風洞

風洞は、物体を管の中に固定し、その周りに空気を吹き付けて、物体と移動する空気の相互作用を調べる機械です。これらは、航空機、ロケット、自動車、建物の空気力学的効果をテストするために使用されます。風洞のサイズは、直径 1 フィート未満のものから 100 フィート (30 メートル) を超えるものまでさまざまで、微風から極超音速までの速度で空気が移動します。

通常、大型ファンが風洞を通して空気を動かし、テスト対象物は静止したままにします。対象物は、シリンダーや翼などの空気力学的テスト対象物、航空機の個々の部品、車両の小型模型、または最も大きな風洞では実物大の車両です。これらのテストからさまざまな測定値を取得できます。対象物全体または個々の部品にかかる空気力学的力を測定できます。さまざまなポイントの空気圧はセンサーで測定できます。空気流に煙を吹き込むと、空気が対象物の周りをたどる経路がわかります。または、特定の部分に小さな糸を取り付けて、そのポイントでの空気の流れを示すことができます。

最も初期の風洞は、19 世紀末、航空研究の初期の頃、空気より重い飛行機を開発する取り組みの一環として発明されました。風洞は、通常の状況を逆転させました。空気が静止し、飛行機が動くのではなく、物体が静止し、その周囲の空気が動くのです。このようにして、静止した観察者は飛行物体の動きを観察し、それに作用する空気力学的な力を測定できました。

風洞の開発は飛行機の開発に伴って行われました。第二次世界大戦中に大規模な風洞が建設され、超音速飛行機が開発されると、それをテストするための超音速風洞が建設されました。冷戦中、風洞テストは飛行機やミサイルの開発において戦略的に重要であると考えられていました。

風洞では、他の問題も研究されます。建物が風の影響を大きく受けるほど高くなった場合、人工構造物に対する風の影響を研究する必要があります。非常に高い建物は風に対して大きな表面をさらすため、その結果生じる力は建物の内部構造によって抵抗されなければならず、さもなければ建物は倒壊してしまいます。このような力の測定は、建築基準法でそのような建物に必要な強度を指定する前に必要であり、これらのテストは、大型または特殊な建物に対して引き続き使用されています。

風洞試験は、1920年代初頭に、ルンプラー・トロフェンワーゲン^や後にクライスラー・エアフローなどの自動車に初めて適用されました。当初、自動車メーカーは自社の自動車のスケールモデルで試験を行っていましたが、後に実物大の自動車用風洞が建設されました。1960年代から、風洞試験は自動車にも広く採用されるようになりました。^{[2] [追加の引用が必要]}飛行機と同じように空気力学的な力を測定するためというよりは、空気抵抗を減らして自動車の燃費を向上させることが目的です。これらの研究では、道路と車両との相互作用が重要な役割を果たしており、試験結果を解釈する際にはこの相互作用を考慮に入れる必要があります。現実の世界では、車両は移動していますが、道路と空気は静止しています。風洞試験では、道路も車両の周囲を空気とともに移動させる必要があります。これは、試験車両の下の可動ベルトを使用して移動する道路をシミュレートすることで実現されており、航空機の離着陸構成の風洞試験でも非常によく似た装置が使用されています。

ゴルフクラブ、ゴルフボール、ボブスレー、自転車、レーシングカーのヘルメットなど、スポーツ用具も風洞で研究されています。ヘルメットの空気力学は、インディカーやF1などのオープンコックピットのレーシングカーでは特に重要です。ヘルメットにかかる過剰な揚力はドライバーの首にかなりの負担をかけ、ヘルメットの後ろ側で流れが分離すると乱流が発生し、高速走行時にドライバーの視界がぼやけることがあります。^[3]

高速デジタル コンピューターによる 数値流体力学(CFD) モデリングの進歩により、風洞試験の需要は減少しましたが、完全になくなったわけではありません。現実世界の多くの問題は、CFD では風洞での物理試験の必要性をなくすほど正確にモデル化できません。

