李國(guó)峰 馮立昇

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 科學(xué)技術(shù)史研究院,呼和浩特 010022;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 理學(xué)院,包頭 014010;3.清華大學(xué) 科技史暨古文獻(xiàn)研究所,北京 100084)

風(fēng)洞(wind tunnel)自1871年由英國(guó)人弗蘭克斯·赫伯特·維納姆(Francis Herbert Wenham,1824—1908)發(fā)明以來(lái),一直是飛行器研制及航空研究必需的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。清華大學(xué)1936年建成中國(guó)首座自制風(fēng)洞。學(xué)界對(duì)這座風(fēng)洞的研制過(guò)程和取得的成就十分關(guān)注,做過(guò)許多研究和介紹[1-7],搞清了所涉機(jī)構(gòu)、主要人員和具體過(guò)程等,但對(duì)《清華大學(xué)機(jī)械工程系之航空風(fēng)洞》[8]、TheFirstChineseWindTunnel[9]、TheenergyratiooftheTsinghuawindtunnel[10]等核心史料的解讀還不夠細(xì)致。這些研究盡管注意到了這座風(fēng)洞的雷諾數(shù)、能量比、擾流度和天秤感量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的數(shù)值頗為優(yōu)秀,然而缺乏深入分析,未將雷諾數(shù)的理論值與實(shí)際值加以區(qū)分以致引起誤讀,亦未探尋能量比被清華風(fēng)洞設(shè)計(jì)者最為重視所蘊(yùn)涵的獨(dú)特設(shè)計(jì)理念,也沒(méi)有從關(guān)乎工作精度的擾流度和天秤感量等參數(shù)出發(fā)深究這座精密風(fēng)洞對(duì)中國(guó)早期的風(fēng)洞技術(shù)發(fā)展有怎樣的貢獻(xiàn)。本文在前人工作基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步研究,獲得了新的認(rèn)識(shí)。

1 中國(guó)首座自制風(fēng)洞：主體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1932年,清華大學(xué)創(chuàng)建機(jī)械工程學(xué)系,下設(shè)飛機(jī)與汽車工程組,開始發(fā)展航空教育與學(xué)術(shù)研究。1933年8月,機(jī)械工程學(xué)系開始籌建航空館與飛機(jī)庫(kù)房、研制實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞等。工學(xué)院院長(zhǎng)顧毓秀(1902—2002) 和機(jī)械工程學(xué)系主任莊前鼎(1902—1962) 指派王士倬(1905—1991) 負(fù)責(zé)籌建航空館并設(shè)計(jì)風(fēng)洞。1936年4月風(fēng)洞建成,一般稱為清華首座風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱“清華風(fēng)洞”)。清華聘請(qǐng)馮·卡門(Theodore von Krmn,1881—1963) 的學(xué)生、風(fēng)洞專家華敦德(Frank L.Wattendorf,1906—1986) 制定風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃并負(fù)責(zé)風(fēng)洞的運(yùn)營(yíng)。[9]七七事變爆發(fā)后,風(fēng)洞毀于日軍。

清華風(fēng)洞主要包括洞體、風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及天秤為核心的測(cè)量控制系統(tǒng)(圖1)。洞體由直徑粗細(xì)不一的實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)散段、回流段和收縮段組成封閉環(huán)狀(圖2)。運(yùn)行時(shí)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣流在洞體內(nèi)循環(huán),流過(guò)懸掛在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的待測(cè)模型,其受力情況由洞體外部的天秤實(shí)時(shí)測(cè)出。測(cè)試時(shí),根據(jù)運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理,模擬飛行器的飛行。由于氣流在洞內(nèi)循環(huán),故稱回流式。用于測(cè)試模型的實(shí)驗(yàn)段直徑1.52米(5英尺),可根據(jù)需要開、閉。該段氣流均勻且速度最大,一般所說(shuō)的風(fēng)洞尺度與風(fēng)速均指此處。[8]

圖1 中國(guó)首座自制風(fēng)洞外部側(cè)視圖(1)圖1和圖2,本文引用時(shí)添加了部分文字說(shuō)明。[8]

