我所了解的北航老风洞、老水洞-纪念北航建校70周年

张华-BUAA

摘要：介绍我所了解的北航老风洞和老水洞，并叙述我与这些老设备及后续相关新设备的过往交集和不了情缘。

　　

2022年是北航建校70周年。我自1982年初北航“空气动力学与飞行力学”专业本科毕业留校后分配在5系（航空科学与工程学院前身）第一研究室（流体力学研究所前身，陆士嘉先生创立并担任首任主任）工作，直到2021年9月63岁时退休，在近40年的工作过程中我对北航多数老风洞、老水洞均有一定接触和了解。以下将按低速风洞（含烟风洞）、跨声速风洞、超声速风洞（含高超声速风洞）、水洞（含水槽）的顺序分别介绍我所了解的北航老风洞和老水洞，并叙述我与这些老设备及后续相关新设备的过往交集和不了情缘。谨以此文纪念北航建校70周年。

D-1低速风洞

北航D-1风洞最初是由空气动力学家沈元先生为清华航空系设计建造的，后从清华搬迁至新成立的北京航空学院[1,2,3]。沈元先生1946年从英国伦敦大学帝国理工学院博士毕业后回到清华航空工程系任教并历任副教授、教授和航空系主任，在1946-1948年期间沈元先生为清华航空系设计建造了这座回流式开口实验段低速风洞（铁制），其椭圆形实验段尺寸40英寸x30英寸或1.06米x0.76米，是当时国内最先进的风洞之一。1952年国家决定由包括清华航空系在内的八大航空院系组建北京航空学院，沈元先生作为筹备组成员之一及被新任命的北航副院长参与组建北航的工作，并带领原清华航空系的大部分师生迁入北航，这座风洞也一同迁往北航并被命名为北航D-1风洞。图1是当年该风洞搬迁现场沈元先生、陆士嘉先生和徐华舫先生在风洞动力段检修窗前的合影。图2是北航D-1风洞现在的动力段局部照片，其中的风洞检修窗正是当年三位建校元老合影的背景，每次经过这里都让我们仿佛看见70年前建校前辈们奋斗的身影。

图1. 北航建校初期沈元先生（左）、陆士嘉先生（中）和徐华舫先生（右）在D-1风洞搬迁现场

图2. D-1风洞动力段外观照片，中间的检修窗正是70年前三位建校元老合影的背景

（注：1990年代由刘旺开、王祖沣老师负责对动力段和安定段进行过大修更换）

　　图3是文献[2]中记载的清华相关风洞信息，其中的“40英寸x30英寸椭圆形回流式风洞”就是北航D-1风洞，其中的“3英尺x3英尺开流式木制风洞”即北航D-2风洞，将在下节叙述。

图3. 《清华大学志（下）》[2]记载了迁往北航之前清华拥有的40英寸x30英寸回流式风洞和3英尺x3英尺直流木制风洞情况

　　我留校后承担的第一个科研项目“北京西客站主站房风荷载实验研究”（参见图4 上、下）就是在D-1风洞中完成的，由于D-1风洞不具备风工程研究所需要的大气边界层条件，实验中采用实验段平板上游布置曲线纱网的方法模拟C类大气边界层速度型。

图4(上、下). 1980年代我承担的第一个科研项目“北京西客站主站房风荷载实验研究”是在D-1风洞中完成的

　　此后的多年工作中我还曾在D-1风洞中完成过多项科研和教改项目，包括国防预研基金，国家自然科学基金，横向科研项目，以及国家力学基地建设项目，北航教改项目等等，图5是我在D-1风洞中完成的教改项目之一。

图5. 2000年代初我在D-1风洞中完成的教改项目之一“飞行器手动扫描阀压力分布测试系统”

D-2低速风洞

D-2风洞也是北航建校初期由清华大学搬迁至北航的[1,2]。D-2是一座木制结构三维直流式低速风洞，闭口实验段截面尺寸为3英尺x3英尺，主要用于教学实验。实验段顶部设置机械塔式三分力天平，可开展三维矩形机翼的升、阻力和纵向力矩特性测量等教学实验。

