流體力學(xué)方面的風(fēng)洞實驗指在風(fēng)洞中安置飛行器或其他物體模型，研究氣體流動及其與模型的相互作用，以了解實際飛行器或其他物體的空氣動力學(xué)特性的一種空氣動力實驗方法；而在昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)方面則是在一個有流通空氣的矩形空間中，觀察活體蟲子對氣味物質(zhì)的行為反應(yīng)的實驗。
空氣動力學(xué)實驗分實物實驗和模型實驗兩大類 。實物實驗如飛機飛行實驗和實彈發(fā)射實驗等，不會發(fā)生模型和環(huán)境等模擬失真問題，一直是鑒定飛行器氣動性能和校準(zhǔn)其他實驗結(jié)果的zui終手段，這類實驗的費用昂貴，條件也難控制，而且不可能在產(chǎn)品研制的初始階段進(jìn)行，故空氣動力學(xué)實驗一般多指模型實驗。空氣動力學(xué)實驗按空氣（或其他氣體）與模型（或?qū)嵨铮┊a(chǎn)生相對運動的方式不同可分為3類：
①空氣運動，模型不動，如風(fēng)洞實驗 。
②空氣靜止，物體或模型運動，如飛行實驗、模型自由飛實驗（有動力或無動力飛行器模型在空氣中飛行而進(jìn)行實驗）、火箭橇實驗（用火箭推進(jìn)的在軌道上高速行駛的滑車攜帶模型進(jìn)行實驗）、旋臂實驗（旋臂機攜帶模型旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行實驗）等。
③空氣和模型都運動，如風(fēng)洞自由飛實驗（相對風(fēng)洞氣流投射模型而進(jìn)行實驗）、尾旋實驗（在尾旋風(fēng)洞上升氣流中投入模型，并使其進(jìn)入尾旋狀態(tài)而進(jìn)行實驗）等。
進(jìn)行模型實驗時，應(yīng)保證模型流場與真實流場之間的相似，即除保證模型與實物幾何相似以外，還應(yīng)使兩個流場有關(guān)的相似準(zhǔn)數(shù)，如雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、普朗特數(shù)等對應(yīng)相等（見流體力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)）。
實際上，在一般模型實驗（如風(fēng)洞實驗）條件下，很難保證這些相似準(zhǔn)數(shù)全部相等，只能根據(jù)具體情況使主要相似準(zhǔn)數(shù)相等或達(dá)到自準(zhǔn)范圍。例如涉及粘性或阻力的實驗應(yīng)使雷諾數(shù)相等；對于可壓縮流動的實驗，必須保證馬赫數(shù)相等，等等。應(yīng)該滿足而未能滿足相似準(zhǔn)數(shù)相等而導(dǎo)致的實驗誤差，有時也可通過數(shù)據(jù)修正予以消除，如雷諾數(shù)修正。洞壁和模型支架對流場的干擾也應(yīng)修正。
空氣動力學(xué)實驗主要測量氣流參數(shù)，觀測流動現(xiàn)象和狀態(tài)，測定作用在模型上的氣動力等。實驗結(jié)果一般都整理成無量綱的相似準(zhǔn)數(shù)，以便從模型推廣到實物。
二、實驗原理
風(fēng)洞一般稱之為風(fēng)洞試驗。簡單地講，就是依據(jù)運動的相對性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛?/span>人工環(huán)境中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取試驗數(shù)據(jù)。這是現(xiàn)代飛機、實彈、火箭等研制定型和生產(chǎn)的“綠色通道"。簡單的說，風(fēng)洞就是在地面上人為地創(chuàng)造一個“天空"。至于我們國家的風(fēng)洞為什么會選擇建在大山深處，那是歷史原因造成的。
空氣動力學(xué)是目前世界科學(xué)領(lǐng)域里zui為活躍、有發(fā)展?jié)摿Φ?/span>學(xué)科之一。世界各發(fā)達(dá)國家對空氣動力學(xué)的發(fā)展都給予了高度重視，不惜花費巨額資金建設(shè)空氣動力試驗設(shè)施并開展研究工作。