風洞では空気の速度と圧力がいくつかの方法で測定されます。

試験セクションを通過する空気の速度は、ベルヌーイの定理によって決定されます。動圧、静圧、および (圧縮性流れの場合のみ) 気流の温度上昇を測定します。模型の周囲の気流の方向は、空気力学的表面に取り付けた糸の房によって決定できます。表面に接近する気流の方向は、試験模型の前後の気流に糸を取り付けることで視覚化できます。煙や液体の泡を試験模型の上流の気流に導入し、模型の周囲の経路を写真に撮ることができます (粒子画像流速測定法を参照)。

試験モデルにかかる空気力は通常、梁、弦、またはケーブルで試験モデルに接続された 梁バランスで測定されます。

試験モデル全体の圧力分布は、これまで、気流経路に沿って多数の小さな穴をあけ、多管式圧力計を使用して各穴の圧力を測定することによって測定されてきた。圧力分布は、圧力感応塗料を使用することでより簡便に測定することができ、圧力感応塗料では、局所的な圧力が高いほど、その点の塗料の蛍光が低下することで示される。圧力分布は、圧力感応圧力ベルトを使用することで簡便に測定することもできる。これは、複数の超小型圧力センサーモジュールが柔軟なストリップに統合された最近の開発である。このストリップはテープを使用して空気力学的表面に取り付けられ、表面に沿った圧力分布を示す信号を送信する。^[4]

試験モデルの圧力分布は、航跡調査を行うことによっても判定できます。航跡調査では、単一のピトー管を使用して試験モデルの下流で複数の測定値を取得するか、複数の管を備えた圧力計を下流に取り付けてそのすべての測定値を取得します。

物体の空気力学的特性は、縮尺モデルではすべて同じままというわけではありません。^[5]しかし、特定の類似性ルールを遵守することで、縮尺モデルと実物大物体の空気力学的特性の間に非常に満足のいく対応を実現できます。類似性パラメータの選択はテストの目的によって異なりますが、満たすべき最も重要な条件は通常次のとおりです。

• 幾何学的類似性: オブジェクトのすべての寸法は比例して拡大縮小される必要があります。
• マッハ数: 空気速度と音速の比率は、スケールモデルと実際の物体で同一である必要があります (風洞内と実際の物体の周囲で同一のマッハ数を持つことは、同一の空気速度を持つことと同じではありません)。
• レイノルズ数: 慣性力と粘性力の比を維持する必要があります。このパラメータは縮小モデルで満たすのが難しく、モデルの縮小スケールを補うために作動流体の粘性を大幅に変更できる加圧風洞と極低温風洞の開発につながりました。

特定のテストケースでは、例えばフルード数などの他の類似性パラメータも満たす必要があります。

イギリスの軍事技術者で数学者のベンジャミン・ロビンス（1707-1751）は、抗力を測定するための回転腕装置を発明し^[6]、航空理論における最初の実験のいくつかを行った。

ジョージ・ケイリー卿（1773-1857）も、回転腕を使って様々な翼の抗力と揚力を測定した。^[7]彼の回転腕は長さ5フィート（1.5メートル）で、最高速度は毎秒10～20フィート（3～6メートル/秒）に達した。

オットー・リリエンタールは回転アームを使い、迎え角を変えながら翼の翼型を正確に測定し、揚抗比の極線図を確立したが、誘導抗力とレイノルズ数の概念が欠けていた。^[8]

しかし、回転するアームは、垂直入射で試験形状に衝突する確実な空気の流れを生成しません。遠心力と、物体が自身の後流で動いているという事実は、空気の流れの詳細な調査が困難であることを意味します。英国航空学会の評議員であったフランシス・ハーバート・ウェンハム（1824–1908）は、1871年に最初の密閉式風洞を発明、設計、運用することでこれらの問題に取り組みました。^{[9] [10]}この画期的な進歩が達成されると、このツールの使用により詳細な技術データが急速に抽出されました。ウェンハムと彼の同僚のジョン・ブラウニングは、l/d比の測定や高アスペクト比の有益な効果の発見など、多くの基礎的発見で知られています。

コンスタンチン・ツィオルコフスキーは1897 年に遠心送風機を備えた開放型風洞を建設し、平板、円筒、球体の 抗力係数を決定しました。

デンマークの発明家、ポール・ラ・クールは、 1890 年代初頭に 風力タービンの技術を開発し改良する過程で風洞を利用しました。カール・リカード・ニーバーグは、 1897 年以降、 フルーガンの設計に風洞を使用しました。

