风洞大家都知道，水洞你听说过吗？

提到空气动力学和飞机设计领域一个至关重要的试验设备——风洞，大家恐怕都耳熟能详，然而说起另一种也在流体力学研究中占有重要位置的试验设备——水洞，大家可能就比较陌生了。水洞是干什么用的?它与风洞又有什么不同呢?

水洞和风洞一样，都可以进行航空航天器的流体力学研究，水洞特别适合进行低雷诺数、低速条件下的研究

何谓水洞

(相关资料图)

我们都知道风洞是空气动力学里一个非常重要的研究设备，实际上空气动力学也属于流体力学范畴，它主要是研究以空气为介质的流体力学现象。那么如果流体介质不是空气，而是水或者油，那么该如何研究在这些介质中的流体力学规律和现象呢?于是使用水作为试验介质的试验设备就应运而生了，这就是“水洞”。

它主要用于研究水的空化现象、水的弹性、自由液面、舰船运动、水中推进、水力机械等水流体力学问题，因此也称之为空化水洞。那么水洞与空洞有什么本质不同呢?我们知道，与空气相比，水具有高密度、低质量扩散和低流速的特性，这些特性使得水洞比风洞更适合某些空气动力学问题的观察分析和研究，比如飞行器大迎角涡的产生和脱落、微型飞行器扑翼运动等，这些用水洞来研究，通过对水流变化的研究，可能现象的表现比风洞更加显著，因此规律的研究比风洞更方便。因此，水洞不光应用于水中航行的舰船运动试验和水中推进技术(螺旋桨推进装置、泵喷推进装置、喷水推进器装置等)的研究，也广泛应用于空气动力学的基础研究领域，扑翼机、飞机大迎角飞行特性、非定常空气涡的控制和特性等研究都有它的用武之地。

此外，水洞还有一个非常重要的军事用途，这跟它用于研究水的空化现象直接相关。什么是水的空化现象?我们知道，水作为一种液体，它本身可以汽化变成气态的蒸汽分子；而且自然界的水也不是纯净物而是混合物，在水中平常还溶解有大量的其他气体分子。而在一些特殊的情况下，如果维持水的温度不变，使水表面的压强降低到某个临界值后，气体内部含有的细小气泡将会迅速膨胀，在水中形成含有水蒸气或其他气体的明显气泡，这一过程在物理学领域被称为水的“空化”,而空化现象在水中形成的空洞，则称作“空泡”。

空泡现象在自然界和现实生活中比比皆是，早在1753年科学家欧拉就发现，在水管中某处的压强如果降低，就会形成真空空间，这就是空泡导致的。19世纪后半叶，随着蒸汽轮船的出现，大家发现螺旋桨推进装置在旋转中会导致水中某些区域压强骤降，出现空泡，这些空泡不但降低螺旋桨的推进效率，还会产生极大的噪声，这个问题直到现在还在困扰着水中推进装置技术研发的科研人员们，现代潜艇研究者一直在研究如何减小螺旋桨空泡产生的技术。空化现象还有一个最著名的例子，就是超空泡鱼雷，它是在利用鱼雷头部的发生器产生空化的空泡，从而包裹整个鱼雷，以达到减小鱼雷在水中航行阻力，从而大幅提高鱼雷航行速度，提高其威力的目的。超空泡鱼雷，堪称是水的空化现象的一个极致应用，目前已经成为鱼雷技术发展的一个前沿领域，俄罗斯、伊朗和德国等国家都在积极研究该技术。因此，研究超空泡鱼雷，也就不能不研究水的空化现象，因此就不能不需要水洞这个重要的研究试验设备。

NASA阿姆斯特朗研究中心的FVF水洞

水洞的主要类型

水洞的功能和结构形式多种多样，初步可以按以下几种形式划分：

第一，按照用途功能划分，可以分为用于水流体动力研究的水洞(水速较高)和用于空气动力学研究的水洞(水速较低)。

第二，按照试验段(水洞和风洞试验设备的核心部分)形式来划分，可分为无自由水面的水洞和有自由水面的水洞，即试验段里充满水还是未充满水，前者可以用于水面船舶试验，后者则可以用于水中推进装置等的试验；水平试验段和立式试验段水洞，即试验段是水平设置还是垂直设置(这与水平风洞和垂直风洞有异曲同工之妙)。

第三，按照回路形式划分，有回流、重力式或非重力式(压力可调),还有非回流、重力式的。

值得注意的是，用于水的空化现象研究的水洞比较特殊，它与上面讲的常规水洞是两个完全不同的系统，设置大不一样，首先它要有空气重溶系统，当试验段中水发生空化现象时，重溶从水中释放出来的气泡，以便进行下一次试验。还要有含气量控制系统，使试验段水中流中重溶解的空气量保持在试验所需的常量，不多也不少。