美國早在80年代中期出臺的震撼的超級跨世紀(jì)工程——“星球大戰(zhàn)"計劃中，就曾把作為基礎(chǔ)學(xué)科的空氣動力學(xué)放在非常突出的重要位置上。的確，如果不先在空氣動力學(xué)上獲得重大突破，這個將耗資1萬億美元的超級工程，很多關(guān)鍵技術(shù)將無法解決。緊接著在1985年發(fā)表的“美國航空航天2000年"中，也把空氣動力學(xué)列為需要解決的七個問題中的*個。而剩下的六個問題中還有四個與空氣動力學(xué)有關(guān)。這使美國花費巨額投資研制了每秒20億次的超級計算機專門為空氣動力學(xué)研究服務(wù)。
前蘇聯(lián)在“十月革命"勝利后的第二年，列寧就下令組建了國家空氣動力研究機構(gòu)——中央流體動力研究院，并任命“俄羅斯航空之父"茹可夫斯基擔(dān)任院長，這一決策為前蘇聯(lián)成為世界上另一個航天大國奠定了堅實的基礎(chǔ)。二次大戰(zhàn)之前，斯大林曾下令建造了世界上*座可用于進(jìn)行整架飛機試驗的全尺寸風(fēng)洞。與美國相比，前蘇聯(lián)在空氣動力學(xué)的整體水平上毫不遜色，甚至在許多方面都高于美國，它在航空航天領(lǐng)域取得的一系列成就足以說明這一點。
英、法兩國在二次大戰(zhàn)前均為的老牌航空先進(jìn)國家，然而戰(zhàn)后他們突然發(fā)現(xiàn)自己比美、蘇等國落后了一截，于是兩國重振旗鼓、奮起直追。在戰(zhàn)后第二年，法國政府便決定把因戰(zhàn)爭和被占領(lǐng)分散到全國各地的研究機構(gòu)組織到一起，組建了國家空氣動力研究機構(gòu)，并在阿爾卑斯山腹地開始創(chuàng)建莫當(dāng)試驗中心，堪稱世界*的大功率空氣動力試驗風(fēng)洞設(shè)備。曾經(jīng)發(fā)明了世界上*座風(fēng)洞的英國人更是不甘落后，除了政府加強對空氣動力學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)規(guī)劃之外，充分利用大學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)科的研究。據(jù)有關(guān)資料透露，在英國的46所大學(xué)里，至少有30個以上高水平的空氣動力研究試驗室。
日本在戰(zhàn)后受到限制的情況下，航空工業(yè)曾有過長達(dá)8年的空白。但在此期間，其基礎(chǔ)研究——空氣動力學(xué)則進(jìn)展神速。僅60年代，就先后仿制出11種飛機，自行設(shè)計8種飛機。
四、不足之處
風(fēng)洞實驗既然是一種模擬實驗，不可能*準(zhǔn)確。概括地說，風(fēng)洞實驗固有的模擬不足主要有以下三個方面。與此同時，相應(yīng)也發(fā)展了許多克服這些不足或修正其影響的方法。
1.邊界效應(yīng)或邊界干擾
真實飛行時，靜止大氣是無邊界的。而在風(fēng)洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界
附近的流線彎曲，使風(fēng)洞流場有別于真實飛行的流場。其影響統(tǒng)稱為邊界效應(yīng)或邊界干擾。克服的方法是盡量把風(fēng)洞試驗段做得大一些(風(fēng)洞總尺寸也相應(yīng)增大)，并限制或縮小模型尺度，減小邊界干擾的影響。但這將導(dǎo)致風(fēng)洞造價和驅(qū)動功率的大幅度增加，而模型尺度太小會使雷諾數(shù)變小。近年來發(fā)展起一種稱為"自修正風(fēng)洞"的技術(shù)。風(fēng)洞試驗段壁面做成彈性和可調(diào)的。試驗過程中，利用計算機，粗略而快速地計算相當(dāng)于壁面處流線應(yīng)有的真實形狀，使試驗段壁面與之逼近，從而基本上消除邊界干擾。
2.支架干擾
風(fēng)洞實驗中，需要用支架把模型支撐在氣流中。支架的存在，產(chǎn)生對模型流場的干擾，稱為支架干擾。雖然可以通過試驗方法修正支架的影響，但很難修正干凈。近來，正發(fā)展起一種稱為"磁懸模型"的技術(shù)。在試驗段內(nèi)產(chǎn)生一可控的磁場，通過磁力使模型懸浮在氣流中。
3.相似準(zhǔn)則不能滿足的影響
風(fēng)洞實驗的理論基礎(chǔ)是相似原理。相似原理要求風(fēng)洞流場與真實飛行流場之間滿足所有的相似準(zhǔn)則，或兩個流場對應(yīng)的所有相似準(zhǔn)則數(shù)相等。風(fēng)洞試驗很難*。zui常見的主要相似準(zhǔn)則不滿足是亞跨聲速風(fēng)洞的雷諾數(shù)不夠。以波音737飛機為例，它在巡航高度(9000m)上，以巡航速度(927km/h)飛行，雷諾數(shù)為2.4×107，而在3米亞聲速風(fēng)洞中以風(fēng)速100m/s試驗，雷諾數(shù)僅約為1.4×106，兩者相距甚遠(yuǎn)。提高風(fēng)洞雷諾數(shù)的方法主要有:
