作者：Lauren Nagel
风洞是用于表征物体空气动力学特性的宝贵设备。有几种不同工作原理的风洞。
本文将介绍：
- 风洞的工作原理
- 风洞的类型（速度、开放式与闭式回流、开放式风洞和计算流体力学）
- 风洞如何用于飞机设计
- 不同类型风洞的比较
1. 风洞的工作原理
风洞是控制产生风流以模拟飞行条件的出色工具。
通过使用一个或多个风扇将空气吹过物体，可以直观观察物体与周围气流之间的相互作用，从而预测其空气动力学特性。
图 1：将模型飞机安装在风洞的测试区域
在传统风洞测试中，风由风扇产生，并流经安装有待测物体的测试区域。风洞本身的大小和形状各不相同。
大多数风洞采用开放式或闭式回流设计。对于某些超音速测试，还可使用吹吸式风洞，该类风洞利用测试区域上游高压室与下游低压储气室之间的压力差工作。
风洞测试可结合使用气压传感器、力传感器以及烟雾、油漆和涂料等物理示踪方法，来表征物体与风流之间的相互作用。
先进方法包括压力敏感涂料，其颜色会随压力变化而改变，以及粒子图像测速法，该方法利用激光片追踪穿过测试区域平面的粒子速度。
图 2：在风洞中测试美国海军全尺寸飞机
2. 风洞的类型
有多种方式可用于识别不同类型风洞，例如速度、配置、设计样式和输出。
风洞速度
传统风洞按测试段内空气相对于音速（1 马赫）的速度进行分类。分为四个类别：亚音速（马赫数 <0.8）、跨音速（马赫数 0.8–1.2）、超音速（马赫数 1.2–5.0）和高超音速（马赫数 >5.0）。
分类界限是根据该速度下必须考虑的压缩性效应强度确定的。
随着物体速度越来越快，它们会压缩周围气体，从而改变流体密度并改变作用于飞机的力。
这种效应在亚音速下不会发生，但在跨音速、超音速和高超音速下具有独特影响，因此才有了这些分类。
开放式与闭式回流
风洞有多种配置，但开放式和闭式回流风洞最为常见，它们在形状和空气循环方式上有所不同。
开放式风洞在测试段的两侧均开放，并从风洞所在环境周围收集空气。
空气流经测试段并从风洞一端流出后，会通过房间重新循环至风洞入口，然后再次进入风洞（图 3）。
开放式测试段的风洞也称为“埃菲尔风洞”，得名于古斯塔夫·埃菲尔，他曾利用其巴黎风洞研究机翼升力特性。
带有封闭测试段的开放式风洞也称为“NPL 风洞”，得名于首次使用该风洞的英国国家物理实验室。
图 3：开放式回流风洞（grc.nasa.gov）
闭式风洞采用独立回路，使空气在风洞内通过测试段循环（图 4）。
风洞不与设备周围的测试环境相通，因此同一股空气会反复循环。转向叶片有助于使整个风洞内的气流方向变化更加平缓。
闭式风洞也称为“普朗特风洞”，得名于首次提出超音速激波理论的路德维希·普朗特。它们还被称为“哥廷根风洞”，得名于首次使用该风洞的德国研究实验室。
图 4：闭式回流风洞（grc.nasa.gov）
此类传统风洞的优势包括能够产生高速气流以及能够限制测试区域。
尽管如此，由于空间有限，限制测试区域也使得测试运动中的飞机变得更加困难。传统风洞测试通常使用模型，因为能够测试全尺寸飞机的风洞造价极高。
世界上最大的一座风洞位于加利福尼亚州美国航空航天局阿姆斯特朗研究中心，尺寸为 80 英尺 × 120 英尺，是通过改造一座较小的 40 英尺 × 80 英尺风洞而建成。1979 年该项目预算为 8500 万美元，相当于如今约 3.5 亿美元。
开放式风“洞”/风形器
开放式风洞或风形器是传统闭式风洞的一种极具前景的替代方案。
这种方案对于飞机和无人机的自由飞行测试尤为适用，因为它允许在不受物理风洞限制的情况下进行测试。此类开放式设施能够容纳相同尺寸的飞机，而成本仅为传统风洞的一小部分。
开放式风洞与传统风洞的不同之处在于，测试区域向环境开放，并不封闭在风洞内（图 7）。
一整面风扇墙可根据三变量函数（x、y、z）产生三维风流。该函数向各个风扇传递信息，从而产生各种风场分布，如波浪、湍流、阵风等。
风流被引导通过放置飞机的开放式测试区域。这使得飞机可以在无需固定安装的情况下自由飞行。
延伸阅读：为什么您应该测试无人机的电机和螺旋桨
图 7：使用开放式风洞（风形器）测试无人机
通过同时使用运动追踪和流场探头技术，开放式系统能够实现气流可视化。
流场可视化软件结合来自这两个来源的数据，然后进行处理、插值和可视化（图 8）。
