实验空气动力学(高等学校航空航天类专业教学指导委员会推荐教材)

绪论 学习要点： （1） 实验空气动力学的主要研究任务； （2） 实验空气动力学的发展史； （3） 实验空气动力学的主要研究方法。 科学实验，是探索自然规律和改造客观世界的基本手段。伽利略指出“科学的真理不应该在古代圣人的蒙着灰尘的书上去找，而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找”。实验空气动力学是空气动力学的一个分支，是用实验方法研究各种环境下气体的运动特性及物体与气体相对运动时的作用规律的一门学科。作为一门学科，实验空气动力学主要通过实验方法研究飞行器在飞行过程中出现的空气动力学问题，从而确定其气动特性，为气动设计和优化提供可靠的实验数据。随着时代发展，实验空气动力学在大型建筑、交通以及体育运动等领域也发挥越来越重要的作用。 0.1 实验空气动力学的研究任务 实验空气动力学的研究任务包括以下四方面。 （1） 通过实验揭示空气流动的物理本质，发现新的现象，从而开拓空气动力学的新领域。由于流动现象的复杂性，空气动力学尤其离不开科学实验。空气动力学领域的重大突破，大都首先是实验上的突破。例如，边界层的存在及其特性、湍流结构、激波与边界层相互作用、超临界翼型等都是在实验研究的基础上发展起来的。 （2） 为包括飞机在内的各种飞行器的研制提供可靠的空气动力数据。在飞行器研制和改型过程中，只有把理论、计算和模型气动力（热）实验密切地结合起来，才能全面地解决面临的各种复杂的空气动力学问题。通常的做法是先根据已有的理论和实验结果，结合具体要求进行计算，为飞行器研制和改型指出方向，定出几种初步方案。然后再通过地面模拟设备进行实验取得各种条件下的大量数据，以供分析、比较和定型。由于一些飞行器外形和流动现象比较复杂，可靠的空气动力数据归根到底还是要来自空气动力学实验。因此，现代飞行器在研制过程中，风洞试验时数往往达数千乃至数万小时。 （3） 验证空气动力学中理论分析和计算的结果。通过空气动力学实验可以检验理论和计算、验证设计或为设计提供原始数据。理论分析和计算虽有系统性、通用性、省时省力等优点，但是在理论分析和计算中难免要引入一些与真实现象有区别的简化和假设，因此必须借助实验来检验这些简化和假设的近似程度，其结果得到实验验证后，方可应用于工程实际。 （4） 发展先进地面模拟设备和测试技术。地面模拟设备（风洞等）的尺度、性能指标对空气动力学实验至关重要，研究人员一直在追求研制尽可能复现飞行环境的设备，包括典型的如低温高雷诺数风洞、结冰风洞等，都是科学和工程问题中急需的模拟设备。先进测试技术方面，伽利略曾说过：“测量一切可测之物，并把不可测的变为可测”。测量是我们观察和研究客观世界的工具，更与我们的生产生活密切相关！通过多手段获取流动各个维度的参数，对于认识和分析流动现象同样具有重要意义。高精度、多参数、全场测量是空气动力学实验测试技术的发展追求。 0.2 实验空气动力学发展简史 地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。实验空气动力学这门学科，是随着人类航空航天事业的发展而发展的。 图0.1 莱特兄弟研制的风洞 美国的莱特兄弟在他们成功地进行世界上**次动力飞行之前，于1900年建造了一座小型低速风洞，试验段截面40.6cm×40.6cm（图0.1）。尽管当时的风洞十分简陋，但其功绩是不可磨灭的，没有当时的风洞试验，人类飞行的愿望或将延期。20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围跳出地球和大气层。航空航天是实验空气力学中*活跃、*富有成果的领域。 从**次世界大战到1930年代是低速空气动力学得到重大发展并对航空事业做出重大贡献的时期，真正实用的低速飞机也相继问世。航空事业的发展期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了实验空气动力学的发展。