图6. D-2直流式三维低速风洞

D-3低速风洞

D-3风洞是北航建校初期为满足空气动力学教学实验的需求建立的。根据北航建校元老顾高墀教授（是陆士嘉先生早年在清华的研究生，北航建校初期曾担任陆士嘉先生的助理，已故）生前对我的口述[4]，D-3风洞是由苏联专家提供的图纸加工安装的。D-3风洞是一座木制结构直流式二维低速风洞，实验段截面尺寸为2m x 0.2m，可进行二维平板层流和湍流边界层速度型分布的测量以及二维机翼压强分布随迎角变化特性测量等教学实验。我曾经在此风洞中完成了“多段翼压力分布实验”等教改项目。图7、图8分别是D-3风洞缩比模型和实物照片。

图7. 按苏联图纸预先制作的D-3风洞缩比模型（实验段窗口在流动的右侧）

图8. D-3直流式二维低速风洞（实验段窗口在流动的左侧，估计是考虑到实验室采光和实验方便而进行的更改）

　　根据学校的总体规划航空科学与工程学院将搬迁至沙河校区，上述D-1、D-2和D-3风洞及风洞馆作为北航历史的一部分将保留在学院路主校区原址。

为了使沙河校区教学实验室能够具备原D-1、D-2和D-3风洞开展空气动力学教学实验的能力，我2013年主持了1米 x 1米直流式闭口实验段低速风洞设计建设，该风洞于2018年在沙河校区教学实验室投入使用（图9）。

图9. 我2013年主持设计建造的沙河校区教学用1米x1米直流式闭口实验段低速风洞（2018年投入使用，其间曾因安装场地未解决而搁置了3年）

D-4低速风洞

前述D-1、D-2和D-3风洞或口径偏小或主要用于教学，为了兼顾教学和科研的需要，1955年由北航建校元老伍荣林先生主持设计建造了D-4风洞[1]。D-4风洞是木制结构直流式闭口实验段低速风洞，圆形实验段直径1.5米。据北航建校元老顾高墀教授（已故）对我的口述[4]，D-4风洞没有完整的设计图纸，伍荣林先生是边设计边更改，“与木工师傅比划着”设计建造出来的，正式建D-4风洞之前先由木工师傅做了一个D-4风洞缩比模型（参见图10.上），该风洞缩比模型内的小电机和小风扇甚至还可以运转。图10.下所示为学生在老D-4风洞实验段中做实验准备。

图10. 上：老D-4直流式闭口实验段低速风洞缩比模型，下：学生在老D-4风洞实验段内做实验前准备

　　D-4风洞实验段下方有一套庞大的模型支撑和攻角机构，配备机械式六分量天平（由连祺祥先生负责设计，1985年改造升级为应变式天平）。1958年我校向国庆献礼的项目、我国第一架轻型客机、著名的“北京一号”飞机的空气动力学性能实验全部都是在D-4风洞中完成的。遗憾的是D-4风洞没有留下实物外观照片，所幸我在后来新建“流体力学教学实验室”时保留了当年建造的老D-4风洞缩比模型（图10上），然而历经多次实验室搬迁、改造之后，上述D-3和D-4风洞缩比模型都丢失了，留下了遗憾。

后来老D-4风洞报废，由邓学蓥教授主持于2002年在老D-4风洞原址上重新设计建造了新D-4风洞（图11），新D-4风洞将保留在学院路风洞馆实验室不往沙河校区搬迁。

图11. 新D-4风洞，回流式开口/闭口实验段低速风洞，实验段截面尺寸1.5m x 1.5m

D-5低速风洞

D-5风洞是回流式闭口实验段低速风洞，实验段截面为0.8米×0.6米的八角形，最大风速45米/秒，它是1961年结合学生毕业设计建成的，建成后主要用于教学，“文革”后期主要用于科研。 由于实验室面积的限制，实验很不方便，故利用率不高，后被拆除[1]。我虽然在1980年代初期接触过老D-5风洞（其实验室位于风洞馆一层东南角），但遗憾没有为老D-5风洞留下实物照片。

