风洞是如何工作的

为了将人类送上天堂，早期的飞行工程师试图以鸟类为榜样。例如，列奥纳多·达·芬奇在1485年画了一架所谓的“扑翼机”。然而，事实证明，我们这些有翼的朋友在揭示飞行秘密方面并没有多大帮助。许多发明家制造出了以鸟为灵感的机器，却只能眼睁睁地看着它们在尘土中无助地扑腾。

很明显，为了让人类飞行，他们需要更好地理解翅膀和风之间的相互作用。所以，这些羽翼未丰的飞行爱好者去寻找山顶、山谷和有强大的、多少可以预测的风的洞穴。但是自然风并不能提供稳定的气流来提供有用的设计反馈——人工风是必要的。

进入旋转手臂。1746年，英国数学家和科学家本杰明·罗宾斯(Benjamin Robins)将一个水平的手臂连接到一根垂直的杆子上，然后将杆子旋转，使其旋转成一个圆圈。在手臂的末端，他贴了各种各样的物体，让它们承受自制离心机的力量。他的试验立即证实了物体的形状对空气阻力有巨大的影响拖曳一个元素的空气动力学力量）。

其他实验者，如乔治·凯利爵士，很快就做出了旋转手臂。特别是Cayley，经受了考验翼型形状，看起来很像飞机机翼的横截面，来研究阻力和电梯．升力是一种垂直于物体运动方向的力元素。

然而，旋转臂有一个严重的副作用，它在旋转时切碎了空气，基本上创造了可怕的湍流，极大地影响了所有的结果和观察。但机械臂确实带来了一项重大突破:工程师们开始意识到，通过快速推动物体在空中飞行，可以产生升力。这意味着没有必要为了飞行而制造拍动的翅膀。相反，人类需要足够的能量和合适的机翼结构。科学家需要更好的调查工具来解决这些重要的问题。风洞就是答案。

在下一页，你会发现旋转的手臂是如何进化成风洞的——你会看到这些风洞是如何帮助人类历史上最伟大的技术成就之一的。

由于旋转的风臂会破坏空气并产生尾流，使许多实验无效，科学家需要更平静的人工风。英国航空协会的一名活跃的英国人弗兰克·h·温纳姆说服该组织资助第一个风洞的建设，该风洞于1871年首次启用。

文汉的隧道长12英尺(3.7米)，面积18英寸(45.7厘米)。它产生了40英里每小时(64公里每小时)的风速，多亏了一个蒸汽动力隧道尽头有扇风扇。在他的隧道中，Wenham测试了升力和阻力对不同形状机翼的影响。当他移动前面的边缘(称为前缘)机翼上下运动，改变了所谓的攻角,他发现某些形状比预期的提升效果更好。人工驾驶的飞行突然变得比以往任何时候都更有可能。

然而，隧道的粗糙设计产生的风太不稳定，无法得到一致的测试结果。系统的试验和可靠的结果需要更好的隧道。1894年，英国人霍雷肖·菲利普斯(Horatio Philips)用蒸汽喷射系统取代了风扇，使空气流动更稳定，湍流更小。

在大西洋的另一边，俄亥俄州莱特兄弟奥维尔(Orville)和威尔伯(Wilbur)一直在跟踪空气动力学研究的进展，并为滑翔机的设计设想。但事实证明，在现实世界中测试他们的模型太耗时了;它也没有为他们提供足够的数据来改进他们的计划。

他们知道他们需要一个风洞。因此，经过一些修补，他们建造了一个16英寸(40.6厘米)的试验段隧道。他们试验了大约200种不同的机翼形状，将机翼附在两个天平上——一个用于阻力，一个用于升力。平衡将翼型性能转化为可测量的机械动作，兄弟们用来完成他们的计算。

慢慢地，他们找到了合适的阻力和升力组合。他们开始意识到，窄而长的机翼比短而厚的机翼产生更大的升力，1903年，他们细致的风洞试验得到了回报。莱特兄弟驾驶了第一架载人动力飞机飞机技术创新的新时代已经开始，这在很大程度上要归功于风洞。

接下来，你将看到风洞如何发挥其无形的魔力，帮助人类进入一个新的技术时代。

第一个风洞只是一端装有风扇的管道。这些隧道产生了起伏不平的空气，所以工程师们稳定地通过调整隧道布局来改善空气流动。现代隧道的基本设计包括五个基本部分:沉降室、收缩锥、测试部分、扩散器和驱动部分，因此提供了更顺畅的气流。

