在科學(xué)研究和工程實踐中，風(fēng)洞是開展空氣動力試驗、進行理論驗證和產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的有效設(shè)備之一。風(fēng)洞誕生于重于空氣的航空器出現(xiàn)后不久，其發(fā)展過程始終與航空航天緊密相關(guān)，而后在需求的牽引下，在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。從飛機到飛船，從汽車到火車，從大橋到大樓，以及體育運動等，風(fēng)洞實驗無處不在，與我們的生活密切相關(guān)。在國防和軍事領(lǐng)域，風(fēng)洞的作用就更加重要了。由于飛機、航天器、艦艇、火箭、導(dǎo)彈等尖端武器，要求運動速度快、機動能力好、靜音水平高、生存能力強，它們所面臨的氣動環(huán)境要復(fù)雜得多，必須利用風(fēng)洞模擬各種氣流和風(fēng)速進行試驗，觀察氣動現(xiàn)象和運動特性及噪聲來源等情況。

風(fēng)洞的種類繁多，如果按照實驗段的氣流速度劃分，可分為低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞和高超聲速風(fēng)洞，高速風(fēng)洞又分為亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞。其中，低速風(fēng)洞和高速風(fēng)洞主要適用于槍彈、炮彈、巡航導(dǎo)彈、近程彈道導(dǎo)彈以及高速航空飛行器等的測試；馬赫數(shù)大于5的高超聲速風(fēng)洞，則可應(yīng)對各種運載火箭、航天飛行器、空天飛機、高超聲速飛行器、高超聲速武器、中遠程彈道導(dǎo)彈等的測試。

低速風(fēng)洞

在各類風(fēng)洞中，低速風(fēng)洞是出現(xiàn)最早、發(fā)展最完備、種類和數(shù)量最多的一種風(fēng)洞，有著廣泛的用途。在航空航天領(lǐng)域，有關(guān)低速流動的基礎(chǔ)性研究，各種飛行器的布局和性能研究等都在低速風(fēng)洞進行。一般情況下，運動物體間的相對速度不超過100米/秒的空氣動力學(xué)試驗都屬于低速風(fēng)洞的實驗范疇。而對于高速飛行器來說，也要經(jīng)歷起飛/降落階段的低速飛行，所以低速實驗也是不可缺少的。

低速風(fēng)洞的特點主要有3點。

1.尺寸種類多

生產(chǎn)型低速風(fēng)洞的實驗段腔室口徑一般在2.5米×2.5米以上，全風(fēng)洞的長度可達幾十米。此外，低速風(fēng)洞內(nèi)的氣流速度較低，單位面積消耗的功率較小，但由于尺寸大，故總功率不低，普通的風(fēng)洞功率通常為數(shù)千千瓦，而大型風(fēng)洞可達上萬千瓦。

2.持續(xù)時間長

低速風(fēng)洞能夠長時間運轉(zhuǎn)或多次連續(xù)運轉(zhuǎn)，但長時間運轉(zhuǎn)會消耗很大能量，引起氣流和風(fēng)洞的升溫，所以通常需配備氣流冷卻系統(tǒng)。

3.氣流性能相對較低

風(fēng)洞提供的氣流應(yīng)是充分均勻的，對于流速較慢的低速風(fēng)洞，為保證氣流穩(wěn)定，需要設(shè)置很多整流部件，如導(dǎo)流片、蜂窩器、阻尼網(wǎng)等，風(fēng)洞的設(shè)計也要有相應(yīng)的措施，如增大收縮比等。

低速風(fēng)洞的構(gòu)造形式大致可分為兩種，一種是法國人埃菲爾發(fā)明的直流式風(fēng)洞，一種是德國人普朗特發(fā)明的回流式風(fēng)洞。直流式風(fēng)洞的特點是不能進行能量回收，且受外界環(huán)境影響較大。為避免外界氣流影響，建立直流式風(fēng)洞的實驗室面積至少是風(fēng)洞實驗段直徑大小的數(shù)百倍。其優(yōu)點是噪聲較小，且制造費用相對便宜?；亓魇斤L(fēng)洞基本不受外界環(huán)境影響，實驗段的氣流品質(zhì)較好，缺點是造價相對較高。另外，一些特殊的實驗，如煙流實驗、發(fā)動機尾噴實驗等，必須使用直流式風(fēng)洞進行；而采用其他非常規(guī)空氣為流體介質(zhì)的實驗則必須采用回流式風(fēng)洞。

風(fēng)洞腔室截面形狀通常有矩形、圓形、八角形和橢圓形等。選取原則主要考慮風(fēng)洞的建造難易度和輸出氣流的均勻度等。在相同收縮比（收縮段氣流進口面積與出口面積的比值）下，橢圓形洞壁對氣流的影響最小，但施工難度最大。實際來看，通常進行小展弦比或大迎角測試的風(fēng)洞實驗室使用圓形、方形或八角形截面；進行機翼剖面二元實驗應(yīng)選擇方形截面風(fēng)洞；進行大展弦比飛機實驗則優(yōu)先選擇橢圓截面風(fēng)洞。

根據(jù)功能不同，除可進行飛機的吹風(fēng)實驗外，還有一些特殊用途的風(fēng)洞，如專門研究飛機表面積冰與除冰的低溫風(fēng)洞、研究飛機表面螺旋氣流形成與飛機改出方法的立式風(fēng)洞、研究真實飛機氣動性能的全尺寸風(fēng)洞、研究垂直起降飛機和直升機氣動性能的V/STOL風(fēng)洞等。