后来刘沛清教授在北航沙河校区建立了1.0米x1.0米气动声学风洞被命名为北航D-5气动声学风洞（图12）。

图12. 新D-5气动声学风洞，实验段截面尺寸1.0米x1.0米

烟风洞与演示小风洞

烟风洞和演示小风洞是北航流体所原陈列室的主要教学设备。老烟风洞是1953年建校初期由苏联专家提供的图纸进行建造的[4]，由建校元老连祺祥先生负责，连先生对苏联图纸做了一些修改。由于年代久远性能降低，尤其是发烟器采用比较落后的电炉加热煤油发烟方式，经常造成油烟冷凝堵塞发烟排管以及废烟污染问题，到2000年代初期老烟风洞已不能满足正常使用要求。后来我对烟风洞进行了重新设计，尤其是对发烟器系统的发烟方式和结构进行了改造，并采用了新的发烟油，获得了很好的显示效果。

演示小风洞是直流开口式木制风洞，椭圆形开口实验段尺寸500mm x 400mm，可以开展翼型压力分布随迎角变化，机翼尾涡，马格努斯效应，升力飞机、后掠角及立尾对稳定性影响等演示实验。

图13是我在老烟风洞和演示小风洞给学生上空气动力学演示实验课。1990年代后期老烟风洞和小演示风洞曾因风洞馆改造而临时搬入航空馆由航空馆代管，2000年代我通过“力学基地”建设、“力学教学实验中心”建设等教改项目重新建立了“流体力学形象化教学实验室”。图14是在沙河校区实验室我重新设计、改造后的新烟风洞、演示小风洞及演示效果。

图13. 我在老烟风洞（左）和演示小风洞（右）给学生上空气动力学演示实验课

图14. 经过我重新设计、改造后的新烟风洞（左）和演示小风洞（右），以及新烟风洞中翼型绕流烟线流动显示效果（下）

引射式跨声速研究风洞（IDT）

上世纪七十年代末北约（NATO）提出了发展新一代高雷诺数风洞的高新指标，国际上（主要是欧美）掀起了建设高雷诺数跨声速风洞的热潮，北航建校元老凌云沛先生首先在国内提出利用高校研发优势开展引射式跨声速前导风洞的研究。我1982年初留校后就给凌先生当助手，并协助凌先生建立了国内首座引射式跨声速研究风洞（IDT），参见图15。1982年至1989年期间课题组深入开展了引射驱动跨声速风洞高要求指标、引射器性能及气动噪声等研究，参见图16。当时国家正准备投资建设我国首座2.4米大型引射式跨声速风洞，我们的先导性研究引起了国内同行尤其是2.4米跨声速风洞研建单位中国空气动力学研究与发展中心的关注，时任气动中心总师恽起麟曾专门与北航课题组交流研讨相关技术问题。课题相关论文曾获原国防科工委航空气动力协作攻关办定期举办的“7210”全国风洞试验会议优秀论文奖（图17）。1989年项目通过验收后该研究风洞完成了其使命。

图15. 国内首座引射式跨声速研究风洞（IDT），实验段截面积100mm x 100mm

图16. 率先在国内开展了引射式跨声速风洞高要求指标研究[5]

图17. 相关论文曾获得原国防科工委航空气动力协作攻关办主办的“7210”第八届全国风洞试验会议优秀论文奖

G-1超声速风洞

G-1超声速风洞是北航建校初期建成的[1]，试验段截面为0.1米×0.1米的方形，采用更换拉瓦尔喷管曲线块的方式改变马赫数，Ma=1.5~3.5，为暂冲下吹式（图18）。G-1超声速风洞建成后曾经过多年逐步改进，配备有小型纹影仪和压力测量系统，可开展激波纹影观察，喷管沿程马赫数分布测量，超声速风速管马赫数测量等教学实验和小型弹体实验。今后G-1超声速风洞将搬迁至沙河校区实验室。