對(duì)于清華風(fēng)洞,評(píng)價(jià)其技術(shù)水平的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)主要有雷諾數(shù)(Reynolds number)(2)雷諾數(shù)是為紀(jì)念英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家、工程師雷諾(Osborne Reynolds,1842—1912)而命名,記作Re,可用來(lái)表征流體的流動(dòng)情況,判別粘性流體的流動(dòng)狀態(tài),例如流體是層流還是湍流,也可用來(lái)確定物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力。、能量比(energy ratio)、擾流度(turbulence degree)及天秤感量4項(xiàng),分別反映風(fēng)洞3個(gè)不同方面的性能。

雷諾數(shù)的物理意義是物體在靜止空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的慣性力與粘性力之比。氣動(dòng)特性中與粘性有關(guān)的現(xiàn)象,諸如附面層流態(tài)、氣動(dòng)阻力、分離流動(dòng)與失速特性、激波與附面層相互干擾等,都受雷諾數(shù)的影響。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,要求保持模型與全尺寸飛行器飛行狀態(tài)的相似,雷諾數(shù)相似是一條重要準(zhǔn)則。對(duì)于規(guī)模較小的風(fēng)洞而言,實(shí)驗(yàn)一般采用縮比模型,因此實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)往往小于飛行器飛行雷諾數(shù)。欲使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果,必須將其修正到飛行雷諾數(shù)。但是,將實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)修正到飛行雷諾數(shù),其過(guò)程比較復(fù)雜,故而設(shè)計(jì)風(fēng)洞時(shí)力求提高雷諾數(shù),使之與飛行雷諾數(shù)接近。風(fēng)洞的雷諾數(shù)越接近真實(shí)飛行器的雷諾數(shù),則從模型采集的空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測(cè)飛行器的飛行性能就越準(zhǔn)確。

能量比是實(shí)驗(yàn)段氣流的動(dòng)能流率,即單位時(shí)間通過(guò)的動(dòng)能與通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的功率之比。它反映風(fēng)洞的能源利用效率,能量比的數(shù)值越高,表明風(fēng)洞的效率越高。

擾流度和天秤涉及風(fēng)洞的工作精度。前者表征流體的流動(dòng)性,擾流度越小,表示流體的流動(dòng)越穩(wěn)定、均勻;后者關(guān)系到模型空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的讀取精度,主要體現(xiàn)在天秤的感量上,感量越小,測(cè)量越精確。

前人的研究存在三個(gè)問(wèn)題：(1)對(duì)雷諾數(shù)存在誤讀;(2)對(duì)能量比未予足夠重視;(3)對(duì)擾流度和天秤精度缺乏進(jìn)一步的分析。這些狀況影響到對(duì)這座風(fēng)洞的精準(zhǔn)認(rèn)識(shí)。

2 雷諾數(shù)：誤讀與再解讀

風(fēng)洞的雷諾數(shù)決定于實(shí)驗(yàn)段口徑尺寸、氣流速度和氣體物性(3)主要是氣體密度ρ和粘性系數(shù)μ兩項(xiàng)參數(shù)。。對(duì)于清華風(fēng)洞這樣的常壓風(fēng)洞,在實(shí)驗(yàn)段口徑確定、氣體物性穩(wěn)定的情況下,其雷諾數(shù)最高值決定于最大氣流速度。然而學(xué)界對(duì)清華風(fēng)洞的最大氣流速度說(shuō)法不一,進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)最高雷諾數(shù)未能形成統(tǒng)一意見。

2.1 雷諾數(shù)的三個(gè)值

黃延復(fù)給出的數(shù)據(jù)是最大風(fēng)速44.7米/秒(100英里/時(shí)或146.7英尺/秒(4)原文的有關(guān)數(shù)據(jù)采用了英制,本文改用通行的國(guó)際單位制。下同。),沒(méi)有說(shuō)明雷諾數(shù)值。[1]《建國(guó)前中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展》說(shuō)最高雷諾數(shù)為5.5×106,未講明該值為何種情況下所得,還說(shuō)風(fēng)洞氣流速度為22.4米/秒。[3]姜長(zhǎng)英的說(shuō)法是,風(fēng)洞配備的發(fā)動(dòng)機(jī)是52千瓦(70馬力),風(fēng)速可達(dá)53.6米/秒,雷諾數(shù)為5.5×106。[4]金富軍、王向田的數(shù)據(jù)是風(fēng)速53.6米/秒、雷諾數(shù)5.5×106,但缺發(fā)動(dòng)機(jī)功率數(shù)據(jù)。[6]