高速風(fēng)洞

高速風(fēng)洞的氣流流速范圍為0.4～5馬赫。按照具體速度不同，可分為亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞。

1.亞聲速風(fēng)洞

亞聲速通常指氣流流速在0.4～0.7馬赫的風(fēng)洞，其結(jié)構(gòu)與低速風(fēng)洞類似。亞聲速風(fēng)洞主要解決特定飛行器在特殊環(huán)境下的飛行氣動性能問題。如臨近空間飛行器，主要利用低層臨近空間空氣的浮力和飛行器運動產(chǎn)生的升力作長久持續(xù)的飛行，包括高空長航時無人機、平流層飛艇等。但在這種低空氣密度下長時間飛行，又會遇到低密度低雷諾數(shù)條件下特殊的氣動問題。此時，就需要亞聲速風(fēng)洞解決低雷諾數(shù)的復(fù)雜繞流、大尺寸柔性結(jié)構(gòu)的流-固耦合問題和推進系統(tǒng)綜合性能問題。

除航空飛行器外，亞聲速風(fēng)洞也被用于航天器的相關(guān)測試，如美國國家航空航天局（NASA）的MARSWIT風(fēng)洞和日本的MWT風(fēng)洞都是針對模擬火星環(huán)境而建立的風(fēng)洞，其實驗段尺寸都比較小，主要用于火星探測器的原理性和驗證性實驗。NASA在蘭利研究中心還建有大型亞聲速風(fēng)洞，其實驗段尺寸巨大，最高可模擬16.8千米高空的飛行環(huán)境，目前主要用于開展氣動、積冰、降雨、聲學(xué)等多領(lǐng)域的研究。

2.跨聲速風(fēng)洞

跨聲速風(fēng)洞是目前航空領(lǐng)域中進行空氣動力學(xué)研究和飛行試驗不可或缺的實驗平臺之一，其具備模擬高速空氣動力學(xué)環(huán)境、實現(xiàn)離線和在線試驗等諸多優(yōu)點。飛行器在進行跨聲速飛行時，表面氣體流動現(xiàn)象非常復(fù)雜，可能會出現(xiàn)混合流場，且機翼表面會產(chǎn)生位置隨氣流擾動變化而變化的激波，很多測試飛機在這一階段會出現(xiàn)震顫、抖動、結(jié)構(gòu)性能下降等問題。因此，跨聲速階段的氣流流動模擬計算就十分必要了。通常，跨聲速風(fēng)洞的氣流速度為0.7～1.4馬赫，采用多級軸流式風(fēng)扇驅(qū)動，結(jié)構(gòu)與亞聲速風(fēng)洞類似。同時，為減少激波產(chǎn)生的影響，提高數(shù)據(jù)的準確性，跨聲速風(fēng)洞實驗段內(nèi)壁通常會挖槽或開孔。另外，根據(jù)飛行器在跨聲速段的飛行特點，跨聲速風(fēng)洞的氣流要進行低溫處理，方法主要是使用液氮：在風(fēng)洞運行時噴射出的霧狀液氮會瞬間汽化，以保持流場溫度穩(wěn)定。

3.超聲速風(fēng)洞

超聲速風(fēng)洞內(nèi)的流體速度通常為1.5～4.5馬赫。其利用拉瓦爾管使得氣流達到超聲速，且可通過改變噴管壓力和噴口形狀進行流速調(diào)節(jié)。1905年德國建立了第一座超聲速風(fēng)洞，1920年布澤曼對該風(fēng)洞的噴管進行了優(yōu)化，使噴出的氣流更加均勻。到20世紀50年代，一些國家開始嘗試利用超聲速風(fēng)洞進行模型飛機的氣動性能測試。

現(xiàn)代超聲速風(fēng)洞在流速范圍上往往會橫跨亞聲速、跨聲速和超聲速，因此可稱為三聲速風(fēng)洞。在提高馬赫數(shù)的同時，現(xiàn)代風(fēng)洞也注意到了雷諾數(shù)，尤其是大型飛行器的研制需要高雷諾數(shù)風(fēng)洞支持，為此風(fēng)洞多采用噴注液氮降低實驗段氣體溫度。這種低溫超聲速風(fēng)洞具有獨立改變馬赫數(shù)、雷諾數(shù)和動壓的能力，因此發(fā)展很快。

高超聲速風(fēng)洞

高超聲速風(fēng)洞指氣流速度在5～15馬赫間的風(fēng)洞，主要為導(dǎo)彈、火箭、航天飛船、高超聲速飛行器等服務(wù)。高超聲速風(fēng)洞與超聲速風(fēng)洞的工作原理類似，主要差別在于溫度。高超聲速風(fēng)洞在穩(wěn)定運行下，溫度會隨馬赫數(shù)增加而降低，導(dǎo)致氣流發(fā)生液化，因此需要加裝氣體加熱器，使氣流在噴出前預(yù)加熱。此外，與超聲速風(fēng)洞相比，高超聲速風(fēng)洞還有以下特點。

1.高超聲速風(fēng)洞中氣流總溫高，會使噴管喉部過熱，需采取冷卻措施。

2.高超聲速噴管的曲壁形狀變化劇烈，喉部窄小，且高溫下易變性，故通常采用軸對稱型噴管。

3.高超聲速風(fēng)洞耗能巨大，故多采用間歇式啟動，且以一邊吸氣一邊吹氣的方式提高流體速度。