在此阶段，实验方法和实验数据处理方法等都有了长足的进步，利用大型低速风洞进行了大量的空气动力学实验，从而在很大程度上改善了飞机的空气动力外形，在未大幅度增加动力装置功率的前提下，使飞机的飞行速度从大约50m/s提高到170m/s。1931年5月27日，全球**座全尺寸风洞在美国兰利研究中心投入使用，其试验段截面尺寸为18.28m（宽）×9.144m（高），如图0.2所示。 图0.2 兰利研究中心全尺寸风洞照片 1930年代建成了*初的超声速风洞，40年代又建成了大量的超声速风洞。第二次世界大战时期及战后，建成了跨声速风洞，探索解决了跨声速条件下的一系列问题。由于喷气发动机的问世及其技术的不断提高，飞机飞行速度由亚声速提高到高亚声速，并*终突破“声障”，达到了超声速。 图0.3 航天飞机开展风洞试验 德国于1945年研制了**座常规高超声速风洞，马赫数达到10。随着火箭技术的发展，20世纪五六十年代，出现了飞行马赫数大于5的飞行器，并推动了高超声速空气动力学的发展。飞船、航天飞机返回地球时，飞行器周围出现高温，要考虑空气介质在高温下发生的物理、化学变化，又发展了高温气体动力学分支，并对相关的地面高焓、高超实验设备和测试技术提出了新发展需求（图0.3）。 1980年代以来，空气动力学实验技术与现代电子技术、计算机技术、激光技术等、成像技术等密切结合，使实验空气动力学的实验设备、测试技术和实验数据处理方法突飞猛进。新一代风洞，如低温高雷诺数跨声速风洞，相继涌现出来；新兴的基于激光诊断的测试技术，如粒子图像速度场等，也获得了长足的发展；各种先进压力、温度传感器性能指标也获得了巨大提升。 进入21世纪，航空航天事业的新发展又给空气动力学发展带来了许多具有挑战性的课题。随着工业空气动力学、环境科学等学科的发展，实验空气动力学对一系列其他领域，如交通、建筑、环保等关系到经济和社会可持续发展的领域，同样起着十分重要的作用，这些领域的需求也对实验空气动力学的发展起着巨大的推动作用。 0.3 实验空气动力学主要研究方法 科学实验按其进行的方式可分为原型（实物）实验和模型（模拟）实验。由于原型实验所需的费用大，而且受自然条件等因素的限制，往往不能及时和有效地进行实验。所以，在空气动力学实验中，一般采用模拟方法，即用模型实验来模拟原型的物理现象。这里所说的模型是指根据数学、物理和空气动力学等理论指导以及实验室条件，改变研究对象的尺度（放大或缩小），以便能安排实验。 在实验空气动力学中，绕流模型和绕流原型这两个物理现象，虽有物理参数上的差别，但物理本质相同，遵循相同的物理规律。这就需要借助于相似理论和量纲分析方法，相似理论和量纲分析是在多个学科中广泛应用的基础知识，在实验空气动力学中也广为应用。相似理论是模拟实验的基础，量纲分析方法是模型实验的重要手段，此部分内容将在本书第1章详细介绍。模型实验的意义，可以从五个方面来加以说明： （1） 模型实验作为一种研究手段，可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界条件和自然条件的限制，做到结果准确； （2） 模型实验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系，并且有时可用来对原型所得的结论进行校验； （3） 由于模型与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的，故制造容易，装拆方便，较之实物实验，能节省资金、人力和时间； （4） 模型实验能预测尚未建造出来的实物对象或根本不能进行直接研究的实物对象的性能； （5） 当其他各种分析方法不可能采用时，模型试验就成了现象相似性问题唯一的和*为重要的研究手段。 实验空气动力学的基本方法和设备，按照模型与空气之间产生相对运动的方式不同，主要有以下三大类。 （1） 风洞试验法。