マンチェスター大学の英国人オズボーン・レイノルズ(1842-1912)は、古典的な一連の実験で、特定の流れパラメータが両方の場合で同じであれば、縮尺模型上の気流パターンは実物大の車両でも同じになることを実証しました。現在レイノルズ数として知られるこの要素は、流れパターンの形状、熱伝達のしやすさ、乱流の発生など、すべての流体の流れの状況を説明する基本的なパラメータです。これは、現実の現象をシミュレートするために風洞で模型を使用することの中心的な科学的正当性を構成します。ただし、動的な類似性がレイノルズ数のみに基づく条件には制限があります。

ライト兄弟が1901年にライトフライヤー号を開発する際に、様々な形状に対する気流の影響を研究するために単純な風洞を使用したことは、ある意味で革命的でした。^[11]しかし、上記のことから、彼らは当時受け入れられていた技術を使用していただけであり、これはまだアメリカで一般的な技術ではありませんでした。

フランスでは、ギュスターヴ・エッフェル（1832年 - 1923年）が1909年に、彼の名前を冠した塔の麓近くのシャン・ド・マルスに、67馬力（50kW）の電気モーターで駆動する初のオープンリターン風洞を建設しました。

1909年から1912年にかけてエッフェルは風洞で約4,000回のテストを実施し、彼の体系的な実験は航空研究の新しい基準を打ち立てた。1912年にエッフェルの研究室はパリ郊外のオートゥイユに移転し、現在でも2メートルのテストセクションを備えた彼の風洞は稼働している。^[12]エッフェルは、テストセクションをチャンバー内に密閉し、ハニカムフローストレートナーを備えたフレアインレットを設計し、テストセクションとディフューザーの下流端にあるファンの間にディフューザーを追加することで、オープンリターン風洞の効率を大幅に改善した。これは後に建設された多くの風洞の配置に倣ったもので、実際、オープンリターン低速風洞はエッフェル型風洞と呼ばれることが多い。

その後、空気力学の科学と航空工学の分野が確立され、航空旅行と動力が開発されるにつれて、風洞の使用が急増しました。

アメリカ海軍は1916年にワシントン海軍工廠に当時世界最大級の風洞を建設した。入口の直径は約11フィート（3.4メートル）、出口の直径は7フィート（2.1メートル）であった。500馬力（370kW）の電動モーターがパドル型ファンブレードを駆動した。^[13]

1931年、NACAはバージニア州ハンプトンのラングレー研究センターに30×60フィート（9.1×18.3メートル）の実物大の風洞を建設した。この風洞は、4,000馬力（3,000kW）の電動モーターで駆動する2台のファンで稼働していた。このレイアウトはダブルリターンの閉ループ形式で、実物大の航空機やスケールモデルを多数収容できた。この風洞は最終的に閉鎖され、 1995年に国定歴史建造物に指定されたにもかかわらず、2010年に解体が始まった。

第二次世界大戦まで、1932年から1934年にかけて建設された世界最大の風洞は、フランスのパリ郊外シャレ・ムードンにあった。^[要出典] これは実物大の航空機をテストするために設計され、高出力の電動モーターで駆動する6つの大型ファンを備えていた。^[14]シャレ・ムードン風洞は、 1976年までONERAによってS1Chという名前で使用され、例えばカラベルやコンコルドなどの航空機の開発に使用された。現在、この風洞は国定記念物として保存されている。

ルートヴィヒ・プラントルはゲッティンゲン大学でテオドール・フォン・カルマンの恩師であり、彼らが設計していた飛行船の試験のために風洞の建設を提案した。^{[15] : 44}円筒の下流の乱流の渦列が風洞で試験された。^{[15] : 63}後にアーヘン大学に移ったとき、彼はこの施設の使用を思い出して次のように述べている。

ゲッティンゲンの風洞はツェッペリンの挙動を研究するためのツールとして始まったが、船の煙突から出る煙の方向を判定することから、特定の飛行機が飛ぶかどうかまで、他のあらゆることに有用であることが証明されたことを私は覚えていた。アーヘンでの進歩は、良い風洞がなければ事実上不可能だろうと私は感じた。^{[15] : 76}

