为什么要进行风洞试验的基本原理是

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-11-25 01:15 标签： 风洞试验的基本原理是
2015-03-21 00:30
来源:
知乎每日精选
觉得大家的答案很好，但是没有背景的人理解起来似乎不太容易，试着写一个简单易懂的答案。
一句话来回答：因为湍流
话说著名理论物理学家海森堡（搞量子力学那个）临去世前说，他要去问上帝两个问题：相对论和湍流，他估计上帝能回答他第一个问题。 [1] 按海森堡的意思，估计上帝也不知道湍流这个怪物怎么回事。
1. 什么是湍流
想像一个水平的管子，里面平静的流着很慢很慢的水，流动是稳定又容易预测的，这时的情况叫层流。比如打点滴，你大概可以想像出来水是怎么流动的，在每一个位置，每一个时刻，水的流动都是平静又有序的。回到那根水平的管子，我们让里面的液体流的更快一些，也容易想像，水流的特别特别快时候，流着流着就乱了。不再是均匀的往一个方向流，而是有些地方出现了大大小小的漩涡，大的漩涡又会套着小漩涡。也不再是平静的了，漩涡会自己产生又自己消失。不同的位置，不同的时间，水的流动看起来又有些相似，又完全不一样。这种时候就是发生湍流（Turbulence）了，也有人叫紊流，取紊乱的意思。按我老师的说法，湍流是没有公认的严格的定义的（从中你可以看出来问题的复杂性）。一种比较流行的说法是：湍流是随机的三维非定常有旋流动。
2. 为什么湍流很麻烦
大家应该很熟悉三体问题，湍流和三体问题很像，是个混沌的问题（不过还没有严格证明）。简单的说就是你不能总结一个什么公式，往里一带就能知道流动是什么样的。只要有湍流的存在，就没有什么解析的解了。所以想显式的求出流动的解析解是不可能的，所以理论的方法不能用了。
既然没有理论解法，那数值方法呢？行，但是不够好。为什么说行呢，因为直接做离散化，求解NS方程，其实确实可以模拟出湍流的过程。那怎么个不够好法呢，一是时间上的问题，湍流的产生、发展、消失是很快很快的，如果直接求解，时间步长上必然需要足够的精细。这个时间步长又是和湍流的强度有关系的，流速越快，越容易有湍流，越需要更短的时间步长，计算量越大。就目前来讲，想完整的模拟出湍流的细节计算量太大，没有任何一个超级计算机可以应付的来。二是空间上的问题，流动问题一个特点是局部的细节会严重的影响整个流动，举个例子，高尔夫球上的小坑相对球来讲算是很小的了，但是会严重的影响球在飞行中的阻力，有坑的球和没坑的相比，阻力系数可以差4~5倍，同样是有坑的球，即使只有0.0025厘米这么小的差异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。所以在空间离散上也必须要求足够精细，或者说网格必须够小够多。时间上的复杂性和空间上的复杂性，都使得数值模拟随便一个问题的计算量的大到无法接受。
所以说，现在的模拟都是采用了平均的方法，简单说就是不管湍流的细节，从总体上做一个平均的估计，从而在较长时间较大尺度下，得到一个平均的值。具体平均的方法，只能是靠实验+经验公式。*而且，即使是在这些经验公式基础上，数值模拟依然计算量很大，而且并不十分准确*。
3. 为什么风洞能解决问题
风洞试验也分好几种，最简单的就是把造好的东西扔里面看看能不能用，能用就用。这种风洞试验当然能解决问题。
还有一种，是所谓“相似性”的方法。直接试验成本太高了，那么可以做一个较小的模型，在较小的风速下试验。如果试验参数和实际工作参数在物理上满足相似性，那么我们认为流动是相似的。这样做出的实验，其实可得到的是一种流动情况下的结果，对于所有“相似”的流动，我们认为它们都符合同一种规律。有很大一部分的风洞试验都是用了这种相似性原理。
因为有了相似性原理，风洞试验的结论可以在相似的条件下应用，所以不需要每次都重新试验。
另外，需要进行流动设计的工程一般都不缺钱，飞机、导弹、潜艇、赛车。风洞实验虽然成本高，但是人家有钱。
4. 为什么这么多年，理论和数值方法还是不能解决问题
首先先说，在自然科学里，数值方法再高端，也不能完全替代实验。这是科学方法和哲学上的问题
然后说在工程设计里，为什么理论方法和数值方法发展了这么多年，还是不够看。一是这个问题很难很难，几代人的发展都不够。二是计算流体力学其实发展历史并不是很长，不过三四十年的历史。三是这个领域（我指的是计算流体力学），还没有真正的大家出现。做实验工程上能用，问题又这么平凡（不像理论物理那样揭示世界的本质），所以这个领域没有吸引到最顶尖的那群人。
5. 总结
由于流体运动中有湍流的现象，使得流动问题根本没有解析的理论解。而数值又因为湍流变化快、尺度小、影响大，导致计算量过大，目前的计算能力不能直接数值模拟。平均的数值方法速度依然很慢、准确程度也不够。而实验的方法尽管成本高，但是由于流动的相似性，使得实验有很大的科学和工程价值。因此，目前工程设计中仍大量使用试验方法。
[1]: Turbulence
来源：知乎www.zhihu.com
作者：肖剑
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2023-05-22 14:58
来源:
流场测控技术发布于：辽宁省
风洞实验，就是通过人工模拟流场环境，将试验物体放置其中进行空气动力学实验，并对标定点位进行压力、温度、流速、流向等参数的测量。风洞实验中被测物体分实物和模型两种，应用实物做风洞实验，当然取得的数据会更加精准可靠，但如果被测物体过于庞大，则会对相应的风洞实验室建设提出高要求，比如汽车的风洞实验，如采用实车测试，则需巨大的风洞实验室，建设投入将以千万乃至亿元计，而且每次的测试都会费用不菲，一款新车的风洞实验测试可能要做成百上千次，总体费用算下来，估计没有几家企业能承担得起，更不用说航空航天等飞行器的风洞实验，很难会有可针对飞行器实物进行试验的风洞实验室了。因此，风洞实验大都采用模型实验，既节省费用，又能获得精确可用的实验参数。
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在我国海滨城市大连，就有一家专业的民营风洞实验室，她就是大连温特纳科技有限公司（简称温特纳）风洞实验室。温特纳是一家流场测控全过程解决方案提供商，具备10余年的流场测控经验。温特纳拥有一支专业的气动工程师团队，可以为客户提供气动探针设计和生产制造、探针校准/标定、压力扫描阀的定制提供、测试软件定制研发、风洞实验等流场测控领域里的全流程专业服务。不仅如此，温特纳还拥有自己的低速、亚音速和超音速风洞实验室，可以为客户提供气动性能基础研究试验、小型无人机试验、探针校准、车载机载部件试验等多种类气动试验服务，目前已为国内上百家科研院所和院校提供了相关科研服务。温特纳风洞实验室愿意为国内外各领域的空气动力学实验贡献力量。返回搜狐，查看更多
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