空气进入隧道时是一团混乱的漩涡。这个沉降室正如它的名字所暗示的那样:它有助于稳定和拉直空气，通常是通过使用带有蜂窝状孔的面板，甚至是一个筛网。然后空气立即被强迫通过收缩锥，一个大大增加气流速度的狭窄空间。

工程师们把他们的比例模型放在测试区在这里，传感器记录数据，科学家进行视觉观察。空气随后流入扩散器，它有一个锥形的形状，可以变宽，从而平滑地降低空气速度，而不会在测试部分造成湍流。

的传动部分容纳产生高速气流的轴流风扇。该风机始终位于试验段下游，隧道末端，而不是入口。这种设置允许风扇将空气吸入平滑的气流，而不是推动气流，这将导致气流更加不稳定。

大多数风洞只是又长又直的盒子，或者开路（开放式返回）隧道。然而，有些是内置的关闭电路(或封闭回流)，基本上是椭圆形的，让空气在同一路径上绕来绕去，就像跑道一样，使用叶片和蜂窝板来精确地引导和引导流动。

隧道的壁非常光滑，因为任何不完美的地方都可能成为减速带并引起湍流。大多数风洞都是中等大小的，足够小，可以放进大学的科学实验室，这意味着测试对象必须按比例缩小，以适应风洞。这些比例模型可能是完整的飞机在微型模型中，以精确的精度建造（花费巨大）。或者它们可能只是飞机机翼或其他产品的一个零件。

工程师们用不同的方法将模型安装到试验区，但通常情况下，模型是用电线或金属杆保持静止的，这些电线或金属杆被放置在模型后面，以避免造成气流中断。空气压力和其他变量。

继续阅读，了解更多关于风洞如何帮助科学家拼凑更复杂的空气动力学难题，以及他们的发现如何推动技术进步的信息。

升力和阻力只是两个要素空气动力在风洞中起作用的力。特别是在飞机测试中，有许多变量(如俯仰、偏航、滚转等)会影响实验结果。

不管测试对象是什么，其他因素也会在测试过程中发挥作用。例如，隧道内的空气质量是多变的，对试验结果有很大的影响。除了仔细测量物体的形状和速度(或吹过物体的风)，测试者还必须考虑粘度（或粘性）和压缩性在他们的实验中空气的弹性。

当然，你通常不会认为空气是一种粘性物质，但当空气流经物体时，它的分子会撞击物体表面并粘附在物体上，哪怕只是一瞬间。这将创建一个边界层，物体旁边影响气流的一层空气，就像物体本身一样。海拔、温度和其他变量会影响粘度和压缩性，从而改变边界层特性和阻力，以及测试对象整体的空气动力学。

要弄清楚所有这些条件是如何影响测试对象的，需要一个由传感器和计算机组成的系统来记录传感器数据。空速管是用来测量气流速度的，但先进的隧道部署激光风速计通过“看到”气流中的空气颗粒来检测风速。压力探针监测气压和水蒸气的压力湿度传感器跟踪。

除了传感器，视觉观察也非常有用，但要使气流可见，科学家们依赖各种各样的方法流可视化技术。他们可以用有色烟或液体的细雾填充试验段，例如水，以观察空气如何在模型上流动。他们可能会在模型上涂上厚厚的彩色油，看看风是如何推动油沿着模型表面的。

高速摄像机可以记录它们移动时的烟雾或油，以帮助科学家发现肉眼看不到的线索。在某些情况下，激光被用来照亮薄雾或烟雾，并揭示气流的细节。

风洞为测试无限的想法和概念提供了无穷无尽的配置。继续阅读，你会看到工程师们在找到资金将一个想法的微风转化为一场全面的技术风暴时所建造的极具想象力的隧道。

超音速和高超音速风洞不使用风扇。为了产生这些惊人的空气速度，科学家们使用储存在试验段上游的加压罐中的压缩空气爆炸，这就是为什么有时称之为“爆炸”排污隧道。类似地，高超音速隧道有时也被称为激波管，指的是他们制造的高能但非常短暂的爆炸。两者都有巨大的功率需求，这通常使它们最适合短期或间歇测试。

风洞的空气压力能力也有所不同。有些隧道有降低或提高气压的控制装置。例如，在测试太空飞行器时，美国国家航空航天局可以建立一个隧道来模拟火星的低压大气。

您还可以根据隧道的大小对隧道进行分类。有些是相对较小的，因此仅用于测试按比例缩小的模型或对象的部分。其他的则是全尺寸的，大到足以测试全尺寸的车辆。

有些风洞只是…嗯，真的很大。

位于加州圣何塞附近的美国宇航局艾姆斯研究中心拥有世界上最大的风洞。它大约有180英尺(54.8米)高，1400英尺(426.7米)长，一个测试部分有80英尺(24米)高，120英尺(36.5米)宽，足够容纳一架翼展为100英尺(30米)的飞机。隧道使用6个四层楼高的风扇，每个风扇由6个22500驱动马力马达它可以驱动风速高达115英里每小时(185公里每小时)。