フォン・カルマンがカリフォルニア工科大学と相談し始めたとき、彼はクラーク・ミリカンとアーサー・L・クラインと協力した。 ^{[15] : 124}彼は彼らの設計に異議を唱え、装置が「外気の変動から独立」するように還流を主張した。それは1930年に完成し、ノースロップ・アルファのテストに使用された。^{[15] : 169}

1939年、アーノルド将軍がアメリカ空軍の発展には何が必要かと尋ねたところ、フォン・カルマンは「最初のステップは適切な風洞を建設することだ」と答えた。^{[15] : 226}一方、ベルX-2の成功とより高度な研究の見通しの後、彼は「私はそのような飛行機の建造に賛成だった。なぜなら、風洞からすべての答えが得られるとは信じていなかったからだ」と書いた。^{[15] : 302–03}

1941年、米国はオハイオ州デイトンのライトフィールドに当時最大級の風洞を建設した。この風洞は直径45フィート（14メートル）から始まり、20フィート（6.1メートル）まで狭くなる。2つの40フィート（12メートル）のファンが40,000馬力の電動モーターで駆動された。大型航空機モデルは時速400マイル（640キロメートル/時）の風速でテストできた。^[16]

第二次世界大戦中、ドイツは航空学の知識を深めるため、さまざまなデザインの大型風洞を開発しました。たとえば、ペーネミュンデの風洞は、高速気流の研究を可能にする斬新な風洞設計でしたが、大規模な高速風洞の建設に関していくつかの設計上の課題がありました。しかし、掘削によってサイズを拡大し、密閉して大量の空気を蓄え、風洞に通すことができるようにした大きな自然の洞窟をうまく利用しました。戦争の終わりまでに、ドイツは少なくとも 3 つの異なる超音速風洞を所有し、そのうちの 1 つはマッハ 4.4 (加熱) の気流に対応していました。

オーストリアのエッツタール近郊に建設中だった大型風洞には、2基のファンがあり、2基のファンは5万馬力の水力タービンで直接駆動される予定だった。この設置は終戦までに完了せず、解体された装置は1946年にフランスのモダネに輸送され、そこで再建され、現在もONERAによって運用されている。試験セクションの長さは26フィート（8メートル）で、最高速度はマッハ1であり、世界最大の遷音速風洞施設である。^[17] フランク・ワッテンドルフは米国の反応としてこの風洞について報告した。^[18]

1942年6月22日、カーチス・ライト社はニューヨーク州バッファローに国内最大級の亜音速風洞の建設に資金を提供した。1942年6月22日、風洞が現在も稼働しているカルスパンの敷地に最初のコンクリートが流し込まれた。^[19]

第二次世界大戦の終わりまでに、米国は8つの新しい風洞を建設しました。その中には、カリフォルニア州サニーベール近郊のモフェットフィールドにある世界最大の風洞があり、時速250マイル（400キロメートル）未満の速度で実物大の航空機をテストするために設計されたものがありました^[20]。また、オハイオ州ライトフィールドの垂直風洞では、スピン状況でのモデルのテストや、米国で飛行した最初の原始的なヘリコプターのコンセプトとエンジニアリング設計のために風が上向きになっています^{[21] 。}

その後、音速に近い、または音速を超える気流に関する研究では、同様のアプローチが使用されました。金属製の圧力室を使用して高圧空気を蓄え、超音速流を提供するように設計されたノズルを通して加速しました。その後、観測室または計測室 (「テスト セクション」) を、希望する気流速度に合わせてスロートまたはノズルの適切な位置に配置しました。

アメリカでは、ドイツの研究施設に比べてアメリカの研究施設が遅れていることへの懸念から、1949年に統一風洞計画法が制定され、大学や軍事施設に新しい風洞を建設するための支出が認められた。ドイツの戦時中の風洞の一部は、ドイツの技術開発を活用する計画の一環として、アメリカに輸送するために解体された。^[22]