分析以往各家數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn),清華風(fēng)洞的最大氣流速度存在3個(gè)值,分別為53.6米/秒、44.7米/秒、22.4米/秒,那么相應(yīng)的最高雷諾數(shù)當(dāng)是3個(gè)值,除了上面提到的5.5×106,其余兩個(gè)值是多少,未見有人提及。

風(fēng)洞設(shè)計(jì)者王士倬等人的重要論文《清華大學(xué)機(jī)械工程系之航空風(fēng)洞》記載,設(shè)計(jì)風(fēng)洞時(shí)推算所能達(dá)到的最高雷諾數(shù)為5.5×106,前提是如果配備了功率為95千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī),此時(shí)氣流速度為53.6米/秒。[8]而清華大學(xué)實(shí)際訂購(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)為德國(guó)造52千瓦電動(dòng)機(jī),當(dāng)時(shí)估算風(fēng)洞氣流速度可達(dá)44.7米/秒[11],亦屬理論推算。按照王士倬的公式(5)現(xiàn)在通行的雷諾數(shù)計(jì)算公式為Re=ρvL/μ,其中ρ是流體密度,v是速度,L是特征長(zhǎng)度(例如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段直徑),μ是流體的動(dòng)力粘性系數(shù)。王士倬使用的公式為Re=vL/γ,用運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)γ代替了通行公式中動(dòng)力粘性系數(shù)與密度的比值,即γ=μ/ρ,并在計(jì)算時(shí)使用了英制單位,其中v=176英尺/秒,L=5英尺,γ=0.000 159英尺2/秒(王士倬引自 Warner著1927年版Airplane design,但未指明溫度條件,合0.000 014 7米2/秒)。如果用現(xiàn)代通行的雷諾數(shù)公式,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、20℃條件下,取ρ=1.141kg·m-3、μ=17.9×10-6Pa·s(此時(shí)γ=μ/ρ=0.000 015 7米2/秒),則計(jì)算得到3個(gè)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)分別為5.2×106、4.3×106、3.5×106,稍低于王士倬計(jì)算值,系相關(guān)系數(shù)取值條件不同所致?？伤愕么藭r(shí)雷諾數(shù)為4.6×106。德制電動(dòng)機(jī)“1936年2月初運(yùn)到校內(nèi)之后,適逢日本武力威脅北京,時(shí)局震搖,隨校中圖書儀器,一同裝車,設(shè)法運(yùn)往漢口保藏”,乃至風(fēng)洞“缺電動(dòng)機(jī),只好收羅舊卡車發(fā)動(dòng)機(jī)代替”。[2]汽車的品牌是別克(Buick)[9],發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)不詳,但其功率很可能較小(6)該發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,目前所見資料均無(wú)記載,可從風(fēng)洞實(shí)際最大風(fēng)速22.4米/秒推知為41千瓦。,以致風(fēng)洞動(dòng)力不足,運(yùn)行時(shí)的實(shí)際最大風(fēng)速小于原設(shè)計(jì)值,僅為22.4米/秒。[2]

據(jù)上述情況,通過(guò)王士倬所用雷諾數(shù)計(jì)算公式對(duì)以上風(fēng)速稍加計(jì)算,便可得知風(fēng)洞存在3個(gè)動(dòng)力、氣流速度及雷諾數(shù)組合：(1)95千瓦、53.6米/秒、5.5×106;(2)52千瓦、44.7米/秒、4.6×106;(3)41千瓦、22.4米/秒、3.7×106。第1、2組的雷諾數(shù)均是推算,第3組的雷諾數(shù)是當(dāng)時(shí)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的數(shù)值。即清華風(fēng)洞實(shí)際配備的動(dòng)力僅有41千瓦,風(fēng)洞的最大氣流速度為22.4米/秒,此時(shí)的最高雷諾數(shù)只有3.7×106。當(dāng)然也不能認(rèn)定風(fēng)洞設(shè)計(jì)的雷諾數(shù)只有3.7×106,由于風(fēng)洞設(shè)計(jì)和運(yùn)行都非常成功,而訂購(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)為52千瓦電動(dòng)機(jī),如安裝這一電動(dòng)機(jī),應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到4.6×106。但這與以往認(rèn)為的雷諾數(shù)5.5×106仍有一定差距。以往相關(guān)研究多未能區(qū)分清華風(fēng)洞雷諾數(shù)的理論計(jì)算值與實(shí)際達(dá)到值,造成誤讀。

