风洞发展现状及趋势研究.pdf

1、航空科学基金 Aeronautical Science FundAERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY2010/4 航空科学技术综 述 Overview5合 后 可 构 成 三 种 性 能 不 同 的 FRML，分 别 称 为 GLARE 、 ARALL、 CARE和TiGr。 GLARE是 一 种 短 玻 璃 纤 维 增 强铝 合 金 ， 大 约 比 铝 合 金 轻 25%， 有 更好 的 抗 疲 劳 强 度 和 抗 冲 击 性 。 GLARE的 一 个 优 点 是 成 形 零 件 可 以 像 铝 合 金构 件 一 样 铆 接 到 飞 机 上 ， 并 且 可 以

2、如同 整 体 铝 合 金 件 一 样 钻 孔 和 切 削 ， 因此 可 以 使 用 同 样 的 工 具 进 行 修 理 。CARE很 难 彻 底 解 决 碳 纤 维 与 铝 合 金之 间 的 接 触 腐 蚀 问 题 ， 因 此 迄 今 无 商业 化 产 品 。 TiGr是 钛 和 石 墨 的 化 合 物构 成 的 复 合 材 料 ， 即 无 电 化 学 腐 蚀 问题 ， 又 可 进 一 步 提 高 综 合 性 能 ， 特 别是 高 温 性 能 ， 应 用 前 景 广 阔 。 空 客 公司 采 用 GLARE材 料 制 造 A380上 机 身壁 板 ， 1架 飞 机 使 用 27块 ， 最 长

3、的 达 11米 ， 总 面 积 470m2， 使 飞 机 重 量 减 轻800kg。 波 音 公 司 则 选 用 了 TiGr材 料 制造 787的 机 翼 和 机 身 蒙 皮 。胶 接 蜂 窝 夹 层 结 构 也 是 一 种 特 殊的 结 构 用 复 合 材 料 ， 它 把 蜂 窝 材 料 夹在 两 块 面 板 之 间 并 用 胶 黏 剂 粘 接 。 因为 具 有 良 好 的 比 强 度 和 比 刚 度 ， 在 未来 的 大 型 军 用 运 输 机 及 无 人 机 等 机 体上 有 相 当 广 泛 的 应 用 前 景 。4 结 束 语在 以 上 技 术 基 础 上 ， 业 界 开 展 了复

4、合 材 料 快 步 成 形 法 、 流 动 成 形 法 和新 注 塑 成 形 法 等 技 术 研 究 。另 外 ， 还 开 发 了 复 合 材 料 连 接件 、 低 成 本 工 装 、 用 磨 擦 发 光 材 料 检测 复 合 材 料 结 构 损 伤 、 应 用 高 温 传 感器 检 测 碳 -碳 复 合 材 料 的 结 构 完 整 性以 及 层 合 复 合 材 料 断 裂 及 失 效 的 预 测技 术 等 。 随 着 纳 米 技 术 的 发 展 ， 在 美国 国 防 预 先 研 究 局 的 资 助 下 ， 美 国 的高 校 已 成 功 制 备 出 连 续 碳 纳 米 管 复 合材 料 纤 维

5、 ， 在 储 能 “ 电 子 纺 织 品 ” ，人 工 肌 肉 以 及 能 制 造 微 型 飞 行 器 的 多功 能 纤 维 上 有 潜 在 用 途 。 此 外 ， 美 国LVH涂 层 公 司 应 用 纳 米 复 合 材 料 技 术来 实 现 航 空 航 天 工 业 用 的 透 明 电 沉 积层 ， 其 耐 磨 性 据 称 是 传 统 有 机 涂 层 的10倍 以 上 。 未 来 随 着 复 合 材 料 材 料 技术 研 究 的 深 入 ， 其 应 用 范 围 将 向 更 广泛 的 领 域 扩 展 。 风洞发展现状及趋势研究摘 要: 本文在简要回顾风洞发展历程的基础上，分析研究了为适应二十一世

