用風(fēng)洞“捕風(fēng)捉影”

孫偉敬

在神魔小說(shuō)《西游記》中，天庭中的風(fēng)神是風(fēng)婆婆和巽二郎。他們有一個(gè)大口袋，口袋打開(kāi)后就能起風(fēng)，口袋收住風(fēng)就停了。研究流體力學(xué)的科學(xué)家也有這樣一個(gè)“口袋”，并且功能更加強(qiáng)大：它能制造風(fēng)，能研究風(fēng)中的飛行器，還能幫助運(yùn)動(dòng)員逆風(fēng)飛揚(yáng)。這個(gè)能“捕風(fēng)捉影”的“神器”就是風(fēng)洞。

風(fēng)洞是一種管道狀的試驗(yàn)設(shè)備，可以人工控制風(fēng)量與風(fēng)速，用于測(cè)量空氣流經(jīng)物體時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)。它“誕生”于一百多年前，其出現(xiàn)和發(fā)展與航空航天科學(xué)緊密相關(guān)。現(xiàn)在，它不但在航空航天業(yè)中起重要作用，還可以用于設(shè)計(jì)汽車、火車等交通工具，甚至可以模擬測(cè)試艦船在水流中的狀況、測(cè)量高層建筑和大型橋梁的風(fēng)壓、控制火災(zāi)、規(guī)劃城市等等。可以說(shuō)，風(fēng)洞是現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)研究和試驗(yàn)中使用最廣泛的工具之一。

為什么風(fēng)洞的適用對(duì)象這樣廣泛呢？因?yàn)樵诳諝庵羞\(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)涉及空氣動(dòng)力問(wèn)題，而靜止的物體由于風(fēng)的作用，會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力問(wèn)題。當(dāng)這些問(wèn)題對(duì)物體產(chǎn)生較大影響時(shí)，就必須做風(fēng)洞試驗(yàn)。

風(fēng)洞試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)有很多。首先，它符合科學(xué)，依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，風(fēng)洞測(cè)試的數(shù)據(jù)適用于試驗(yàn)對(duì)象在真實(shí)狀態(tài)下的相關(guān)情況。比如，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)飛行器時(shí)，可以參考在飛行器不動(dòng)而空氣動(dòng)的狀態(tài)下風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。其次，它成本低，比如美國(guó)在設(shè)計(jì)建造第一代航天飛機(jī)時(shí)，歷經(jīng)約十萬(wàn)小時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)，如果在大氣層中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，成本將是一個(gè)天文數(shù)字。再次，它可控性強(qiáng)，因?yàn)槭窃趯?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，所以科學(xué)家可以根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象確定風(fēng)洞空間的大小、風(fēng)速的快慢，可以模擬試驗(yàn)對(duì)象在高溫、低溫等狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)，可以利用煙幕和激光燈來(lái)模擬氣流等。最后，它可重復(fù)性高，科學(xué)家能在試驗(yàn)中準(zhǔn)確測(cè)試并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)調(diào)整試驗(yàn)的環(huán)境和步驟。風(fēng)洞便于開(kāi)展科學(xué)試驗(yàn)，就像攝影棚便于影視劇拍攝一樣，難怪它頗受科學(xué)家的重視。

怎樣進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)兀恳燥w行器為例，首先，將飛行器的縮尺模型或?qū)嵨锓胖糜陲L(fēng)洞中，使其保持靜止?fàn)顟B(tài);然后，人工制造氣流，模擬實(shí)際飛行時(shí)飛行器的各種情況;接著，利用高靈敏儀器測(cè)試飛行器各部位的受力情況，記錄其表面與周圍空氣的流動(dòng)狀況;最后，科學(xué)家根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為飛行器的設(shè)計(jì)與制造給出建議，或者調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步測(cè)試。一般情況下，風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)越詳細(xì)、越準(zhǔn)確，和真實(shí)情況越相似。

冬奧會(huì)上有些競(jìng)速類運(yùn)動(dòng)員也會(huì)使用風(fēng)洞進(jìn)行訓(xùn)練。在這些項(xiàng)目中，毫秒之差決定勝負(fù)，只有保持空氣阻力最小的動(dòng)作，才能領(lǐng)先于對(duì)手，所以需要借助特制的風(fēng)洞確定比賽時(shí)的最佳姿勢(shì)與動(dòng)作。2020年，中國(guó)國(guó)家體育總局與航天部門合作，建成了兩個(gè)體育風(fēng)洞。體育風(fēng)洞不但具備安全性和人性化，而且可以拍攝存儲(chǔ)畫面，記錄運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)、重心變化等數(shù)據(jù)，為訓(xùn)練提供參考。進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員會(huì)站在六分量傳感器上，風(fēng)洞制造出相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)速，運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作和重心的細(xì)微變化都會(huì)帶來(lái)風(fēng)阻的變化，具體數(shù)據(jù)可以通過(guò)其腳下的傳感器測(cè)得，并實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)動(dòng)員和教練員。運(yùn)動(dòng)員可以借此發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、加速等動(dòng)作的最佳姿勢(shì)。

唐代詩(shī)人王勃說(shuō)風(fēng)“來(lái)去固無(wú)跡，動(dòng)息如有情”，但在科學(xué)家眼中，風(fēng)“來(lái)去不再無(wú)蹤跡，動(dòng)息依然如有情”。