限られた用途であれば、数値流体力学(CFD) は風洞の使用を補うか、あるいは風洞の代わりに使用できます。たとえば、実験用ロケット機 SpaceShipOne は風洞を一切使用せずに設計されました。ただし、あるテストでは、翼の表面に飛行糸を取り付け、実際の飛行中に風洞タイプのテストを実行して、計算モデルを改良しました。外部の乱流が存在する場合、現在のコンピューティング リソースの制限により、CFD は実用的ではありません。たとえば、CFD を使用するには依然として複雑すぎる領域として、構造物、橋、地形上および周囲の流れの影響の判定があります。

外部乱流をシミュレートする最も効果的な方法は、境界層風洞を使用することです。

境界層風洞モデリングには、多くの用途があります。たとえば、高層ビル、工場、橋梁などへの風の影響を理解することで、建築設計者は風の影響に可能な限り効率的に耐える構造物を建設できます。境界層風洞モデリングのもう 1 つの重要な用途は、病院、研究所、その他の排出源の排気ガス拡散パターンを理解することです。境界層風洞のその他の用途としては、歩行者の快適性や雪の吹き溜まりの評価があります。風洞モデリングは、グリーン ビルディングの設計を支援する方法として認められています。たとえば、境界層風洞モデリングの使用は、米国グリーン ビルディング協会によるエネルギーと環境デザインにおけるリーダーシップ(LEED) 認証のクレジットとして使用できます。

境界層風洞での風洞試験では、地球表面の自然な抗力をシミュレートできます。精度を上げるには、大気境界層内の平均風速プロファイルと乱流効果をシミュレートすることが重要です。ほとんどのコードと規格では、特にプロジェクトが複雑な地形や露出した場所で行われる場合、風洞試験によって設計者にとって信頼できる情報が得られると認識されています。

米国では、1990年から2010年にかけて、歴史的な施設を含む多くの風洞が廃止された。残っている風洞は、利用の減少や不規則性、電気代の高さ、そして場合によっては施設が位置する不動産の価値の高さなどにより、圧力を受けている。一方、CFD検証には依然として風洞データが必要であり、これは当面の間続く可能性が高い。将来の軍事および商業用風洞のニーズを評価するための研究が行われており、他の研究も進行中であるが、結果は不透明である。^[23]最近では、ジェット推進の計器付き無人車両、または研究用ドローンの使用が増え、風洞の従来の用途の一部に取って代わっている。^[24] 2019年現在、世界最速の風洞は、ニューヨーク州バッファローにあるLENS-X風洞である。^[25]

空気は、観察用のモデルや幾何学的形状が取り付けられた観察ポートと計器を備えたダクトを通じて吹き込まれたり吸い込まれたりします。通常、空気は一連のファンを使用してトンネル内を移動します。直径が数メートルもある非常に大きな風洞の場合、1 つの大型ファンは実用的ではないため、代わりに複数のファンを並列に使用して十分な空気の流れを確保します。必要な空気の量と移動速度が非常に大きいため、ファンは電動モーターではなく固定式ターボファンエンジンで駆動される場合があります。

ファンによって作られ、トンネルに入る気流は、ファンブレードの動きにより非常に乱流になります (ファンがテストセクションに空気を吹き込むとき、下流のテストセクションから空気を吸い出すときは、ファンブレードの乱流は要因ではありません)。そのため、正確な測定には直接役立ちません。トンネルを通過する空気は、比較的乱流がなく、層流である必要があります。この問題を修正するには、テスト対象に到達する前に乱流を平滑化するために、間隔が狭い垂直および水平の空気ベーンを使用します。

粘性の影響により、風洞の断面は通常、正方形ではなく円形です。正方形のトンネルでは、角の部分で流れが狭まり、乱流が発生する可能性があるためです。円形のトンネルでは、よりスムーズな流れが得られます。

トンネルの内側の表面は通常、可能な限り滑らかに仕上げられています。これは、テストの精度に影響を与える可能性のある表面抵抗と乱流を減らすためです。滑らかな壁でも気流にいくらかの抵抗が生じるため、テスト対象物は通常、トンネルの中央付近に置かれ、対象物とトンネルの壁の間には空の緩衝帯が設けられます。風洞テストの結果を屋外のテスト結果に関連付ける補正係数があります。