以上僅從風(fēng)速出發(fā)討論了清華風(fēng)洞的雷諾數(shù),實(shí)際上雷諾數(shù)涉及的因素不止于此。溫度也有很大影響,溫度越高空氣粘性系數(shù)越大,從而雷諾數(shù)會(huì)相應(yīng)減小?，F(xiàn)在研制的高雷諾數(shù)風(fēng)洞,往往通過(guò)液氮冷卻,使之在低溫下運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)高雷諾數(shù)。清華風(fēng)洞沒(méi)有配備此類冷卻系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行時(shí),洞內(nèi)空氣因摩擦而升溫,雷諾數(shù)會(huì)有所降低。此外,粘性系數(shù)還與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的尺寸與光滑度有關(guān),風(fēng)洞口徑越小、內(nèi)壁越粗糙,對(duì)提高雷諾數(shù)越不利。因此,考慮到這些因素,清華風(fēng)洞的實(shí)際雷諾數(shù)恐怕要比3.7×106還要低些,特別是在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行后。

2.2 與外國(guó)風(fēng)洞的比較

清華風(fēng)洞的雷諾數(shù)究竟是高還是低,與同時(shí)代的世界同類風(fēng)洞比照,較易做出判斷。表1列出了一些國(guó)家代表性風(fēng)洞及其核心參數(shù)值。表中風(fēng)洞包括兩類,正常氣壓小口徑風(fēng)洞、常壓大口徑風(fēng)洞。清華風(fēng)洞屬于常壓小口徑風(fēng)洞。剔除大口徑風(fēng)洞,限定在小口徑類風(fēng)洞中討論。

表1 清華風(fēng)洞與截至1936年世界代表性風(fēng)洞主要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比1)

口徑與清華風(fēng)洞接近的有1916年建成的德國(guó)2.24米風(fēng)洞和1928年的日本2米風(fēng)洞。3座風(fēng)洞在雷諾數(shù)上,不存在數(shù)量級(jí)的差別。從這項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)看,清華風(fēng)洞的技術(shù)水平,整體上相當(dāng)于德國(guó)1916年或日本1928年的水平。但清華風(fēng)洞的能量比極為優(yōu)秀,僅次于美國(guó)加州理工學(xué)院1929年建成的3.05米風(fēng)洞。

衡量風(fēng)洞技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù),除雷諾數(shù)外還有馬赫數(shù)(Mach number)(7)以?shī)W地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫(Ernst Mach,1838—1916)的姓命名,簡(jiǎn)稱M數(shù)。,它們均與氣流速度有關(guān)。馬赫數(shù)是指氣流速度與音速之比,其物理意義在于表示了物體所受空氣的慣性力與彈性力之比。彈性力反映了空氣的壓縮性,所以馬赫數(shù)也體現(xiàn)了壓縮性的影響。作為一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù),馬赫數(shù)常被用以對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行分類。馬赫數(shù)小于0.3的風(fēng)洞稱為低速風(fēng)洞;馬赫數(shù)在0.3—0.8范圍內(nèi)的風(fēng)洞為亞音速風(fēng)洞;馬赫數(shù)在0.8—1.2范圍內(nèi)為跨音速風(fēng)洞;馬赫數(shù)在1.2—5.0范圍內(nèi)為超音速風(fēng)洞;馬赫數(shù)大于5.0的風(fēng)洞為高超音速風(fēng)洞。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是利用相似性原理,通過(guò)模型來(lái)模擬實(shí)際飛行,要求實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)與飛行器實(shí)際飛行的流場(chǎng)之間遵循多個(gè)相似性準(zhǔn)則,其中雷諾數(shù)與馬赫數(shù)是極其重要的兩項(xiàng)。如果撇開馬赫數(shù),僅僅基于雷諾數(shù)的比較來(lái)評(píng)價(jià)清華風(fēng)洞與同時(shí)代類似規(guī)模風(fēng)洞的技術(shù)水平是否可行?