从结构上来看，压力可调类水洞的调压方式是从水洞上游顶部的密封箱中设置有自由水面，水面上有空气，与真空泵相连接。当抽出空气时，可以降低试验段中的压强，也可以增加试验段中的压强。水洞有除气系统，以减小控制水中的空气含量；水通过管路进入除气塔，除气后流回到水洞。水洞还有过滤系统，使水保持清洁。水洞的测控系统则可以调控水的流速和压力。

水洞中的流动介质是水，其密度和黏性系数远远大于空气，但与风洞相比，水洞设备试验短尺寸小、试验速度相对低一些，雷诺数相对也比较低。水洞试验研究的现象和低速风洞试验研究的现象其实较为相似。水洞比较适宜于研究涡、湍流以及舰船模型等的相关实验。由于水洞中水流比较均匀，粒子容易撒播，而且流动速度较慢，在水洞中更容易实现流动显示，也更适宜进行一些动态实验，显示更为直观。

此外值得注意的是，由于水洞里雷诺数比较低，因此有一些空气动力实验，是否适合在水洞中进行，需要进行论证和具体分析。

48：1比例缩比的F-18水洞试验模型，美国N A SA用水洞成功进行了该型战斗机的一些气动研究和试验

国外水洞发展情况

水洞试验设备的出现很早，1896年，英国的C.A.帕森斯就建造了世界上第一个研究空化现象的小型水洞，该水洞为铜制，全长1米，试验段为0.15×0.15米。目前，世界上大约有两百多座不同类型和用途的水洞，分布于30个国家的科研院所中，主要用于船舶/潜体等流体动力学研究和空气动力学基础研究。其中：

1,具有自由水面试验段的最大水洞是德国柏林水工和造船研究所的，试验段5×3米，长10米，水流流速为15米/秒。

2,无自由水面试验段的最大水洞是俄罗斯圣彼得堡的KPyn0B-3水洞，其试验段为1.3×1.3米，水流流速为13米/秒。

3,流速最高的水洞是美国宾夕法尼亚州立大学的超高速水洞(也称为文丘里环),其流速为83.8米/秒，试验段截面直径为0.04米。

用于空气动力学的研究水洞中，最著名的一座当属1983年美国航空航天局NASA阿姆斯特朗飞行研究中心建立的FVF水洞(FVF为流体可视化设施的英文缩写),该设备具有垂直(主要)和水平(辅助)两个试验段，其中立式试验段尺寸0.4×0.6米，试验流速4.8米/秒，水平试验段尺寸0.6×2米，最佳流速0.08米/秒。该风洞主要用于飞行器大攻角空气动力学研究，可视化分析飞机模型大攻角时涡流发展情况。水洞比起风洞而言直观得多的流动显示，可以帮助确定涡流的强度、位置，研究控制方法。该设备进行过F-15、F/A-18、X-29A、X-31等大量飞行器流动显示和动态试验研究。用于空气动力学研究的水洞构造相对简单，一般都是重力式水洞，压力不可调，试验段尺寸较小，试验流速相对较低(每秒零点零几米到米流量级),试验雷诺数较低(10的四次方量级)。除FVF水洞外，其他类似的水洞还有很多，如美国空军研究实验室、澳大利亚航空研究实验室和德国宇航研究院的水洞等。

用于水流体力学的研究水洞方面，1941年荷兰海事研究所建立了大型空化水洞，主要用于船舶螺旋桨空化和推进研究。水洞压力可调(小于180千帕斯卡)。最大可试验螺旋桨直径0.4米。可用于船舶螺旋桨推进、空化和噪声的研究。

瑞士水力机械实验室建设了用于水力机械研究的水洞，主要用于水涡轮机、水泵、船舶螺旋桨等空化和推进研究。试验速度可达50米/秒，压力可调(小于160千帕斯卡),雷诺数可达10的七次方量级，湍流度小于0.3%。用于船舶和水力机械流体力学研究的水洞构造复杂，通常试验段尺寸较大，试验速度较高，试验压力可调，试验雷诺数高，具有水中空气重溶控制系统。类似的水洞还有美国水面作战中心的36英寸水洞、大卫-泰勒变压水洞等。

结语

总结而言，水洞是一种水流体力学研究设备，也是一种空气动力学基础研究设备，主要用于舰船、水中兵器、航空航天飞行器试验研究。在空气动力学研究方面，主要用于雷诺数不敏感的飞行器复杂流场流动显示，可也进行动态试验和模型测力试验。可以说，对于相关研究而言，水洞是一种非常重要的科学研究和试验装置。

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