照明は通常、トンネルの円形の壁に埋め込まれ、窓から光が差し込みます。従来の方法で照明をトンネルの内側の表面に取り付けると、電球の周囲に空気が吹き付けられ、乱流が発生します。同様に、観察は通常、透明な舷窓からトンネル内に入ります。これらの照明および観察窓は、単に平らな円盤であるだけでなく、トンネルの断面に合わせて湾曲し、窓の周囲の乱流をさらに低減する場合があります。

形状の周囲の実際の空気の流れを調査し、それを理論上の結果と比較するためにさまざまな手法が使用されますが、その際には動作モードの レイノルズ数とマッハ数も考慮する必要があります。

モデルに圧力タップが含まれている場合、モデルの表面全体の圧力を測定できます。これは圧力が支配的な現象に役立ちますが、物体にかかる法線方向の力のみを考慮します。

モデルを力バランスに取り付けると、迎え角の範囲にわたって揚力、抗力、横方向の力、ヨー、ロール、ピッチングモーメントを測定できます。これにより、揚力係数と迎え角の関係などの一般的な曲線を作成できます(図を参照)。

力のバランス自体が抗力と潜在的な乱流を生み出し、それがモデルに影響を与え、測定に誤差をもたらします。そのため、支持構造は通常、乱流を最小限に抑えるために滑らかな形状になっています。

空気は透明なので、空気の動きそのものを直接観察することは困難ですが、その代わりに、風洞内での試験用に、定量的および定性的な流れの可視化方法が複数開発されています。

• 煙
• 二酸化炭素注入
• タフト、ミニタフト、またはフローコーンをモデルに適用し、テスト中に取り付けたままにすることができます。タフトは、空気の流れのパターンと流れの分離を測定するために使用できます。タフトは蛍光材料で作られている場合があり、視覚化を容易にするためにブラックライトで照らされます。
• 蒸発性懸濁液は、単に、ある種の粉末、タルク、または粘土を、蒸発潜熱の低い液体に混ぜたものです。風が吹くと、液体は急速に蒸発し、空気の流れに特徴的なパターンで粘土が残ります。
• オイル: モデルの表面にオイルを塗布すると、層流から乱流への移行や流れの分離を明確に示すことができます。
• テンペラ ペイント: 油絵具と同様に、テンペラ ペイントは、最初に間隔を空けて点状に塗ることで、モデルの表面に塗ることができます。風洞を走らせた後、流れの方向と分離を識別できます。テンペラ ペイントを使用するもう 1 つの方法は、ブラックライトを使用してテンペラ ペイントで明るい流れのパターンを作成することです。
• 霧（通常は水粒子から）は超音波 圧電 噴霧器で生成されます。霧は風洞（できれば閉回路および閉試験セクションタイプ）内に運ばれます。試験セクションの前に電気加熱グリッドが挿入され、その付近の水粒子が蒸発して霧シートが形成されます。霧シートは、ライトシートで照らされると、試験モデル上で流線として機能します。
• 昇華: トンネル内の空気の動きが十分に乱流でない場合、気流に放出された粒子流は、空気が移動しても分散せず、鋭く細い線としてまとまったままになります。多数のノズルのグリッドから放出される複数の粒子流は、物体の周りの空気流の動的な 3 次元形状を提供できます。力のバランスと同様に、これらの注入パイプとノズルは、乱流が気流に導入されるのを最小限に抑える方法で形作られる必要があります。
• 昇華 (別の定義): 流れの可視化技術は、モデルを昇華可能な材料でコーティングすることです。層流の領域で風がオンになると、材料はモデルに付着したままになりますが、逆に乱流領域では材料はモデルから蒸発します。この技術は主に、遷移を強制するために先端に配置されたトリップ ドットが意図した目的を正常に達成しているかどうかを確認するために使用されます。

高速の乱気流や渦を直接見るのは難しいかもしれませんが、ストロボライトとフィルムカメラ、または高速デジタルカメラを使用すると、肉眼ではぼやけている現象を捉えることができます。

飛行機のプロペラのように、テスト対象自体が高速で移動している場合にも、高速カメラが必要です。カメラは、ブレードが粒子の流れを切り裂く様子や、動いているブレードの後縁に沿って渦がどのように生成されるかを ストップモーション画像で撮影できます。