图18. G-1超声速风洞

G-2高超声速风洞

G-2高超声速风洞是由原国防科委五院向陆士嘉先生提出，委托北航空气动力学教研室研制的前导性和小型高超声速风洞[1]，由连祺祥先生主持，高先坤、蔡启伦老师参加研制。其实验段尺寸为0.2米×0.2米，马赫数Ma=5~10。从1958年起到1960年试吹风，初步证实了这种风洞各主要部件方案的可行性，即采用上游高压罐，下游真空罐的驱动方式，安定段前用蓄热物质提高气流总温。三年困难时期，由于人力、经费不足和测量技术一时还过不了关而下马并拆除。G-2高超声速风洞没有留下实物照片。

G-3超声速风洞

G-3超声速风洞是1958年由沈元先生和陆士嘉先生组织、筹资，徐华舫先生为主设计，高先坤老师负责施工安装，于1959年8月安装完成[1]。G-3风洞的设计参照了当时国际上最先进的超声速风洞、前苏联的AT-1，是我国第一座自行设计建造的中型超声速风洞，参见图19。G-3超声速风洞试验段尺寸0.47米×0.548米，共有五个马赫数（Ma=1.5、1.75、2.0、2.25、2.5）的拉瓦尔喷管段，另有一个跨声速实验段。风洞为暂冲下吹式，贮气罐容积1000立方米，8个气压，吹风时间80秒。G-3风洞建成后至1986年其调节控制、数据采集和数据处理等系统经过多次改造升级。G-3风洞具有结构简单，建造费用少等优点，但也有拉瓦尔喷管段十分沉重不便快速更换，实验段尺寸与国内同类主流风洞不适配的缺点。

图19. G-3超声速风洞

　　1990年我32岁结束了8年的“引射式跨声速先导风洞研究”课题后加入“激波/边界层干扰研究”团队，至1996年止共有6年时间在G-3超声速风洞中工作，其间独立完成了激波/边界层干扰脉动压力测量技术开发[6]，并协助课题组博士生窦华书、王宇、廖锦华等完成了大量耗时长、困难多、费力大、噪声响的激波/边界层干扰超声速风洞实验。在G-3超声速风洞工作的6年里让一个青椒磨练了筋骨、领略了冷暖、学会了忍让、懂得知进退、学会果敢取舍、更加自立自强。图20、21、22是我在G-3风洞工作时期的照片。

图20. 我与博士生窦华书在G-3风洞的工作照

图21. 参与课题组博士论文答辩

图22. 课题曾获国家自然科学三等奖

0.4米流动显示水槽

该水槽是1980年连祺祥先生瞄准当时国际上湍流拟序结构研究热点和复杂流动机理研究的需要而建立的，是国内第一座流动显示水槽（图23）。其试验段尺寸0.4米×0.5米×6.0米，流速0.1~0.5米/秒，为引射驱动水平回流式。水槽配有氢气泡发生装置和可连续摄取流动变化过程的快速照相枪[1]。连先生团队在该水槽中取得了一系列具有国际先进水平的研究成果[7]。

图23. 1980年连祺祥先生研制的国内第一座流动显示水槽

　　这座水槽一度是流体所使用率最高、出成果较多的设备，使用水槽的师生众多，有时需要排队等待，设计者连祺祥先生甚至在自己家中建了一个自用小水槽以方便研究，此外又在前述“引射式跨声速研究风洞”实验室（图15）原址上另建了一个小水槽供学生使用。

自上世纪80年代中期起我的在职硕士和在职博士论文相关流动显示实验研究大都是在连先生设计的第一座水槽中完成的。此后我也曾利用该水槽完成了多项科研项目，包括国防预研基金、行业基金等。经过20多年的运行该水槽已经老旧并于2005年报废拆除。

1.2米多用途低速水洞

为满足科研和教学需要由时任流体所副所长周伯诚教授负责于1997年建成。为串联水平回流式多用途低速水洞，全长85.6米，为亚洲规模最大的低速水洞（图24），水洞双实验段尺寸分别为高2.0米，宽1.8米，长4.4米和高1.2米，宽1.0米，长16.8米。主实验段流速范围0.1--1.0米/秒，单位长度雷诺数为1.0×10^3--1.0×10^6/米。与国内外同类设备比较，其综合实验段尺寸和流场品质，不仅在国内领先，且达到国际先进水平[1]，建成以来已完成多项科研和教学任务。该水洞将保留在北航学院路主校区水洞实验室。