6、纪航空航天器发展要求，风洞在升级改造、新建和未来发展方面呈现出的新趋势，探讨了工业生产型风洞在试验运营管理模式方面出现的新变化。关键词 ： 风洞建设；风洞试验；风洞管理战培国/中国空气动力研究与发展中心 赵 昕/绵阳职业技术学院Wind Tunnels Development Status and Trends 风洞 设 备 的 建 设 发 展 与 航 空 航 天 飞行 器 研 制 紧 密 相 联 。 在 航 空 飞 行器 发 展 早 期 ， 对 空 气 动 力 问 题 的 探 究促 使 了 风 洞 的 诞 生 。 1871年 ， 英 国 人温 霍 姆 建 造 了 世 界 上 第 一 座 风

7、洞 。 随着 飞 机 、 导 弹 、 航 天 飞 行 器 发 展 ， 20世 纪 30 80年 代 ， 迎 来 了 风 洞 建 设 的高 峰 期 ， 低 速 、 跨 声 速 、 超 声 速 、 高超 声 速 各 类 型 风 洞 得 到 快 速 发 展 。 据不 完 全 统 计 ， 目 前 世 界 各 国 建 成 的 生产 型 风 洞 大 约 有 300余 座 。20世 纪 90年 代 以 来 ， 随 着 经 济全 球 化 发 展 ， 面 对 激 烈 的 风 洞 试 验 市场 竞 争 和 未 来 高 性 能 飞 行 器 研 制 的 挑战 ， 发 达 国 家 开 始 规 划 研 究 21世 纪 航

8、空 航 天 业 对 风 洞 试 验 设 备 的 需 求 ， 风洞 建 设 和 运 营 呈 现 出 新 的 发 展 趋 势 。 风 洞 发 展 简 要 回 顾风 洞 设 备 的 发 展 大 致 经 历 了 低速 风 洞 发 展 阶 段 、 超 声 速 风 洞 发 展 阶段 、 跨 声 速 风 洞 发 展 阶 段 、 高 超 声 速风 洞 发 展 阶 段 、 风 洞 设 备 更 新 改 造 和稳 定 发 展 阶 段 、 风 洞 设 备 发 展 适 应 新需 求 、 探 索 新 概 念 风 洞 发 展 阶 段 。20世 纪 90年 代 ， 随 着 经 济 全 球 化和 型 号 发 展 数 量 的 减

9、 少 ， 一 方 面 ， 风洞 设 备 在 数 量 上 呈 现 出 过 剩 状 态 ； 另一 方 面 ， 又 缺 少 能 满 足 未 来 型 号 精 细化 发 展 要 求 的 高 性 能 风 洞 。AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY2010/4 航空科学技术综 述 Overview2 近 期 风 洞 改 造 和 建 设2. 工 业 生 产 型 风 洞 的 更 新 改 造早 期 建 设 的 风 洞 功 能 单 一 ， 在 某些 性 能 方 面 或 考 虑 不 全 或 受 当 时 条 件限 制 ， 不 能 适 应 未 来 型 号 研 制 发 展 的要 求 。 考 虑

10、 到 风 洞 建 设 周 期 长 ， 投 资大 的 特 点 ， 有 重 点 地 对 主 要 生 产 型 风洞 进 行 技 术 改 造 仍 是 一 些 发 达 国 家 风洞 建 设 发 展 途 径 之 一 。1） 风 洞 功 能 扩 展 改 造2 0世 纪 末 ， 美 国 开 始 对 2 4 m 3 6 m全 尺 寸 风 洞 进 行 声 学 试 验 段 改造 ， 其 目 标 是 将 风 洞 24m36m试 验段 改 造 为 无 回 声 试 验 段 ， 使 试 验 段 内80 20000Hz的 噪 声 99%能 被 吸 收 。NASA的 高 空 风 洞 （ AWT） 也 进 行 了改 造 ， 将

11、风 速 从 Ma=0.6提 升 到 0.9,增加 了 风 洞 结 冰 和 声 学 试 验 能 力 ,对 试 验段 、 风 洞 回 路 的 声 学 特 性 进 行 了 研 究和 处 理 。1 9 9 9年 ， 法 国 宇 航 院 直 径 8 m的 S 1 M A风 洞 完 成 了 声 学 试 验 段 改造 ， 在 风 速 0.85Ma范 围 内 ， 频 率 200 2000Hz的 风 洞 噪 声 得 到 有 效 抑 制 。2001年 ， 法 国 宇 航 院 对 F1低 速 风 洞 进行 了 声 学 试 验 段 改 造 ， 试 验 段 内 铺 设了 15cm厚 的 吸 声 层 ， 吸 声 频 率