收集的数据可以实时可视化，也可以随后使用标准 CFD 可视化工具进行分析。
图 8：使用 Streamwise 的 ProCap 技术进行无人机气流可视化
通过一个或多个风扇墙产生的多样化风场分布，非常适合模拟在恶劣天气或建筑物和地形周围的飞行。
加拿大政府制作的这段视频生动展示了例如无人机城市飞行的挑战，以及城市内部飞行员必须掌握的技能。
由于测试区域是开放的，开放式风洞还允许测试起飞和着陆配置。
风形器具有倾斜功能，可旋转角度达 90 度。这让用户能够在模拟地面效应、热上升气流、侧风等条件下，练习飞行中最关键的阶段。
此外，还可以向测试区域添加降雨、降雪或浓雾等气候效应 （图 9）。
图 9：雨天测试无人机
与具有相同横截面测试区域的传统风洞相比，开放式风洞价格相对便宜。因此，它们能提供更切实可行的自由飞行测试。
目前尚未建成可达到跨音速速度的开放式风洞，这是该方案的一个缺点。
计算机仿真/CFD
基于计算机的风洞仿真，即计算流体力学（CFD），可单独使用，也可与物理测试结合，以了解物体的空气动力学特性。
在预算有限的项目中，仿真可能是评估物体的唯一方法；而在更大规模的项目中，它可用于提供参考并与物理风洞测试相辅相成。
图 5：AirShaper对机翼襟翼上气流的可视化
基于计算机的程序只需输入飞机 3D 模型或 3D 扫描数据等极少的信息即可开始。模型被上传到测试软件中，并置于不同的模拟风环境中。
用户可以控制风速、攻角、飞机运动以及流体属性。
仿真结果可提供关键信息，例如风场分布、表面压力以及飞机部分区域的风流分离情况（图 6）。
对于 CFD 新手，NASA 提供几种免费的风洞软件，旨在教授空气动力学和推进系统的基础知识。对于更高级的商业用途，AirShaper 和 SimScale 等公司提供可让客户生成详细模型和全面风场分布的解决方案。
图 6：使用SimScale CFD 技术对飞机起落架气流的可视化
总体而言，CFD 是一种收集理论空气动力学数据的经济方式，尤其是随着技术的日益先进。
然而，归根结底，这些数据终究只是理论数据。
我们进行了一项实验，以了解 CFD 数据与螺旋桨测试的实际情况相比如何，结果相当有趣。
新兴趋势与风洞技术的未来
风洞的未来将涉及 CFD 和人工智能与实验数据的结合。这种技术的融合实现了实验仿真与数值仿真的实时集成。Optomet 的 SMART 等智能风洞使用基于激光的工具测量振动和空气动力学特性，且无需接触物体表面，从而确保测试车辆上方的气流保持不受干扰。该系统与人工智能集成，可自动过滤信号噪声并实时调整测量值。这使得在高速测试中能够更准确地收集数据，而无需进行手动重新校准。
图 7：由Optomet提供的 SMART 风洞
低温风洞利用液氮冷却达到高雷诺数。这使得模拟高超音速飞行环境成为可能。科隆低温风洞就是使用该技术的闭式回路风洞。它注入液氮，将气体温度降低至 100 K。降低温度会增加空气密度并降低粘度，从而可以在不改变模型尺寸或风速的情况下获得更高的雷诺数 [1]。
图 8：位于科隆的低温风洞
3. 风洞如何用于飞机设计
风洞可以帮助飞机制造商识别空气动力学可改进的区域，从而优化设计。
这让设计师能够提高升阻比，进而有望缩短飞行时间并增强抗湍流能力。
更先进的风洞还可以模拟湍流和侧向风流，以研究飞机在不同飞行情况下的性能。
所需风洞的大小取决于飞机的尺寸和所进行的测试类型。一些风洞足够大，可以测试全尺寸飞机，而另一些则使用模型来推测全尺寸飞机的特性。
例如，与测试固定安装的飞机模型相比，自由飞行测试需要更大的风洞。
4. 不同类型风洞的比较
以下是三种类型风洞的比较：
结论
有关传统风洞测试和 CFD 的更多信息，请查看文中提到的公司和链接。
有关开放式风洞测试（风形器）的更多信息，请查看我们的风洞测试着陆页。
延伸阅读：渥太华大学的风洞测试
参考文献
[1] D. K. Paul, H. M. Robin, N. Paul, M. M. Ahmed, and M. H. Masud, “航空器开发中风洞试验的进展与应用：最新技术综述,” Eng. Sci. Technol. Int. J., 第72卷, 第102244页, 2025年12月, doi: 10.1016/j.jestch.2025.102244.