(1)增大模型和風(fēng)洞的尺度，其代價同樣是風(fēng)洞造價和風(fēng)洞驅(qū)動功率都將大幅度增加。如上文所說俄國的全尺寸風(fēng)洞。
(2)增大空氣密度或壓力。已出現(xiàn)很多壓力型高雷諾數(shù)風(fēng)洞，工作壓力在幾個至十幾個大氣壓范圍。我國也正在研制這種高雷諾數(shù)風(fēng)洞。
(3)降低氣體溫度。如以90K(-1830C)的氮氣為工作介質(zhì)，在尺度和速度相同時，雷諾數(shù)是常溫空氣的9倍多。世界上已經(jīng)建成好幾個低溫型高雷諾數(shù)風(fēng)洞。我國也研制了低溫風(fēng)洞，但尺度還比較小。
五、實驗優(yōu)點
風(fēng)洞實驗盡管有局限性，但有如下四個優(yōu)點：①能比較準(zhǔn)確地控制實驗條件，如氣流的速度、壓力、溫度等；②實驗在室內(nèi)進(jìn)行,受氣候條件和時間的影響小,模型和測試儀器的安裝、操作、使用比較方便；③實驗項目和內(nèi)容多種多樣，實驗結(jié)果的度較高；④實驗比較安全，而且效率高、成本低。因此，風(fēng)洞實驗在空氣動力學(xué)的研究、各種飛行器的研制方面，以及在工業(yè)空氣動力學(xué)和其他同氣流或風(fēng)有關(guān)的領(lǐng)域中，都有廣泛應(yīng)用。
六、其他應(yīng)用
昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)的風(fēng)洞實驗
近年來風(fēng)洞技術(shù)已成為昆蟲性信息素研究中*的實驗手段。它用于監(jiān)測粗提物和分離餾分的生物活性，判斷鑒定出來的性信息素組分是否完整。一般來說，風(fēng)洞實驗的結(jié)果是非常接近于田間情況的；利用風(fēng)洞實驗可以模擬昆蟲的田間飛翔能力，其中zui重要的一項研究是測量昆蟲的飛行周期和飛行的持久性；利用風(fēng)洞實驗還可以研究性信息素濃度對昆蟲飛行行為的影響。
七、觀察方法
風(fēng)洞中流態(tài)觀察方法大致為分兩類：*類是示蹤方法；第二類是光學(xué)方法。
示蹤方法 在流場中添加物質(zhì)，如有色液體、煙、絲線和固體粒子等，通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形。只要添加物足夠小，而且比重和流動介質(zhì)接近，顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法，特別適合于顯示定常流動。常用的有絲線法、煙流法、油流法、升華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種：
①絲線法 將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型后的網(wǎng)格上,由絲線的運動(絲線轉(zhuǎn)動、抖動或倒轉(zhuǎn)) 可以判明氣流的方向和分離區(qū)的位置以及空間渦的位置、轉(zhuǎn)向等。圖6為一個模型實驗時機翼的絲線顯示氣體流動圖?，F(xiàn)在又發(fā)展到用比絲線更細(xì)的尼龍絲，有時細(xì)到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理后再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，并且可以拍攝下來。粘絲很細(xì)，對模型沒有影響，可同時進(jìn)行測力實驗。此法稱為熒光絲線法。
②煙流法 用風(fēng)洞中特制煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設(shè)了不少煙風(fēng)洞。通常是在風(fēng)洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產(chǎn)生的煙引入風(fēng)洞；也有將涂有油的不銹鋼或鎢絲放在模型前，實驗時通電將鎢絲加熱,產(chǎn)生細(xì)密的煙霧。為了保證煙束清晰不散,必須采用大收縮比的收縮段、穩(wěn)定段或風(fēng)洞入口加裝抗湍流網(wǎng)和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態(tài)。煙流法除用于觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結(jié)構(gòu)。圖7為模型煙流實驗中拍攝的照片。
