Anonymous
Anonymous asked in 科學其他:科學 · 2 decades ago

什麼是「風洞」??

在科學上好像有一個名詞是「風洞」

請問一下

什麼是「風洞」??

1 Answer

Rating
  • Anonymous
    2 decades ago
    Favorite Answer

    1

    風洞實驗技術之應用

    成大航太系與航太中心

    苗君易

    1903 年萊特兄弟動力飛機試飛成功為人類的飛行史展開新的一頁,在

    研製飛機過程,萊特兄弟曾使用他們自製的風洞測試所設計飛機的機翼,

    這些史料記錄可見於公開文獻,其一風洞複製品展示在美國華盛頓特區

    (Washington D.C.)的國家航太博物館(National Air and Space Museum)。自

    此,風洞實驗對航太科技的發展一直扮演著重要的角色,參考”The Wind and

    Beyond”一書[1],Von Karman 在德國Aachen 建造了他所設計的第一個風

    洞,由於他使用風洞對航空動力學的貢獻受到國際矚目,在第二次世界大

    戰之前美國加洲理工學院邀請他到美國訪問,並為該校設計風洞,後來乃

    由他主持該實驗室,除此之外他與他的助手也為日本、中國設計與監造了

    大型風洞。在第二次世界大戰、韓戰以及後來的歐美自由世界與共產主義

    國家對立時期,加速促進航太科技的發展,不同速度範圍及用途的風洞在

    各強權國家如雨後春筍般地建立,為飛行器的設計、建造做出重大的貢

    獻,”Wind Tunnels of NASA”[2]一書可窺得當時風洞實驗技術的發展盛況。

    雖然風洞測試技術源起於航太飛行器設計,今日此項技術的應用已不

    限於航太領域了。早在1950 年代,美國Colorado State University 的Professor

    Cermark 建造了模擬大氣邊界層風洞[3],以從事環境評估及建築設計等為

    主要用途,Professor Cermark 利用這個風洞實驗設備,為著名高層建築物設

    計提供了劃時代的貢獻,包含美國紐約的世貿中心大廈等,關於風洞測試

    對非航空領域的應用,讀者可從”Low-Speed Wind Tunnel Testing”[4]一書獲

    得端倪。

    2

    我國風洞實驗技術的發展最早源於國防科技的需求,為了滿足飛機與

    飛彈的空氣動力性能設計需求,中科院一所與二所擁有完善的低速與高速

    風洞實驗室,實驗室人員的專業能力完整,具有豐富的風洞吹試經驗。此

    外,民間大學在過去的二十年來學術研究環境的不斷改善,陸續建造了以

    一般多用途為主之風洞,這些風洞設備,在具有實驗專長的教授經營之下,

    一方面從事學術研究,另一方面也協助產業界與研究機構進行研發工作;

    藉著這些實驗設備,大學的實驗流力學術研究蓬勃發展,許多研究題目也

    能與產業界需求相互結合,進行航空與非航空領域專題研究計畫。回顧現

    今國內大學與研究機構所擁有的主要風洞設備,筆者僅就所收集資料列表

    如下,供讀者參考。

    地點 風洞型式 風速範圍 用途

    台大應力所 循環式低速一般用途風

    洞,試驗區截面60cm x

    80cm [5]

    ~70m/s 低紊流流場,供學

    術研究,曾提供風

    速計校正等測試

    工作

    淡江大學[6] 開放式邊界層低速風洞

    (1.5m x 2.0m x 19.0m)[6];

    (2.0m x 3.2m x 18.7m)[7]

    ~17 m/s 學術研究,大地邊

    界層模擬、建築模

    型測試,環境評估

    中央大學土木系 開放式低速邊界層風洞

    (2.1m x 3.0m x 18.5m)[8]

    ~20 m/s 學術研究,大地邊

    界層模擬、建築模

    型測試環境評估

    清華大學動機系 循環式低速一般用途風洞

    (清華四號),試驗區截面

    90cm x 120cm

    ~117 m/s 學術研究,模擬測

    交通部中央氣象局 開放式低速風洞,試驗區

    截面180cmψ

    ~70 m/s 風速計校正等測

    試工作

    成功大學航太系 開放式一般用途低速風

    洞,試驗區截面90cm x

    120cm

    ~30 m/s 學術研究、模型空

    氣動力性能量測

    成功大學航太中心 循環式一般用途低速風

    洞,試驗區截面120cm x

    180cm

    ~70 m/s 學術研究、模型空

    氣動力性能量

    測,結構風力測試

    3

    成功大學航太中心 下吹式穿音速風洞試驗區

    截面60cm x 60cm

    M: 0.2~1.4 學術研究、空氣動

    力性能量測等

    在此必須補充說明的是,除表所列之風洞設備以外,國內學術研究單位

    尚有為數不少尺寸較小之風洞,在此無法一一列舉說明,讀者對表中所述

    風洞若有興趣,請直接聯繫各負責教授或主管,應可得到更為詳細的資料。

    關於風洞實驗常用的實驗技術,筆者嘗試分類如下:

