實驗空氣動力學

空氣動力學的一個分支。用實驗方法研究各種環境下空氣和其他氣體的運動以及物體在氣體中運動的氣動特性。由於是直接研究物體與真實氣流間的相互作用，所得數據可以用作工程設計的依據，驗證理論計算結果並能揭示新的流動現象，為理論分析提供物理模型。

實驗空氣動力學作為一門分支學科是20世紀40年代形成的。它的形成同飛行器高速發展，要求迅速獲得大量複雜、精確、可靠的設計數據有關。它的主要內容除空氣動力學基礎理論外，還包括實驗理論、實驗方法和實驗設備的知識。

實驗空氣動力學的主要任務是利用風洞進行模型實驗，以觀察物體的運動、周圍流態，測量周圍的流場以及作用在物體上的空氣動力和力矩，表面壓強和熱流等。實驗所依據的基本理論是相對運動原理和模型理論。

無論是固體以某一均勻速度在靜止的流體中運動，還是流體以相同速度流經固體，兩者之間的相互作用力恆等。一般情況下，風洞實驗就是人工產生可調節的均勻氣流流過固定不動的模型，並測出模型上所承受的作用力和力矩。

飛機和導彈等尺寸很大，構造複雜，難以進行實物試驗，採用縮尺模型（少數情況下也有放大模型的）進行實驗研究，條件現實，而且經濟和安全。因此模型廣泛用於風洞實驗。模型理論主要包括：

①相似性：為把模型上測出的數據換算為實物的氣動特性，模型與實物之間必須嚴格遵循相似性要求。對於氣動力來說必須：幾何相似，即流場中相互對應的線性長度比（包括內外邊界和整個流譜）為一常數；運動相似，兩流場中相互對應的速度比為一常數；動力相似，兩流場中相互對應的作用力比為一常數。對於氣動熱來說還必須滿足其他的相似。所有的相似條件全部得到滿足稱為完全相似；部分得到滿足稱為部分相似。實際上，完全相似模型很難實現，常常是就占支配地位的主要作用方面保證部分相似。

②量綱分析：模型與實物之間應滿足的相似準則可由量綱分析導出，若作用在物體上的氣動力X1是諸物理變數X2,X3,……,Xn的函數。

X1＝ψ(X2,X3,……,Xn)，式中X2,X3,……是物體和氣流的特性，有各自的量綱。按同一物理方程中各項的量綱一致性要求，可導出各項均為無量綱變數的特徵方程：

π1＝Ψ(π2,π3……,πn-i)，

式中左邊一項π1是與基本變數組成的無量綱力係數，右邊各項是諸變數X2,X3,……分別與基本變數組成的無量綱參數。i是基本變數的數目。這個公式稱為π定理。兩式同樣適用於模型。為了區別，模型的無量綱力係數和參數均用“′”表示。在設計模型和安排實驗條件時如果做到π娦=π2,π婭=π3,……則必然π姈=π1。這些無量綱參數π2,π3,……稱為相似準則。在設計實驗時，必須保證模型與實物幾何相似，並使模型與實物的相似準則分別相等，才能保證兩個流動的動力相似，模型實驗所得的力係數π姈也就與實物的全等。

對於氣動力問題，當考慮氣流粘性μ、壓縮性K、重力加速度g和運動的周期(或頻率)w起主要作用時，則特徵方程是：

CF＝F/ρV2L2 ＝f(α、β、Re、M、Fr、S)

式中特徵長度L、來流速度V和空氣密度ρ是3個基本變數，α是迎角，β是側滑角(見空氣動力特性)。F和CF分別是空氣動力和力係數。雷諾數Re＝ρVL/μ和馬赫數M＝V/a是相似準則(a為音速);而弗勞德數Fr=V2 /gL和斯特魯哈數是分別考慮重力和周期影響的相似準則。利用上式可根據模型測出的空氣動力和力矩換算出實物上的空氣動力和力矩。相似準則的數目總是少於物理變數的數目，這對於設計實驗和整理實驗結果大為方便。

實驗技術風洞實驗技術與研究目的和實驗對象有關。即以較為定型的生產性實驗來說，除常規的測力和測壓實驗外，其他各種實驗項目有進氣道、鉸鏈力矩、動導數、顫振、噴流等，種類繁多。實驗方法因實驗項目不同而異。如果將各項目按測量對象進一步分解，則可劃分成以下各種基本的風洞測量方法：氣流壓力場、速度場和方向場測量，力和力矩測量，表面壓強測量，表面溫度測量，湍流測量，邊界層測量，動態參數測量，模型對氣流的作用測量以及流譜觀察和顯示等。

實驗設備 常規的實驗設備有低速、亞音速、跨音速、超音速和高超音速等各種風洞以及超高速實驗設備。水槽和水洞作為輔助設備也用於觀察流態。這些實驗設備通常由動力系統、設備本體和測量控制系統組成。主要測量儀器包括各種類型的風洞天平、測量氣流參數的探頭和感測器、壓力計、熱線風速儀、激光測速儀、頻譜分析儀，以及用於氣動光學測量的紋影儀、陰影儀和干涉儀等。

然而，在實踐中能量和費用限制了風洞的尺寸和模擬範圍，不可能在風洞中實現無限空間的真實飛行條件，因此存在風洞洞壁對實驗的影響，稱為洞壁干擾；實驗雷諾數達不到飛行的數值而帶來的誤差，稱為尺度效應；模型的支承產生的支架干擾。其他模擬參數達不到真實飛行條件也會帶來誤差，這些實驗誤差必須在實驗數據處理中加以修正。這些修正方法也是實驗空氣動力學的一項重要內容。為了消除這些誤差和提高風洞的模擬能力，從70年代起開始發展自修正風洞、大型低溫風洞和磁懸掛技術。

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