在特殊的风洞中，尺寸并不是唯一的因素。继续阅读，你会发现这些隧道有多现代。

工程师通常需要同时测试多个空气动力学和环境变量。这就是为什么一些隧道在单个位置提供了广泛的测试可能性。维也纳大型气候风洞就是这样一种风洞，主要用于汽车和轨道车辆试验。仅试验段就有328英尺（100米）长，风速可达186英里/小时（299公里/小时）。

工程师可以将相对湿度从10%调到98%，将温度从低至-49华氏度调到140华氏度(-45摄氏度到60摄氏度)。正如它的名字一样，维也纳气候隧道配有雨、雪和冰的功能，以及太阳暴露模拟器。

特别是防冰能力，几十年来一直是风洞的关键组成部分，因为飞机表面结冰可能是灾难性的，导致飞机坠毁。结冰隧道有冷却空气的制冷系统，然后向气流中喷射细水滴，在试验模型上产生一层釉。然后，工程师们就可以通过安装加热系统来增加飞机表面的温度来解决结冰问题。

还有很多其他隧道类型是为特定目的而设计的。有些设计跳过柱子或电线来固定模型，而是使用强力磁铁将金属模型悬挂在试验区。另一些则提供远程控制线，让科学家们在试验区内实际“飞行”模型飞机。

德克萨斯大学阿灵顿分校的空气动力学研究中心有一个所谓的电弧喷射隧道，它能在高达8540华氏度(4727摄氏度)的高温下产生超音速高温气体流。这种温度对NASA来说尤其有用，因为NASA的航天器在重新进入地球大气层时要承受高温。

有些隧道完全没有空气，而是用水。水的流动很像空气，但它的密度比空气大，也更可见。这些特性可以帮助科学家们可视化潜艇和船体周围的流型，甚至可以更好地看到由速度极快的飞机和导弹产生的冲击波。

那么，把这些冷热空气吹来有什么意义呢?这不仅仅是为了让科学家们能让他们的极客们兴奋起来——在下一页，你将看到风洞如何帮助我们做比飞行更多的事情。

工程师和制造专家使用风洞不仅仅是为了改善飞机和太空船，但一整套工业和消费品。尤其是汽车制造商，严重依赖风洞。

通用汽车的空气动力学实验室有最大的风洞用于研究汽车空气动力．自30年前修建隧道以来，该公司的工程师已经将车辆的阻力系数降低了约25%。这种改进使每加仑燃油经济性提高了2到3英里。

赛车制造商利用隧道来改善汽车的空气动力学，特别是速度和效率，以帮助他们获得竞争优势。例如，位于北卡罗来纳州的AeroDyn风洞公司专门从事全尺寸测试纳斯卡储备汽车和其他赛车和卡车。另一家名为“风切变”(Windshear)的公司也在北卡罗来纳州运营，它拥有一个内置滚动道路的先进闭路隧道，基本上就是一个巨大的汽车跑步机。

电子工程师利用小型风洞来观察气流如何影响部件内的热积聚。然后他们就可以设计出更酷、寿命更长的电脑芯片和主板。公用事业经理使用风洞来测试用于发电的风力涡轮机电．风洞有助于使涡轮机和它们的叶片更高效、有效和耐用，因此它们可以承受持续的、强大的阵风。但风洞也可以帮助工程师确定风电场的布局和涡轮机的间距，以最大限度地提高效率，同时最大限度地减少功率吸力湍流。

建造风洞和测试模型并不便宜。这就是为什么越来越多的组织停止使用他们的风洞，转而使用计算机建模(也称为计算流体力学)，它现在常用来代替物理模型和隧道。更重要的是，计算机允许工程师调整模型和测试部分的无限变量，而无需耗时（和昂贵）的人工劳动。物理隧道有时仅用于重新测试计算机建模的结果。

建筑工程师使用计算机建模进行风力工程测试，以帮助他们设计和建造摩天大楼，桥以及其他结构。他们研究建筑形状、材料和风的相互作用，使它们更安全、更强。

不过，目前风洞仍在世界各地积极使用，帮助科学家制造更安全、更高效的产品和各种类型的车辆。即使新的虚拟技术最终取代了物理风洞，这些工程奇迹仍将在人类发展史上占有一席之地。