    1.空氣動力量測-對飛行器及建築物設計而言,風洞測試主要提供測試

    模型之空氣動力數據,其量測方法以平衡儀最為常見。簡言之,平衡

    儀的量測原理是利用受力造成平衡儀機構的位移作用,藉由位移感測

    器,如應變規(strain guage),輸出電壓信號,由電壓信號可進一步還

    原受力值。試想模型置於風洞的試驗區中央,其所產生的力與力矩可

    各分解為三個垂直分量,因此平衡儀輸出信號基本上可分解為六分

    量。

    鑒於平衡儀輸出的是模型受力的整體表現,若欲瞭解模型表面局部受

    力的情形,則需得到模型表面該區的壓力值分布,經面積分可瞭解模

    型局部受力的情形。理論上,若能在模型表面得到高密度的點壓力量

    測資料,經由面積分,應可得到模型整體受力與力矩。然儀器投資費

    用與數據收集處理儲存,乃不得不考慮的實際問題。所使用的感測器

    壓力若具有高頻率響應特性,則量測數據能顯示瞬間壓力擾動特性,

    有助於流場非定常現象的探討。

    2.流速量測-流場的速度分佈常為實驗研究所必需,亦為理論分析即統

    御方程式中所欲知物理量。量測流速可有幾種不同的儀器供選擇,乃

    依實驗需求而定。皮托管測速儀(Pitot tube manometer)為實驗必備之基

    本流速量測儀器,它提供量測位置的平均流速,唯無法提供瞬時速度。

    假若瞬間速度的資訊對實驗者而言是重要的話,比如說所面對的物理

    4

    流場是紊流情況,則熱線測速儀應予以考慮使用。更進一步言,若考

    慮熱線測探針對流場所造成的擾動足以影響欲探索的流場物理現象,

    則雷射測速儀似乎是另一可能選擇。再者,若為了得到流場中多點位

    置速度的瞬間資訊,近年來學術界發表有關使用粒子影像追蹤技術

    (Particle Image Velocimeter)亦可考慮,唯此方法多用於水洞實驗,對於

    風洞流場而言,技術上較為困難。

    3.壓力量測-如前述平均壓力值與擾動壓力信號有助於空氣動力特性

    的瞭解,亦可間接地推知模型周遭之流體運動現象,乃非常寶貴的資

    訊。對於平均壓力量測,一般可在模型表面鑽壓力孔以管線連結壓力

    感測器量測之;而對於擾動壓力的量測而言,最好是將壓力感測器埋

    在靠近表面量測位置,以避免壓力擾動信號強度的減弱或延遲等問

    題。近年來,所發展之微機電壓力感測元件,具有極高的潛力應用在

    風洞實驗,由於感測器的物理尺度小,且感測器能設計為陣列方式,

    有助於壓力量測分佈值的空間解析度。

    4.視流實驗技術-視流實驗能協助實驗者以視覺感受流場之物理運動

    現象,相較於前述之速度壓力量測而言,具有直接、快速、經濟等優

    點。在低速風洞流場,常使用煙霧產生器,藉由煙霧跡線(smoke

    streakline)顯示流體運動,比如說氣流經過汽車外表之三維流動現象的

    煙線。在高速風洞則常藉可壓縮流的特性,即流體運動過程密度隨之

    顯著變化的特性,因此使用光學方法,導引光線通過流場密度不均勻

    之處產生明暗差異,以顯示速度流場分佈,這類方法如Shadowgraph、

    Schlieren、及Hodography 等。近年來,視流技術進一步結合影像處理

    技巧,使得這項技巧的功能不僅提供流場定性之資訊,亦能進一步提

    供定量的結果,前述之PIV 實驗技術亦可歸屬這一類技術,另外,液

    晶視流技巧、壓敏漆(pressure sensitive paint)以及熱敏漆(temperature

    5

    sensitive paint)技術,都是近年來在學術研究上相當受人矚目的研究方

    向。

    前瞻國內未來風洞實驗技術之應用,建議強調學術研究與實際應用相互

    結合,就應用方向而言可分航空領域與非航空領域兩方面說明之。以航空

    領域應用而言,近年來,產學研界有興趣無人遙控飛機的設計,這個領域

    將帶動風洞測試之需求,另外,在民航技術領域,穿音速風洞乃最適當的

    實驗設備之一,可供民航飛行器在不同馬赫數之飛行狀況進行設計與驗

    證,比如說關於飛機表面粗糙度對飛行阻力的影響,飛機空速計之設計與

    校驗等。就非航空應用領域而言,國內對風洞測試的需求主要在建築設計,

    環境評估以及政府建築環保相關法規之擬訂,鑒於國人對生活品質的要求

    愈來愈高,預期對這方面的需求也愈來愈殷切,這些實驗研究工作必須在

    模擬大地邊界層風洞中進行;另外,有關結構物風力試驗的需求,源起於

    國內廠商產品的測試認證,隨著政府對產品規範的要求提升,預期國內的

    大型一般用途低速風洞可提供這方面的服務機會。

    綜言之,由於近年來國內產官學界的合力推廣,風洞測試的需求漸受肯

    定,同時國人具有能力建立與發展這方面的技術,提供所需服務。在此之

    際,尤應重視風洞測試服務品質,實驗技術的提升,並進一步拓展國際合

    作與技術交流。

Still have questions? Get your answers by asking now.