實(shí)際上,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不能同時(shí)滿足相似律所提出的所有相似準(zhǔn)則。在不同速度范圍內(nèi)或類型的實(shí)驗(yàn)中,主要相似準(zhǔn)則是不同的。在低速范圍內(nèi),氣流是不可壓縮流,馬赫數(shù)影響很小,可以忽略不計(jì),主要的相似準(zhǔn)則是表征空氣粘性影響的雷諾數(shù)。而超過(guò)音速時(shí),氣流是可壓縮流,馬赫數(shù)對(duì)物體的氣動(dòng)影響非常明顯,為了保持實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)之間的相似性,必須滿足的相似準(zhǔn)則是馬赫數(shù)相似。即在低速范圍內(nèi)主要考慮雷諾數(shù),而在超過(guò)音速時(shí)則以關(guān)注馬赫數(shù)為主。[12]

表1所涉風(fēng)洞的馬赫數(shù)均未超過(guò)0.3,俱屬低速風(fēng)洞。在這一前提下,占主導(dǎo)地位的是雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則。故通過(guò)雷諾數(shù)的比較來(lái)衡量同類風(fēng)洞的技術(shù)水準(zhǔn),具有相當(dāng)參考價(jià)值。清華風(fēng)洞所處的時(shí)代,盡管超音速風(fēng)洞已經(jīng)出現(xiàn),但低速風(fēng)洞是主流,當(dāng)時(shí)風(fēng)洞技術(shù)的改進(jìn)也是圍繞如何提高雷諾數(shù)推進(jìn)的。學(xué)術(shù)界以往在研究清華風(fēng)洞的關(guān)鍵參數(shù)時(shí)聚焦于雷諾數(shù)而忽略馬赫數(shù),原因蓋在于此。

3 能量比：優(yōu)先級(jí)與風(fēng)洞設(shè)計(jì)者的理念

以往的研究,盡管也提到清華風(fēng)洞的能量比[2,4,6],但局限于強(qiáng)調(diào)其具有較高數(shù)值,并未深入分析。事實(shí)上,能量比這項(xiàng)參數(shù)對(duì)于清華風(fēng)洞有特殊重要的意義,需要重新加以審視。

風(fēng)洞的雷諾數(shù)、能量比、擾流度及天秤感量等參數(shù)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)時(shí)的排序,反映了風(fēng)洞設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)時(shí)國(guó)外風(fēng)洞設(shè)計(jì)師最優(yōu)先考慮雷諾數(shù),而王士倬的設(shè)計(jì)首重能量比。“查清華風(fēng)洞中費(fèi)用最大之一項(xiàng),即為電氣馬達(dá),亦即其中唯一之外國(guó)制造品,既擲重資以購(gòu)原動(dòng)力,自必須盡力使效率增高,其它皆屬次要”,“尤其注意能量比與雷諾數(shù)”。[8]風(fēng)洞建造完成后,經(jīng)實(shí)測(cè)能量比達(dá)到5.05[10],該值僅次于加州理工學(xué)院風(fēng)洞的5.5[8],完美地實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初的設(shè)計(jì)意圖。將能量比置于風(fēng)洞設(shè)計(jì)的最優(yōu)先考慮位置,體現(xiàn)了王士倬效率優(yōu)先的設(shè)計(jì)理念,契合當(dāng)時(shí)國(guó)情。

王士倬將能量比較高的加州理工學(xué)院風(fēng)洞作為參考對(duì)象。該風(fēng)洞“為馮·卡門所設(shè)計(jì),乃由普朗特式改良,堪稱當(dāng)代最經(jīng)濟(jì)之建筑,清華風(fēng)洞,大致仿該式設(shè)計(jì)”[8]。有關(guān)檔案記載,在設(shè)計(jì)風(fēng)洞之初,清華大學(xué)曾經(jīng)“分別致函美國(guó)麻省理工大學(xué)及加州理工學(xué)院航空工程系,索取各種風(fēng)洞圖樣”。[13]

