2008年8月24日晚,随着熊熊燃烧的奥运圣火在国家体育场“鸟巢”缓缓熄灭,北京奥运会完美谢幕。托举着圣火燃烧了16天的奥运会主火炬成为了人们美好记忆中的一大亮点。
既像部分打开的卷轴,又似动听音符的主火炬,虽然外形看似简单,但是工程实现起来却异常困难。这主要是因为主火炬塔是一座高达30余米的骨架蒙皮结构建筑,加上“鸟巢”自身支撑骨架,塔顶距地面高度达到了近百米。由于四周空旷,这样的高度自然会带来十分强的风载荷。加之整个奥运赛程长达16天,为了确保主火炬塔安然屹立,必须掌握其风载荷情况。可是,主火炬塔形状不规则,现行建筑结构载荷规范没有可供参考的体形系数,导致可靠的风载荷参照数据无法直接获得。为此,必须要通过一种科学试验来准确掌握各种数据,为主火炬设计施工提供精确的数据支持。
这一试验任务只能由风洞完成。风洞,顾名思义,其外观看起来就像一个巨大的粗细不一的山洞,一般由洞体、驱动系统以及测量系统组成。风洞试验,就是依据运动的相对性原理,将试验对象实物或等比例模型放置在地面风洞中,人为制造气流流过,用来模拟实现对象在空中的各种状态,为最后的实物试验收集宝贵的技术参数。目前,风洞试验已经成为各种飞行器研究中必不可少的一部分,许多新颖的气动布局也都离不开风洞的贡献————北京奥运会主火炬就是其中一例。
2007年年底,总装驻川某基地科研人员受北京奥运会主火炬塔设计部门委托,主火炬塔抗风风洞试验在亚洲最大的8×6米低速风洞进行。为了保证试验风条件的精确性,参试科研人员先后设计了近百张图纸,从模型设计、加工到制定试验方案,进行了深入细致的研究、讨论。看似平常的风洞试验任务,却蕴涵着诸多技术难题。
首当其冲的是模型设计。由于主火炬塔是复杂的卷曲弧面,风洞试验难度十分大。要获取最准确的测力测压数据,必须选用最恰当的试验模型,比例太大或太小都难以满足试验要求。
克服了模型设计难题后,还要破解自然风对主火炬塔的影响。科研人员先后完成各类风洞试验60余次,成功解决了主火炬塔总体布局设计、模拟设备的风环境、横风向共振影响等诸多技术难题,为主火炬塔主体抗风设计提供了大量科学准确的风洞试验数据。宝贵的试验数据如期交到了设计部门手中,为主火炬设计的改进及制造立下了汗马功劳。
风洞是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分,是进行空气动力实验最常用、最有效的工具,其规模和完善程度往往反映出一国航空航天科学技术的发展水平。而且,随着工业空气动力学的发展,它在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。
风,来无影去无踪,自由之极。可是风洞却能将风“驯服”,人工产生和控制气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可度量气流对物体的作用以及观察物理现象。
世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国的莱特兄弟于1901年建造了风速12米/秒的风洞,从而发明了世界上第一架飞机。风洞的大量出现是在20世纪中叶,现在全世界的风洞总数已达千余座。
我国的风洞建设发展迅速,到目前为止,我国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。由于立式风洞设计和建造难度大,以前为少数几个发达国家所垄断。我国2005年实现了立式风洞的突破,由我国自行设计建造的第一座大型立式风洞在空气动力研究基地建成,并通气试车成功,采用现代先进调速技术实现风速控制,总体水平居国际领先地位。目前,这座立式风洞已形成强大的试验能力。
除了航空领域,随着工业技术的发展,风洞试验开始扩大到一般工业部门。各行各业的发展,越来越需要空气动力学和风洞试验的参与,并且已经形成了很多新的学科,比如“工业空气动力学”、“风工程学”等。现在,风洞试验在科学领域正推动着人类创新的步伐。