風洞

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風洞英語Wind tunnel)是空氣動力學的研究工具。風洞是一種產生人造氣流管道,用於研究空氣流經物體所產生的氣動效應。風洞除了主要應用於汽車飛行器導彈(尤其是巡弋飛彈空對空飛彈等)設計領域,也適用於建築物、高速列車、船艦的空氣阻力、耐熱與抗壓試驗等。

歷史[編輯]

萊特兄弟風洞複製品

1871年,弗朗西斯·赫伯特·韋納姆約翰·布朗寧設計並建造了世界上第一座風洞

1901年,萊特兄弟為研究飛機及得到正確的飛行資料,發明了風洞隧道進行測試[1]。1902年萊特兄弟以風洞隧道的測試與前兩架滑翔機的經驗,建造第三架滑翔機,為當時最大的雙翼滑翔機,並在機尾加裝垂直尾翼,以防止轉向時發生翻轉,並進行了上千次的試飛。而最終在1903年發明了世界上第一架帶有動力的載人飛行器——萊特飛行器

1945年,第二次世界大戰尚未結束時,德國設計並開始建造一個實驗段直徑1米,最高風速達10馬赫的連續式高超音速風洞。戰爭結束後被美國繳獲,美國仿製並作了適當修改後,一直到1961年才在阿諾德中心建立最高風速達12馬赫的高超音速風洞。

因為風洞的控制性佳,可重複性高,現今風洞廣泛用於汽車空氣動力學風工程(Wind Engineering)的測試,譬如結構物的風力荷載(Wind load)和振動、建築物通風(Ventilation)、空氣污染(Air pollution)、風力發電(Wind power)、環境風場(Pedestrian level wind)、複雜地形中的流況、防風設施(Wind break)的功效等。這些問題皆可以利用幾何相似的原理,將地形、地物以縮尺模型放置於風洞中,再以儀器量測模型所受之風力或風速。一些研究也指出風洞實驗之結果與現地風場的觀測(field observation)的結果相近,故風洞實驗是研究許多風工程問題最常用的方法。風洞實驗數據亦可用來驗證數值模式,找到較佳的模式參數。

類型[編輯]

按氣流速度區分,風洞可以分為亞音速風洞和超音速風洞兩類。通常小型風洞採用高速風扇提供風力,其風速都在每小時1200千米之內。而中型與大型風洞採用預先儲存的氣體,在短暫的幾秒、甚至幾毫秒中釋放,形成威力巨大的衝擊風力。例如在美國和俄羅斯的大型風洞,可放進整架飛機。

按用途區分,風洞可以分為航空用風洞和環境風洞(Environmental wind tunnel)兩類。通常航空風洞的試驗段短,風速剖面均勻,用於新型飛機之測試。環境風洞的試驗段長,風速剖面屬邊界層分佈,風速範圍接近自然界風速,又稱為大氣邊界層(Atmospheric boundary layer)風洞,用於風工程之研究。

外部連接[編輯]

參考文獻[編輯]

  • Holmes, J.D. Wind Loading on Structures. London: Spon Press. 2001. 
  • Barlow, J.B. Rae, W.H. and Pope, A. Low speed wind tunnel testing. John Wiley & Sons, Inc. 1999. 
  • 朱佳仁. 風工程概論. 科技圖書公司. 2006.