12、范 围600 25000Hz。噪 声 问 题 已 引 起 现 代 风 洞 设 计 人员 的 关 注 。 一 方 面 风 洞 的 噪 声 影 响 风洞 流 场 品 质 ， 另 一 方 面 气 动 噪 声 研 究也 需 要 安 静 的 风 洞 试 验 环 境 。 未 来 型号 研 制 对 气 动 噪 声 研 究 有 大 量 试 验 需求 ， 大 型 生 产 型 风 洞 具 备 声 学 试 验 能力 ， 将 使 风 洞 的 竞 争 力 和 效 益 提 高 。2） 风 洞 性 能 提 升 改 造经 济 全 球 化 和 市 场 竞 争 将 使 未来 风 洞 试 验 任 务 向 性 能 更 好 的 风 洞

13、 集中 ， Re模 拟 能 力 是 工 业 生 产 型 风 洞 的重 要 性 能 指 标 之 一 。 提 高 风 洞 试 验 Re或 模 拟 能 力 是 风 洞 改 造 的 重 要 内 容 。NASA格 林 研 究 中 心 早 期 建 设 的结 冰 研 究 风 洞 （ IRT） 是 美 国 开 展 飞 机结 冰 以 及 部 件 结 冰 认 证 的 主 要 风 洞 。20世 纪 80年 代 后 ， 风 洞 就 在 不 断 的 更新 改 造 中 ， 风 洞 的 结 冰 模 拟 和 试 验 能力 得 到 大 幅 提 升 。英 国 皇 家 航 空 航 天 院 5m风 洞 和 法国 宇 航 院 F1风

14、洞 也 进 行 了 风 洞 系 统 的局 部 改 造 ， 这 两 座 风 洞 均 具 备 了 在 恒定 Ma数 下 ， 变 Re的 能 力 ， 它 能 使 半 模或 大 尺 度 发 动 机 短 舱 试 验 在 接 近 于 真实 Re数 下 进 行 。20世 纪 后 期 国 外 发 达 国 家 的 风 洞改 造 着 眼 于 21世 纪 型 号 研 制 对 风 洞 模拟 能 力 的 更 高 要 求 ， 更 注 重 主 力 风 洞的 性 能 改 善 、 功 能 扩 增 。 这 与 20世 纪70 80年 代 由 计 算 机 、 测 控 技 术 进 步所 带 来 的 风 洞 自 动 化 改 造 不 同

15、 ， 改 造对 象 不 是 普 遍 性 的 ， 而 是 针 对 主 要 工业 生 产 型 风 洞 。 2.2 新 风 洞 建 设20世 纪 末 ， 一 些 新 兴 的 经 济 强 国 为了 在 航 空 航 天 领 域 占 有 一 席 之 地 ， 开 始有 重 点 的 发 展 其 急 需 的 风 洞 设 备 。1) 韩 国 宇 航 研 究 院 （ KARI） 低 速风 洞韩 国 1998年 在 大 田 市 建 成 了 一 座4m 3m现 代 化 低 速 风 洞 。 虽 然 该 量 级的 风 洞 在 世 界 上 并 不 少 见 ， 但 韩 国 在 20世 纪 末 建 造 的 这 座 风 洞 ， 并

16、 不 是 以 前 此类 风 洞 的 简 单 翻 版 ， 它 在 风 洞 设 计 、 可扩 展 性 、 流 场 品 质 等 方 面 都 有 其 独 到 之处 。 考 虑 到 航 空 声 学 试 验 的 需 要 ， 风 洞设 计 过 程 中 进 行 了 声 学 设 计 ， 电 机 风 扇具 有 低 气 动 噪 声 ， 风 洞 回 路 的 许 多 部 位考 虑 了 预 留 安 装 声 学 装 置 的 需 要 ， 风 洞拐 角 的 导 流 片 也 进 行 了 声 学 修 型 。 风 洞试 验 段 可 更 换 。2) 日 本 铁 道 技 术 研 究 所 声 学 风 洞1996年 ， 日 本 三 菱 重