③油流法 在粘性的油中摻進(jìn)適量指示劑(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊狀液態(tài)物，均勻地涂在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結(jié)構(gòu)，顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量熒光染料，則在紫外線照射下可以顯現(xiàn)出熒光條紋圖，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區(qū)、激波與邊界層相互干擾等流動現(xiàn)象。圖8為模型油流實驗照片。
④升華法 將揮發(fā)性的液體或容易升華的固體噴涂在模型表面，依據(jù)涂料從模型上散失的速度與邊界層狀態(tài)有關(guān)的原理（在湍流邊界層內(nèi)由于氣流的不規(guī)則運動導(dǎo)致該處蒸發(fā)量或升華量大于層流處）來區(qū)分邊界層狀態(tài)，確定過渡點的位置。
⑤蒸汽屏法 在風(fēng)洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經(jīng)過光面時，由于離心力的作用，旋渦內(nèi)外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。
⑥液晶顯示法 利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物,溫度較低時，無色透明,隨著溫度上升，便以紅、黃、綠、藍(lán)、無色的順序改變，能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前后的溫差。它適用于高速和超聲速流態(tài)觀察。液晶的涂法與漆類似，先稀釋，再噴涂。液晶對污物雜質(zhì)敏感，噴涂時，模型表面必須干凈。
光學(xué)方法 根據(jù)光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理制造出來的光學(xué)儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀(見風(fēng)洞測試儀器)和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形。這種方法不在流場中添加其他物質(zhì)，不會干擾氣體流動，而且可以在短時間內(nèi)采集大量的空間數(shù)據(jù)。它是一種直接顯示方法，特別適合于觀察可壓縮流動和非定常流動，如激波、尾流和邊界層過渡等。
除了以上兩大類方法外，還有一種向流場中注入能量的方法。如在低密度風(fēng)洞中向氣流發(fā)射電子束，使氣體分子激發(fā)出熒光，熒光的光通量與氣流密度大小有關(guān)。根據(jù)光通量的變化，就可以顯示出氣流密度的變化，這種方法可以顯示高超聲速稀薄氣體流動的激波位置和形狀以及用于定量測量流場密度。
70年代后期，發(fā)展出一種彩色照相圖示流態(tài)觀察技術(shù)。它用總壓探管在所測流場區(qū)域掃描，并將感受的壓力轉(zhuǎn)換成電壓值。根據(jù)不同的電壓觸發(fā)不同顏色的光，在照相機上曝光。通過多種顏色信號光記錄的流場等壓線圖，可以清晰地看到渦旋分布和飛機模型后的渦流圖像。這項技術(shù)zui近發(fā)展成為直接把傳感器感受的壓力信號記錄在磁帶上，并輸入計算機處理。傳感器探頭可以用壓力探頭也可以用熱絲或熱膜或其他探頭。處理后的數(shù)據(jù)可由彩色電視顯示。因為不用照相裝置，而代之以計算機，這就帶來了很大的方便：可以一次處理很多數(shù)據(jù)（可以是一個也可以是好幾個探頭感受的數(shù)據(jù)）；顯示的顏色可多達(dá)4 096種（但由于人眼分辨率的限制,常用的也只有20～30種）；對于特別有興趣的區(qū)域可以放大和增加顏色詳細(xì)顯示；此外，還可以根據(jù)需要，旋轉(zhuǎn)顯示的數(shù)據(jù)平面，以得到從不同角度觀察的流場彩色顯示圖像。例如，可以在垂直風(fēng)洞軸線的平面觀察，也可以在平行風(fēng)洞軸線的平面或其他任意平面觀察。高分辨率的彩色電視屏幕可以用顏色和箭頭表示流動方向。
