瀚海狼山：飞行物风洞试验，是如果观察效果的？|2019-11-15

风洞的发明几乎和实用性的飞机同时出现。美国的莱特兄弟在发明第一架可以载人飞行的现代飞机的同时，也发明了一种试验装置，就是最早期的风洞。简单地说，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。因为载人的飞机很难上了天才试验所有动作，有些试验动作可能直接导致飞机失速坠毁。这就需要尽量在地面就能模拟和分析出来。到了现代，不但飞机需要吹风洞，就是高速火车、汽车、轮船甚至大型建筑也需要提前吹风洞。除了在低速风洞中，可以用试验对象的实物直接吹风外，大多数亚音速以上的高速风洞，一般都以等比例的模型代替。现代化的风洞，已经可以模拟从每秒几米的风速到每秒十几公里的宇宙再入速度。当代的航空航天大国都是风洞水平强大的国家。

没有先进的风洞系统还想设计出世界领先的飞机和导弹，在目前的时代彻底都是幻想。不过瀚海狼山认为这里有个问题，这就是空气在大多数情况下基本都是透明的，那么各种物体在风洞中吹风时，试验和设计人员，是如果观察风洞内吹风物体的吹风效果。从而优化设计呢？其实这类观察方式，也有从简单到复杂，从直观观察到电脑系统分析的进化过程。风洞中流态观察方法大致为分两类：第一类是示踪方法；第二类是光学方法。所谓的示踪方法。　就是在风洞的气流流场中添加物质，比如有色液体、烟、丝线和固体粒子等，通过照相或肉眼直接观察添加物随流体运动的图形。只要添加物足够小，而且比重和流动介质接近，显示出来的添加物运动的图形就表示出气流的运动。这是一种间接显示法，特别适合于显示定常流动。

常用的有丝线法、烟流法、油流法、升华法、蒸汽屏法和液晶显示法等六种：最原始的办法就是丝线法。将丝线、羊毛等纤维粘贴在要观察的模型表面或模型后的网格上。通过观察丝线的运动，即丝线的转动、抖动或倒转，判明气流的方向和分离区的位置以及空间涡的位置、转向等。这相当于人在风中拿一个布条显示风向和风速一样简单。现在又发展到用比丝线更细的尼龙丝，将尼龙丝用荧光染料处理后再粘在模型上。这种丝线在紫外线照射下显示出来，并且可以拍摄下来。粘丝很细，对模型没有影响，可同时进行测力实验。此法称为荧光丝线法。所谓烟流法，就是用风洞中特制烟管或模型上放出的烟流显示气体绕模型的流动图形。这是一种很好的观测方法。目前比丝线法更常用。通常是在风洞外把不易点燃的矿物油用金属丝通电加热而产生的烟引入风洞；也有将涂有油的不锈钢或钨丝放在模型前，实验时通电将钨丝加热，产生细密的烟雾。保持烟流为层流状态。烟流法除用于观察绕模型的流动，还可用来测量边界层过渡点位置和研究涡流结构。

对于可压缩流动和非定常流动，如激波、尾流和边界层过渡特殊的气流。则可以通过高速照相的方法观察。目前则发展到通过高能激光，让气流直接产生荧光现象，再通过激光雷达记录气流的全盘运动对吹风对象或者模型的影响。然后再通过超级计算机分析。已经大大领先于过去只能对吹风模型进行一个单纯方向的观测。