XNJD-3风洞实验室内部。记者 李强 摄
提起风洞，你可能会联想到黑洞、虫洞等神秘概念。实际上，这是一个开展空气动力科学研究的实验装置。简单来说，风洞是通过人工来产生和控制气流，模拟物体周围气体的流动。形象地比喻，风洞是在地面上人为地创造了“天空”。
风洞到底什么样？为何要进行风洞试验？近日，记者到世界最大的边界层风洞一探究竟。
藏于大楼里的“人造天空”
在西南交通大学犀浦校区，穿过一片幽静的草坪，便来到了西南交通大学风工程试验研究中心。从外表看，这只是一栋长长的普通楼房，但内部却别有“洞”天。这里是目前世界最大的边界层风洞——XNJD-3风洞。
据悉，XNJD-3风洞宽22.5米、高4.5米、长36米，风速范围可在1.0—16.5米/秒之间精确调控，其主要技术指标达到世界领先水平，适用于开展大跨及超大跨度桥梁、大型建筑物及建筑群等风工程试验。
走进实验室的控制中心，映入眼帘的屏幕上，跳动着实时数据，精准地操控着风洞的运行。透过玻璃窗向内望去，空旷的风洞内部更像一座工厂，里面孤零零的梁桥模型横亘在中央。
正前方，四个强风风机被黑洞洞的网格隔开，这便是风洞的“动力心脏”。其前方的多层金属格栅能让风速均匀稳定；正后方，则是大方格，尾部顺滑上翘，可以将吹出风导入实验室上方，再流到前方从风口吹出，配合循环气流设施，确保还原最真实的环境。
据西南交通大学教授马存明介绍，西南交通大学风工程试验研究中心建于1989年，是国内最早开展风洞试验的三家单位之一。近年来，研究中心已承担国家级项目50多项，省部级科研项目40多项，包括桥梁、建筑、高铁、车辆、电力设施等应用科技项目200多项。
给大桥、建筑“把脉”抗风性能
为什么要大费周章地进行风洞试验？“风洞试验在民用领域主要用于大跨度桥梁和超高层建筑。”马存明直言，“特别是在桥梁建设上，随着环保、经济性要求不断提高，桥梁工程技术难度呈指数级增长。”
他进一步解释，一跨过江的悬索桥因其对环境影响小、通航适应性好，成为建设跨越大江大河桥型的最佳选择。一般而言，中小跨径桥梁以抗震为核心，而大跨度桥梁面临的首要挑战则是抗风。
“当桥梁跨度逼近2000米时，工程难度就迈入了全新量级。”马存明解释说，“建设2000米级超大跨悬索桥，投资动辄约百亿元，能否抗风防灾是决定成败的关键。”
他特别强调，必须在设计之初，就要对桥梁的抗风性能作出准确判断。其中，最致命、最不可预测的则是危及安全的颤振问题——跨度越大、桥体越柔，对风的作用就越敏感。突破2000米跨度，意味着必须设计出能够抵抗强风的桥面断面和抗风措施，其对理论分析和风洞试验的要求极高。
这类大桥需同时解决两类问题：一是在极端大风下的抗风安全，即保证桥梁在极端大风下不会发生断裂或垮塌；二是在日常风速下的振动控制，避免出现“荡秋千”情况，以免晃动影响行车安全与舒适。
如何实现检测并达到理想效果？关键就要依托风洞试验。马存明解释，在风洞实验室内，可以把桥等比例缩小，进行极端环境模拟测试。不仅如此，遇到各种问题，团队还会结合专业理论，给出相应的解决方案。
守护桥梁、助力飞行，应用场景多元
近段时间，马存明团队正在进行虎门大桥辅航道桥的风洞试验，这项工作已持续了半个月。
据了解，虎门大桥辅航道桥中间主跨270米，在长期重载车流下，耐久性显著下降，需要重新加固从而提升虎门大桥段安全韧性、恢复通道交通功能、保证结构安全耐久。
果不其然，在对虎门辅航道桥缩小为原来的1/30的桥梁模型进行试验时，当6米/秒的风（相当于日常8—9级大风）吹在大桥上，桥梁很快开始上下振动，且幅度越来越大。
找出了问题，团队还给出解决方案：其一，改变桥梁外形，改变桥梁断面周边的流场，使得涡脱变小，减小激励的大小，从而涡振变小或者消失；其二，利用一些机械装置增加桥梁的阻尼，提高桥梁抵抗动力荷载的能力，减小涡振的振幅。
在试验中，记者目睹了调谐质量阻尼器的神奇效果。随着工作人员将2个阻尼器挂在桥下，同样的风吹过，桥体的振动明显减小。
目前，西南交通大学抗风研究团队完成了世界最大跨度桥梁（主跨2300米）江苏张靖皋长江大桥，世界首座主跨超过2000米桥梁土耳其恰纳卡莱大桥，港珠澳大桥、兰新高铁等国内外重大工程的抗风科研，以及成都东站、深圳大疆天空之城大厦、上海陆家嘴金融贸易区高层建筑群的风洞试验。
未来，“风洞试验应用场景将会增多。”马存明展望，随着低空经济发展，无人机、飞行器将成为风洞试验新的应用领域，除此以外，风力发电机、光伏发电等，甚至是自行车、滑冰、帆船竞赛等运动项目，也可以运用风洞试验。
记者 兰珍
编辑：王敏琳