根據(jù)考慮能量比、效率優(yōu)先的總設(shè)計(jì)理念,結(jié)合建成后的用途,確定了風(fēng)洞的規(guī)模與構(gòu)型。小型風(fēng)洞主要用于基礎(chǔ)研究和先進(jìn)氣動(dòng)技術(shù)探索;中型風(fēng)洞用于中小型飛行器選型、校核和定型實(shí)驗(yàn);大型風(fēng)洞用于大型飛行器的選型、校核和定型實(shí)驗(yàn)等。風(fēng)洞越大越有利于增大雷諾數(shù)。但風(fēng)洞尺寸越大,建設(shè)難度越大、運(yùn)行成本越高,必須找到模擬準(zhǔn)確度、可行性與經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)因素的最佳結(jié)合點(diǎn),合理確定風(fēng)洞尺寸。清華在籌建風(fēng)洞之初,經(jīng)過(guò)綜合考慮,決定建造用于科研的小型風(fēng)洞。先是計(jì)劃建造實(shí)驗(yàn)段口徑1.22米、總長(zhǎng)度30.5米的風(fēng)洞[14],后改為口徑1.52米、長(zhǎng)度15.24米[15]。至于風(fēng)洞的構(gòu)型,當(dāng)時(shí)可選維納姆發(fā)明的直流式,這是個(gè)兩端開口的木箱,氣流從一端進(jìn)入,在另一端排出;也可選德國(guó)人普朗特(Ludwig Prandtl,1875—1953)1908年創(chuàng)制的回流式。回流式優(yōu)于直流式的地方是：在發(fā)動(dòng)機(jī)功率相同時(shí),氣流的速度更高、均勻性更好,且雷諾數(shù)和能量比更高些。當(dāng)時(shí)直流式風(fēng)洞只被法國(guó)等少數(shù)國(guó)家采用,回流式為多數(shù)國(guó)家所采用。清華風(fēng)洞亦選用較為優(yōu)越的回流式構(gòu)型。

4 擾流度與天秤感量：高精度與風(fēng)洞設(shè)計(jì)的新探索

清華風(fēng)洞的擾流度和天秤感量?jī)身?xiàng)參數(shù)的指標(biāo)在當(dāng)時(shí)頗為優(yōu)異。研究人員通過(guò)這座風(fēng)洞進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究,發(fā)表了中國(guó)最早的幾篇航空研究論文。該風(fēng)洞的建造和應(yīng)用為中國(guó)早期風(fēng)洞技術(shù)的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。學(xué)界對(duì)其達(dá)到的精度多有贊譽(yù),但對(duì)其作用和影響卻探討不足。

清華風(fēng)洞的擾流度是1%,“能量比良好,流動(dòng)條件令人滿意,湍流適中,用典型機(jī)翼剖面模型所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可與其他類似雷諾數(shù)的風(fēng)洞相媲美”。[9]“與德國(guó)哥廷根2.2米風(fēng)洞及美國(guó)加省理工學(xué)院3米風(fēng)洞比較,頗為符合?！盵16]清華風(fēng)洞的天秤可測(cè)量阻力、升力及扭力等6個(gè)分力,感量為0.25克。[17]馮桂連測(cè)試了R.A.F15薄型翼、克拉克Y中厚度翼以及哥廷根387高厚度翼3種典型機(jī)翼模型,其結(jié)果與世界同類風(fēng)洞所測(cè)結(jié)果相符合。[17]馮·卡門說(shuō)“沒(méi)想到,中國(guó)能建造如此精確的風(fēng)洞,已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平”。[7]

