在建築結構的設計中，風是一個繞不過的問題。今天小i請到特約作者Panboa，為我們介紹風洞的歷史和發展。
風洞的歷史
最早的風洞，是為了測試飛機模型的空氣動力學特性而發明的。談到飛機，大家一定會想到萊特兄弟。
萊特兄弟的第一次成功飛行持續了12秒，航程36.5米。這是人類歷史上第一次實現重於空氣的航空器持續而且受控的動力飛行。萊特兄弟的成功，很大程度上應該歸功於他們把風洞技術應用到了飛機的設計中來。
當前輩們為了獲得升力數據一次又一次冒著生命危險趴在滑翔機上靠扭動著身體來控制飛行時，萊特兄弟忽然想，把機翼固定起來，給它吹風不是也一樣嗎？於是，他們製造了一個簡單的風洞，大概就是下面這個樣子。
其實在萊特兄弟之前，英國的赫伯特.溫罕姆，在1871年便為英國航空學會設計出了世界上第一個風洞。他是英國航空動力學的先驅人物，美國航空學會的創始人之一。儘管他那個風洞的實驗段尺寸只有0.46mX0.46m，比萊特兄弟的要小一些，但各國航空動力學研究者仍然承認，溫罕姆所設計的風洞是世界上最早的風洞。
風洞的大量出現則是在20世紀中葉。現在世界上最大的風洞「Ames風洞」，屬於航天領域的老大——美國國家航空和航天局(NASA)。1939年建造，總耗資30億美金。最初成立是為了從事對螺旋槳飛機的空氣動力學的風洞研究，逐漸發展到航天和信息技術。目前有2300名員工，每年享有8.6億美元的政府財政預算支持。
通過以下圖片我們可以感受到ames風洞的龐大。
1936年4月，清華大學航空工程組自行研製成功國內第一個5英尺航空風洞，風洞採用回流式，最大直徑為3米，試驗段剖面為圓形，直徑1.5米。該校王士倬等4人關於此風洞的論文被評為1936年中國工程師學會論文第一獎。1936年11月，清華大學在南昌成立航空研究所，是舊中國僅有的兩個航空科研機構之一。
1937年，清華大學在南昌建造成4.5米回流式大風洞，圓形剖面試驗段正常直徑為4.57米，可以縮小一半，也可放大到6米，最大氣流速度58米/秒。這個風洞是當時世界上最大的風洞之一，比加州理工學院的風洞要大50％，標誌著中國航空工業發展的一個新階段。
我國現在的航空航天事業的發展，離不開國家在風洞建設領域的巨大投入。目前，在四川西北的群山中，有一個總體規模居世界第三、亞洲第一的風洞群，擁有50餘座配套的低速、高速、超高速氣動力和氣動熱試驗設備和特種試驗設備。我國自行研製的各種航空航天飛行器，都要在這裡進行空氣動力試驗。
建築和橋梁的風洞試驗
隨著工業技術的發展，風洞試驗從航空航天領域擴大到一般工業和民用部門。土木建築工程中的風流動主要涉及鈍體空氣動力學，解決這些流動的理論和計算方法難度較高，風洞試驗自然就成了該領域的研究工具。
20世紀30年代，英國物理實驗室在低湍流度的航空風洞中進行了風對建築物和構築物影響的研究工作，指出了在風洞模擬大氣邊界層湍流結構的重要性。1934年，德國L．Prandtl在哥廷根流體力學研究所建造了世界上第一座環境風洞，開展環境問題的實驗研究。
L．Prandtl教授和風洞設計圖
20世紀50年代末，丹麥M．Jensen對於風洞模型相似律問題作了闡述，認為必須模擬大氣邊界層的特性。另外，美國的Cermark在科羅拉多州大學以及加拿大的Davenport在西安大略大學分別建成了長實驗段的大氣邊界層風洞，標誌著對風工程有了專門的模擬實驗研究設備。
Davenport教授
從20世紀80年代開始，大氣邊界層風特性的模擬技術，特別是大尺度湍流的模擬技術有了較大的發展。應用風洞模擬各種氣象、地面及地形條件的範圍進一步擴大，研究風載、風致動力響應問題的能力也有了進一步的提高。
邊界層風洞主要有回流風洞、直流風洞兩種。這兩種風洞一般通過尖劈、格柵和粗糙元模擬邊界層風剖面，也叫被動式邊界層風洞。區別於被動風洞，還有一種主動風洞。
▲回流風洞
▲直流風洞
▲主動控制風洞
建築和橋梁風洞實驗中，一般採用以下4種：測壓模型實驗，高頻動態測力天平試驗，橋梁專門模型（節段模型）實驗以及氣動彈性模型實驗。
▲測壓模型實驗
▲高頻動態測力天平試驗
▲橋梁專門模型（節段模型---測力、測振-識彆氣動參數）
▲全橋氣彈模型實驗
促進風理論進步的兩起風災
在談論邊界層風洞技術的發展和建設的過程中，有必要介紹兩起促進了風工程理論發展的風災事件。
1）渡橋(Ferrybridge)電廠冷卻塔倒塌事故
1965年英國渡橋(Ferrybridge)電廠冷卻塔群中，處於下風向的三座塔在五年一遇的大風中發生倒塌，引起人們對冷卻塔風荷載的極大關注。根據事故調查，倒塌原因主要歸結為沒有考慮脈動風作用和群塔幹擾效應而帶來的設計強度不足，因而導致迎風面子午向鋼筋的拉破壞。
2）塔科馬懸索橋垮塌事故
1940年11月7日,美國華盛頓州新建成的塔科馬懸索橋,在風速為19 m/s的大風中加勁梁經受70 min的劇烈振動後垮塌,振動中主跨1/4點附近扭角振幅約±35°。自1940年7月1日開通運營以來，即使微風輕拂，加勁梁的豎向振動經常發生。這種豎向振動在一定程度上引起當地公眾的注意，並為該橋贏得「疾馳Gertie」的綽號；另一方面，該振動引起了密切監測橋梁振動型式的結構工程師的高度關注。
塔科馬橋垮塌後，美國當局發起了大規模的調查研究。在華盛頓大學Farquharson教授帶領下進行,以弄清橋梁失效的原因,並為懸索橋的抗風設計提供指南。研究結果編成5卷報告,內容包括:(1)風致橋梁損毀的歷史性回顧；(2)懸索橋結構動力學；(3)懸索橋氣動分析的平板勢流理論；(4)全橋模型及節段模型的風洞試驗技術；(5)跨越塔科馬海峽新懸索橋的氣動設計。該報告在橋梁氣動領域公認具有裡程碑意義。
數值風洞
與風洞實驗相對應的是數值風洞技術。隨著計算機軟硬體的迅速發展及計算流體力學的日趨成熟，使在計算機上建立風洞模型成為可能。所謂數值風洞，就是在計算機上做風洞試驗。它基於計算流體動力學（CFD）原理，選擇合適的空氣湍流數學模型，再結合一定的數值算法和圖形顯示技術，能夠將「風洞」結果形象、直觀地顯示出來。相比於傳統的模型試驗方法，數值風洞計算周期短、價格低廉、數據信息豐富、並且可方便模擬各種不同情況。
數值風洞技術廣泛應用於軍用與民用領域，作為風洞實驗之外的補充與另一選擇。
參考文件：
1 百度百科
2 維基百科
3 渡橋電廠冷卻塔倒塌的塔型因素分析_沈國輝
4 渡橋電廠冷卻塔風毀事故介紹和分析_張軍鋒
5 60年後塔科馬大橋的空氣動力研究_萬田保
圖片均來自網絡，版權歸原作者所有。
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