的关系
2018-09-24 11:53:59· 来源：工程事
回流式风洞：
图：回流闭式风洞，空气温度、湿度、噪声等较佳，但也需要冷却系统降温（快速流动的空气分子摩擦），换言之建造成本费用高。
图：回流3/4开口式风洞，试验段为开口设计能在测试时较好地模拟周围气体流动的情况，获得相对准确的测试结果，但也由于此原因会带来涡流和气流能量损耗。
图：回流槽壁式风洞，在风洞管道周围装有平行槽，用意是减少空气流动阻塞。
立式风洞：
图：立式风洞一般常见于汽车环境风洞（模拟风雪雨等气候环境），占地面积少是特点所在。
现今大多数风洞均采用回流式设计，当中的封闭管道是从小扩大，再由大缩小的循环回路，好处是为了减少空气传输时的能量损失，不然全尺寸相等的封闭管道会有边缘气流堆积、高速时气流也会与通道边缘有更大摩擦。
更具体的风洞组成则有：收缩段、试验段、扩散段、稳定段（蜂窝器、阻尼网）、动力段（电机、风扇、整流罩、预扭导流片、止旋片等）、拐角段（拐角导流片）、散热段。其实这一大堆零部件的出现，不过是想让风洞测试更加高效、让测试数据更接近真实情况。
图：在循环风道中，在风道的拐角处见到的导流片主要是为了解决涡流问题。
图：为避免风洞电机的运行震动影响被测试对象，像是F1的风洞就在固定电机的混凝土块与承托混泥土块之间设计有弹性元件滤震。
从风洞的发展历史可以看出其与空气动力学密不可分，风洞的产生和发展首先是同航空航天科学的发展紧密相关的，而后风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律，以验证和发展有关理论，并直接为各种飞行器的研制服务，通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如，50年代美国B-52型轰炸机的研制，曾进行了约10000小时的风洞吹风实验，而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约100000小时的风洞实验。包括测量在不同姿态、不同速度、不同大气条件下的阻力、升力和压力分布。随着现代科学发展的整体化趋势的出现，空气动力学特别是低速空气动力学已跨出航空航天领域，正在向国民经济各个领域渗透，发挥越来越大的作用，并逐步形成了一门新兴的边缘学科——工业空气动力学(Industrial Aerodynamics)，风洞的应用范围愈益广泛，包括降落伞、船帆、球类、标枪、铁饼、汽车、建筑物、桥梁、奥运火炬、风车、通风机、冷却塔等等，凡是在空气和风中的行为不清楚的，都需要在风洞中试验和研究。
举例来说，在1940年建成的美国西北部一座跨海湾的吊桥，即长853.4m的塔科马 (Tacoma) 大桥，建成后不久，由于同年11月7日的一场不大的风（仅每秒19m）引起了振幅接近数米的“颤振”，在这样大振幅振荡下结构不一会儿便塌毁了。事后的风洞研究发现了这座桥在设计上的问题，这是以往设计桥梁的土木工程师们所没有预见到的。自此之后，凡是设计跨度较大的吊桥，都必须进行风洞模型试验，和对桥梁所受的空气动力进行详细的论证。
在气流中的物体，所受气流的迎风阻力f，公式为：
其中，ρ是空气密度，S是物体的截面积，v是气流的速度，而k是与物体形状有关的系数，也称为阻力系数或形状系数。这个系数k只能靠风洞试验来确定。表示不同形状的物体的阻力系数，可以看出形状不同，对所受阻力的影响可以达到数倍到数十倍之大。
假设在一定的ρ空气密度下（不同的空气温度和压力，也就有不同的空气密度），空气阻力的大小就与空气阻力系数、迎风面积和速度成正比，抛开“速度”这一人为主观的变量，各品牌车厂都想旗下的量产车型有更低的空气阻力系数和迎风面积。所以早期的汽车设计师机智地采用上流线型车身，用以降低风阻系数，而当中最为突出的是1922年，罗马尼亚工程师Aurel Persu设计的超低风阻系数汽车，Cd值范围在0.22～0.28（即便是最大的0.28Cd值，也如现代保时捷Carrera一样），要知道当时一般汽车的风阻系数在0.8～1Cd值。
图：汽车风阻系数最小0.22Cd值
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