图24. 北航1.2米多用途回流低速水洞，是亚洲规模最大的水洞

0.6m*0.7m*3m 循环水槽

基于学科发展和科研、教学的需要，2012年由我设计监制并委托台湾震生机器有限公司制造了实验段尺寸为0.6m*0.7m*3m的垂直循环水槽（图25），实验流速0.1-1.0m/s。该水槽尺寸适中、工作方便、利用率高。该水槽原安装在大水洞实验室的中部，今后将随航空科学与工程学院的搬迁一同迁往沙河校区实验室。

图25. 0.6m*0.7m*3m 循环水槽

0.4m*0.5m*3m 循环水槽

 为满足科研和研究生教学实验的需要，我于2012年研制建立了该垂直循环流动显示水槽（图26），实验段尺寸0.4m*0.5m*3m ，流速0.02-0.3m/s，配有二维粒子图像测速系统（PIV）和二维激光测速仪，可开展研究生PIV和LDV相关教学实验，本课题组在该水槽中完成了多个国家自然科学基金和其他项目研究。

图26. 0.4m*0.5m*3m 循环水槽

0.4m*0.58m*4.5m循环水槽

为满足科研和教学的需要，刘沛清教授于2012年研制建立了该水槽，其为垂直循环低速流动显示水槽（图27），实验段尺寸0.4m*0.58m*4.5m，流速0.1-0.6m/s，该水槽位于沙河实验室。

图27. 0.4m*0.58m*4.5m循环水槽

结束语

回想起来，在我将近40年的北航流体所工作经历中有相当大一部分时间和工作都跟风洞水洞实验研究、风洞水洞设计建设有关，在跨声速风洞实验室工作8年，在超声速风洞实验室工作6年，担任流体所实验室主任6年，担任流体所主管教学和教学实验室的副所长10年，因此我对流体所的风洞、水洞比较熟悉也很有感情。本文是对我所了解的北航老风洞、老水洞的一个梳理总结。文中基本上包含了北航流体所有史以来全部的风洞、水洞，不包括目前沙河校区正在建设中的4米x3米气动声学风洞[1]（刘沛清教授主持）。

我从2019年开始策划此文，搜集整理资料、采访建校元老顾高墀教授等老教师，后因病将写作搁置了两年，在我2021年退休之后、北航将迎来2022年10月建校70周年之际终于完成这篇文章，颇感欣慰。

参考文献

[1] 朱自强，北京航空航天大学空气动力学专业和教研室发展简况，2021年3月

[2] 《清华大学志（下）》第十九章院系概况、第一节航空工程学系

[3] 白涛，赵震炎，连祺祥，走近“风洞”-沈元早年设计并兼制的北航D1低速风洞，航空知识，2007年第9期，50-51

[4] 顾高墀，口述北航老风洞历史

[5] 凌云沛，张华，刘坚，新一代引射式跨音速风洞（IDT）高要求指标的研究，航空学报，1989.2，10（2）：B9-B14

[6] 张华，邓学蓥，激波/边界层干扰脉动压力测量技术，航空学报，1995.5，16（3）: 344-347

[7] 连祺祥，北航1980年建造的水槽，纪念北京航空航天大学空气动力学专业成立五十周年暨陆士嘉先生逝世二十周年文集，2006.10，47-49

注：本文载《北航校报》2022年9月1日，第1106期，总第1507期，第3版“北航往事”专栏

作者简介

张华，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，北京市高校教学名师，北京市优秀教师，中国力学学会全国优秀力学教师，“宝钢教育奖”优秀教师，北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师，北航“立德树人”优秀奖，北航“我爱我师-十佳教师”，北京力学学会科普委员会副主任，《力学与实践》杂志9、10届编委。主要研究方向：旋涡与分离流动，流动控制，风工程，风洞水洞设计。