17、工 为 铁 道 技术 研 究 所 (RTRl)建 造 了 一 座 大 型 静 音风 洞 ， 试 验 段 出 口 宽 3m， 高 2.5m， 该风 洞 是 世 界 上 最 安 静 的 风 洞 ， 当 试 验风 速 为 300km/h时 ， 试 验 段 噪 声 不 大 于75dB。 该 风 洞 在 声 学 设 计 建 造 上 采 用了 一 些 降 噪 新 技 术 ， 如 在 喷 管 出 口 和 气流 收 集 段 入 口 装 有 毛 状 纤 维 织 物 等 。3) 意 大 利 航 天 中 心 结 冰 风 洞21世 纪 初 ， 意 大 利 航 天 研 究 中 心建 成 一 座 2m量 级 的 结 冰

18、风 洞 。 与 世界 上 其 他 各 国 的 结 冰 风 洞 相 比 ， 风 洞设 计 建 设 起 点 高 ， 是 一 座 现 代 化 的 多功 能 风 洞 。 如 ： 风 洞 具 有 增 压 风 洞 的特 点 ， 流 场 气 流 压 力 可 调 ， 试 验 Re范围 大 ； 风 洞 喷 雾 段 可 移 动 更 换 为 湍 流网 后 ， 结 冰 风 洞 就 转 换 为 低 湍 流 度 风洞 ， 提 高 了 风 洞 利 用 率 等 。 这 些 特 点大 大 增 强 了 该 风 洞 的 综 合 试 验 能 力4) 感 应 热 等 离 子 体 风 洞感 应 热 等 离 子 体 风 洞 是 通 过 高

19、频 电 发 生 器 以 感 应 偶 合 的 方 式 将 亚声 速 或 超 声 速 射 流 加 热 到 极 高 温 度（ 5000 10000 ） ， 此 时 气 体 被 电离 ， 处 于 等 离 子 态 。 这 种 等 离 子 风 洞 主要 用 于 防 热 研 究 。 欧 洲 空 间 局 专 家 认为 ， 该 风 洞 比 传 统 的 电 弧 风 洞 有 优 势 。1994年 ， 冯 卡 门 流 体 力 学 研 究 所 设 计 建造 了 一 座 世 界 最 大 的 1.2MW感 应 热 等离 子 体 风 洞 。这 些 国 外 新 建 设 风 洞 的 最 主 要特 点 是 风 洞 设 计 的 多

20、功 能 性 、 可 扩 展性 、 技 术 的 先 进 性 ， 风 洞 建 设 也 呈 现出 创 新 的 特 点 。 如 ： 日 本 建 设 的 立 式风 洞 既 不 同 于 欧 美 的 环 形 回 路 也 不 同于 俄 罗 斯 的 单 回 路 模 式 ， 而 是 在 常 规风 洞 的 基 础 上 增 设 可 更 换 立 式 试 验段 ， 大 大 提 高 了 风 洞 性 价 比 和 利 用率 ； 俄 罗 斯 设 计 了 安 装 于 真 空 室 中的 组 合 式 高 空 低 速 风 洞 ， 模 拟 高 度航空科学基金 Aeronautical Science FundAERONAUTICAL SC

21、IENCE & TECHNOLOGY2010/4 航空科学技术综 述 Overview730km， 满 足 了 研 制 近 空 间 低 速 飞 行 器的 需 要 。3 风 洞 发 展 的 未 来 趋 势未 来 飞 行 器 精 细 化 设 计 的 发 展 需求 以 及 等 离 子 体 、 磁 流 体 动 力 学 等 技术 在 未 来 飞 行 器 上 的 应 用 需 求 ， 对 现有 风 洞 模 拟 的 真 实 性 和 试 验 能 力 提 出了 挑 战 ， 促 使 发 达 国 家 致 力 于 新 概 念风 洞 的 研 究 ， 透 过 国 外 这 些 新 概 念 风洞 的 研 发 ， 可 以 想 象