基于相对运动原理，安装在风洞中的模型静止不动，使空气流过模型，这是一种广为应用的方法。风洞试验法的优点是测量方便，能精确地控制试验条件，如气流参数（速度、压力、温度）和模型姿态等，模拟比较真实；试验在室内进行，受气候条件和时间的影响小，模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便；试验项目和试验内容多种多样，试验容易重复进行，也比较安全。 （2） 飞行试验法。飞行器在大气中飞行条件下进行试验。有动力或无动力的模型在大气中飞行条件下进行试验，也属飞行试验法。与风洞试验法相比，飞行试验法的优点是不存在风洞壁面和模型支架等的干扰，缺点是试验费用高，安全风险大，试验条件不易控制，测量方法复杂。飞行试验法可用来验证风洞试验的可靠性，解决那些在风洞中难以解决的问题。 （3） 携带试验法。将模型固定在以一定速度在大气中运动的携带设备上，使模型与空气之间产生相对运动，携带设备上装有测量仪器，可测出模型的空气动力等数据。携带设备可以是旋臂机、火箭橇或飞机。旋臂机的中间是竖立的转轴，旋臂的根部固定在转轴上，模型安装在旋臂的端部，转轴带动旋臂在水平面内旋转，使模型与空气之间产生相对运动。旋臂机上的模型沿圆周运动，不仅与飞行器直线飞行情况不同，而且模型总是在自身先前所产生的尾流中运动，流场不均匀。 上述三大类方法中，风洞试验法是进行空气动力学实验经济性*好、效果*好、应用*广泛的方法，是本书论述的主要内容。 在风洞中进行的空气动力学实验，又大体上可分为流场或气动力测量和流动显示。 测量类实验可为科学研究和飞行器设计提供定量的数据。测量作用在整个模型或其部件上的气动力，可用来研究优化飞行器的气动特性。测量模型表面上的压力分布，可得到飞行器及其部件强度计算所需的载荷特性。测量气流的流速、密度等参数，更是各种实验中不可少的测量项目。 用外加示踪物质、注入能量或投射光束的方法显示出绕流模型流场的整个图像，属于流动显示类实验。流动显示的任务是使流体传输现象的过程可视化。流动显示所获得的图像有助于全面了解流场，有助于直观地理解流动机理，有助于分析测力和测压的定量测量结果。由于激光技术和图像处理技术的迅速发展，流动显示技术在显示流动内部结构的能力以及流动信息定量提取和分析处理方面有了长足的进步。可望在不久的将来，取得对三维、非定常、复杂流动显示和测量的重大突破。 测量和流动显示两类实验具有十分密切的联系，不宜将其简单划分为两类孤立的实验。根据流动显示的结果可以确定某些量的值，根据测量结果也可得到流动形态，在许多实验中是同时开展测量和流动显示。 0.4 本书内容框架 本教材的主要内容包括空气动力学实验的基本理论、实验设备以及测试技术。通过学习，可使学者了解实验空气动力学这门学科所涉及的基本原理、设备和测试技术的概貌，为开展空气动力学实验研究打下基础。 在有限的学时内，本教材只能涉及*基本的内容，具体如下。 （1） 实验测试基本理论。包括相似理论、量纲分析以及误差理论等，对实验研究起着指导作用。 （2） 空气动力学实验的基本实验设备。包括各类风洞的工作原理和系统组成，以及一些特种空气动力设备。 （3） 气动力和气流参数测量基本原理和方法。包括气动力天平的原理，压力、温度和流量测量方法，以及基于激光诊断的流场测量，如粒子图像速度场技术和激光诱导荧光技术等。 （4） 流动显示的原理和基本方法。包括阴影、纹影、干涉、丝线和油流等流动显示技术。 实验空气动力学的特点是实践性强，与空气动力学、光学、传感器技术、激光技术等学科之间的交叉性强。 纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。在学习本课程中应理论联系实际，深入实验室，勇于动手操作，不断发现问题、解决问题。切实能够用理论指导实验，掌握实验的系统性知识，具备做实验的素养，学会分析数据、总结规律。开展实验时，能做到脚踏实地、实事求是！思考题 1. 实验空气动力学未来的发展趋势怎样？ 2. 开展空气动力学实验应当具备哪些素养？