得益于風(fēng)洞的高精度,科研人員做出了很有意義的發(fā)現(xiàn),為更高水平風(fēng)洞的設(shè)計(jì)做了十分有益的探索。一是發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí),大直徑風(fēng)洞所需的發(fā)動(dòng)機(jī)功率更少[18],這就為較大型風(fēng)洞裝配較小的發(fā)動(dòng)機(jī)提供了理論依據(jù),對(duì)節(jié)省建設(shè)資金有利。二是發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞擴(kuò)散段擴(kuò)散角在6°附近時(shí)能量損失最小[18],此點(diǎn)對(duì)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。這些成就為深入了解回流式風(fēng)洞的內(nèi)在規(guī)律奠定了基礎(chǔ),也為高能量比風(fēng)洞的設(shè)計(jì)建立了理論基礎(chǔ)。清華1936年設(shè)計(jì)的南昌4.5米大型風(fēng)洞和浙江大學(xué)1949年設(shè)計(jì)的0.9米風(fēng)洞就應(yīng)用了這些成果。[19]清華風(fēng)洞對(duì)中國(guó)航空學(xué)術(shù)的早期發(fā)展發(fā)揮了重要而獨(dú)特的作用,是一座奠基性風(fēng)洞。

5 余論：是自制還是仿制?

以上解讀與分析,對(duì)清華風(fēng)洞有了更為深刻全面的認(rèn)識(shí)。不過(guò)還有一個(gè)重要問(wèn)題需要做出定論,即風(fēng)洞的研制方式問(wèn)題。

一種意見認(rèn)為清華風(fēng)洞是仿制[4],另一種則認(rèn)為是自制[6]。即使參加研制的當(dāng)事人,在這一問(wèn)題上的看法也不完全一致。王士倬的助手張捷遷(1908—2004) 在回憶文章中談到風(fēng)洞建造時(shí)說(shuō)：“自制實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞,主張謹(jǐn)慎進(jìn)展。首先仿造外國(guó)著名風(fēng)洞數(shù)種,制作模型,實(shí)驗(yàn)性能,研究制造上的難處”[2]。他認(rèn)為先仿制了模型風(fēng)洞,在此基礎(chǔ)上自制清華風(fēng)洞。而根據(jù)王士倬“大致仿該式設(shè)計(jì)”的說(shuō)法,清華風(fēng)洞似為仿制。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)當(dāng)事人的說(shuō)法都有道理,關(guān)鍵是如何界定“仿制”和“自制”。一般情況下,仿制是測(cè)繪仿制,對(duì)已有成品進(jìn)行測(cè)繪獲得圖紙,通過(guò)摸索,搞清楚原理和制作工藝,然后制造出性能相同或接近的產(chǎn)品。清華風(fēng)洞顯然不屬于這種仿制。自制一般是指自主研發(fā)。其中,高水平的自制,從概念設(shè)計(jì)到原型設(shè)計(jì)、再到試生產(chǎn)全部依托自身力量,屬于原創(chuàng)性很高的自主研發(fā),是自主創(chuàng)新。清華的風(fēng)洞研制,應(yīng)該還不是這一層次的自制。

稱清華風(fēng)洞為自制或自主研發(fā)也是合適的。清華的設(shè)計(jì)只是參考了加州理工學(xué)院風(fēng)洞的設(shè)計(jì)思想,從設(shè)計(jì)到選材和制造全程都是依靠自己力量完成的?！俺靡赞D(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳之電氣馬達(dá)系購(gòu)自外國(guó)外,其余一切,均由該校自行設(shè)計(jì)制造,即所用之自動(dòng)平衡式天秤五具,亦由該校工廠自制”[8],而設(shè)計(jì)目標(biāo)和方案顯然與加州理工學(xué)院風(fēng)洞不同。突出特點(diǎn)是根據(jù)國(guó)情對(duì)風(fēng)洞參數(shù)的優(yōu)先級(jí)做了調(diào)整,考慮了實(shí)際需要和材料、成本等多種因素,并先研制了小的模型風(fēng)洞進(jìn)行測(cè)試,然后才制造了研究用實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞。從這些事實(shí)看,清華風(fēng)洞的研制屬于自主研發(fā)范疇。王士倬稱“大致仿該式設(shè)計(jì)”,應(yīng)當(dāng)指的是參考了加州理工學(xué)院風(fēng)洞的方案,并非是通常意義下對(duì)該風(fēng)洞的仿制。因此,清華大學(xué)研制的風(fēng)洞無(wú)疑是一座自制風(fēng)洞。