22、 和 展 望 未 来 飞 行器 的 发 展 及 追 求 。3. “ 安 静 ” 气 流 风 洞如 今 人 们 已 认 识 到 ， 不 仅 气 动 声学 风 洞 需 要 “ 安 静 ” 的 风 洞 ， 高 品 质的 任 何 类 型 风 洞 都 需 要 “ 安 静 ” 的 风洞 。 如 韩 国 宇 航 院 建 设 的 4m3m低 速风 洞 ， 对 风 洞 背 景 噪 声 抑 制 的 考 虑 相比 世 界 上 现 有 的 同 类 风 洞 考 虑 的 要 更加 细 致 ， 流 场 品 质 也 更 好 。在 超 声 速 风 洞 和 高 超 声 速 风 洞领 域 ， 美 国 NASA从 未 放 弃 过 对

23、 “ 安静 ” 气 流 风 洞 的 探 索 研 究 。3.2 亚 声 速 高 升 力 飞 行 风 洞 （ HiLiFT）风 洞 Re模 拟 能 力 直 接 影 响 试 验 数据 的 准 确 性 。 要 通 过 常 规 手 段 进 一 步提 高 低 速 风 洞 Re模 拟 能 力 已 很 困 难 。经 过 多 年 论 证 研 究 ， NASA提 出 了 高升 力 飞 行 风 洞 （ HiLiFT） 的 概 念 。 它是 利 用 磁 悬 浮 推 进 技 术 推 动 试 验 模 型在 含 有 静 止 气 体 介 质 （ 空 气 或 氮 气 ）的 管 道 中 运 动 ， 气 体 介 质 可 以 实 现

24、 温控 和 增 压 ， 满 足 现 有 大 型 全 尺 寸 飞 机低 速 高 Re要 求 。3.3 跨 超 声 速 等 离 子 体 风 洞开 展 等 离 子 空 气 动 力 学 研 究 需要 等 离 子 体 风 洞 。 等 离 子 体 风 洞 主 要有 ： 微 波 驱 动 式 等 离 子 体 风 洞 、 电 弧式 等 离 子 体 风 洞 、 直 流 放 电 或 射 频 放电 式 等 离 子 体 风 洞 、 感 应 热 等 离 子 体风 洞 等 。 目 前 用 于 等 离 子 体 空 气 动 力学 研 究 的 风 洞 受 等 离 子 体 发 生 技 术 的限 制 ， 风 洞 试 验 段 尺 寸

25、都 非 常 小 ， 一般 只 有 几 英 寸 。3.4 高 超 声 速 试 验 与 评 估 风 洞 （ HSTEWT）美 国 正 致 力 于 发 展 吸 气 式 高 超 声速 飞 行 器 （ Ma为 1012） 。 而 现 有 的高 超 声 速 风 洞 设 备 试 验 时 间 太 短 ， 试验 段 气 体 的 化 学 成 份 改 变 ， 影 响 流 动模 拟 ， 因 此 不 能 满 足 该 类 飞 行 器 研 制需 要 。 美 国 在 20世 纪 90年 代 初 开 始 研究 能 够 满 足 吸 气 式 飞 行 器 模 拟 需 要 的高 超 声 速 试 验 评 估 风 洞 。 美 国 计 划

26、首先 研 制 中 等 尺 度 的 高 超 声 速 试 验 评 估风 洞 ， 其 试 验 段 直 径 1.52m， 长 6m，能 够 基 本 满 足 高 超 声 速 巡 航 导 弹 、 吸气 式 发 动 机 部 件 等 试 验 需 要 ， 并 为 下一 步 研 制 大 尺 度 高 超 声 速 试 验 评 估 风洞 做 好 技 术 储 备 。俄 罗 斯 在 风 洞 磁 流 体 动 力 加 速 、来 流 压 力 增 加 技 术 研 究 方 面 也 有 实 质性 进 展 。 3.5 数 值 风 洞过 去 的 几 十 年 ， 计 算 机 技 术 和计 算 方 法 的 发 展 ， 使 计 算 空 气 动

27、力 学得 到 长 足 发 展 ， 数 值 计 算 已 广 泛 应 用到 航 空 航 天 型 号 发 展 中 ， 数 值 计 算 与风 洞 试 验 相 结 合 提 高 了 型 号 研 发 的 效率 、 减 少 了 风 险 、 降 低 了 成 本 。 随 着计 算 机 计 算 能 力 的 进 一 步 提 高 ， 数 值计 算 技 术 、 虚 拟 现 实 技 术 和 仿 真 技 术的 进 一 步 发 展 和 融 合 ， 工 程 实 用 的 数值 风 洞 将 得 以 实 现 。4 风 洞 运 营 与 管 理 机 制 的 创 新随 着 全 球 经 济 一 体 化 的 发 展 ， 航空 航 天 研 制 型

28、 号 相 对 减 少 ， 但 对 风 洞试 验 要 求 不 断 提 高 。 为 了 应 对 激 烈 的市 场 竞 争 ， 工 业 生 产 型 风 洞 的 生 存 必须 具 备 三 个 条 件 ： 1） 满 足 型 号 研 制 要求 的 风 洞 模 拟 能 力 和 先 进 风 洞 试 验 技术 ； 2） 高 效 的 风 洞 试 验 生 产 率 ； 3）具 有 竞 争 力 的 风 洞 运 行 价 格 。为 了 提 高 生 产 效 率 ， 降 低 运 营 成本 ， 工 业 生 产 型 风 洞 的 建 设 和 运 营 引入 了 现 代 企 业 的 模 式 。 如 ： 欧 洲 四 国合 建 的 ETW风

29、 洞 就 采 用 了 组 建 ETW股 份 有 限 公 司 的 方 式 ， 负 责 风 洞 的 融资 、 建 设 和 运 营 。德 荷 的 DNW风 洞 也 进 行 了 资 产重 组 和 整 合 。 德 国 布 伦 瑞 克 的 3.25m 2.8m风 洞 （ NWB） 和 荷 兰 的 3.0m2.25m风 洞 （ LST） 都 已 成 为 DNW的 一部 分 。 设 备 的 配 套 化 、 专 业 化 和 人 员技 术 力 量 的 增 加 ， 使 DNW风 洞 在 试 验广 度 和 灵 活 性 方 面 显 著 提 高 。传 统 的 风 洞 运 营 一 般 按 试 验 速 度范 围 划 分 且

30、隶 属 于 不 同 的 部 门 管 理 ，如 果 客 户 的 一 个 型 号 任 务 覆 盖 低 、 跨超 或 高 超 范 围 ， 就 需 要 与 不 同 的 部 门和 试 验 人 员 打 交 道 ， 环 节 比 较 多 ， 效率 不 高 ， 客 户 也 不 方 便 。 为 此 ， 1994年NASA兰 利 中 心 建 立 了 以 客 户 为 中 心 的试 验 服 务 机 制 ， 组 建 了 风 洞 企 业 集 团（ WTE） ， 将 主 要 生 产 型 风 洞 统 一 纳入 WTE运 营 。 WTE的 成 立 改 变 了 传 统的 风 洞 运 营 观 念 ， 风 洞 试 验 被 视 为 企业

31、 的 一 个 产 品 并 通 过 了 ISO9001质 量 认证 ， 风 洞 试 验 生 产 率 、 成 本 、 客 户 满 意度 显 著 提 高 。法 国 宇 航 院 （ ONERA） 也 将 风 洞分 为 研 究 型 风 洞 和 生 产 试 验 型 风 洞 。研 究 型 风 洞 根 据 科 学 研 究 的 需 要 和 特点 运 行 管 理 相 对 灵 活 。 生 产 试 验 型 风洞 按 企 业 运 营 模 式 ， 如 ： 拥 有 大 型低 、 跨 、 超 和 高 超 生 产 型 风 洞 的 莫 当中 心 ， 风 洞 集 中 建 设 ， 统 一 管 理 ， 中心 的 风 洞 管 理 和 试 验 人 员 不 过 百 人 ，风 洞 生 产 效 率 很 高 ， 在 国 际 风 洞 试 验市 场 具 有 很 强 的 竞 争 力 。