• 圧力感応塗料 (PSP): PSP は、圧力の変化に反応して色を変える塗料をモデルにスプレー塗装する技術です。この技術と組み合わせて、風洞の壁、天井、床を通して戦略的な視野角でカメラを配置し、風が吹いている間にモデルを撮影します。撮影結果はデジタル化してモデルに作用する外部圧力の完全な分布を作成し、その後、計算ジオメトリ メッシュにマッピングして CFD 結果と直接比較できます。PSP 測定はモデル全体の圧力変化を効果的に捉えることができますが、圧力係数の絶対値を確認するために、モデルの表面に追加の圧力タップが必要になることがよくあります。適切に動作する PSP 塗料の重要な特性は、風洞内の温度が連続運転後に大幅に変化する可能性があるため、温度の影響も受けないことです。PSP を使用する際によく発生する問題には、カメラが有利な視野角を得る能力の制限により、曲率の高い領域で前縁および後縁の影響を正確に測定できないことなどがあります。さらに、PSP を先端に適用することは、有限の厚さを導入して早期の流れの分離を引き起こし、結果に悪影響を与える可能性があるため、回避されることがあります。先端での圧力変動が通常主な関心事であるため、その領域で正確な結果が得られないことは非常に問題です。モデルに感圧塗料を塗ると、特定の塗料は最初に塗布してから数か月間は付着して機能し続けることが知られています。最後に、PSP 塗料には特定の周波数特性があることが知られており、正確な結果を得るまでに安定するのに数秒かかるものもあれば、急速に収束するものもあります。後者の場合、圧力の急激な変化を反映する能力を持つ塗料は、非定常流れ特性を測定することを目的とする動的 PSP アプリケーションに使用できます。
• 粒子画像速度測定法(PIV): PIV は、トンネルの壁のスリットを通してレーザー シートを放射し、画像装置でレーザー シートの平面内の粒子の局所的な速度方向を追跡する技術です。この技術では、気流に観察可能な物質を散布することもあります。この技術により、レーザーの平面で捉えられた領域全体にわたる流れの速度と方向を定量的に測定できます。
• モデル変形測定 (MDM): MDM は、風洞モデル上の既知の幾何学的位置にマーカーを配置し、風洞内で風が加えられたときのマーカーの位置の変化を写真に撮ることで機能します。さまざまなカメラの視野角からマーカーの位置の変化を分析することで、マーカーの位置の並進変化を計算できます。いくつかのマーカーから結果を収集することで、空気負荷によってモデルが柔軟に変形する度合いを計算できます。

風洞にはさまざまな種類があります。通常、風洞はテストセクションで達成される速度の範囲によって次のように分類されます。

• 低速風洞
• 高速風洞
• 亜音速および遷音速風洞
• 超音速風洞
• 極超音速風洞
• 高エンタルピー風洞

風洞は、重力に対する試験セクション内の気流の向きによっても分類されます。通常、風洞は水平飛行のときのように水平に向いています。別の種類の風洞は、重力を揚力ではなく抗力でバランスさせることができるように垂直に向いており、スカイダイビングをシミュレートするレクリエーションとして人気があります。

• 垂直風洞

風洞は、主な用途に基づいて分類されます。自動車やトラックなどの陸上車両で使用される場合、床の空気力学のタイプも重要です。これらは、固定床から完全に動く床までさまざまですが、より小さな動く床と境界レベルの制御の試みも重要です。

航空風洞の主なサブカテゴリは次のとおりです。

レイノルズ数は、風洞内の流れのシミュレーションにおける支配的な相似性パラメータの 1 つです。マッハ数が0.3 未満の場合、流れの特性を支配する主要なパラメータです。フルスケールの車両を使用してフルスケールのレイノルズ数を取得することは現実的ではないため、高レイノルズ数をシミュレートするには主に 3 つの方法があります。^{[引用が必要]}

• 加圧トンネル: ここでは、レイノルズ数を増加させるためにテストガスが加圧されます。
• 重ガストンネル:フロンやR-134aなどの重ガスがテストガスとして使用されます。NASAラングレーの遷音速力学トンネルは、このようなトンネルの一例です。
• 極低温風洞: ここでは試験ガスが冷却され、レイノルズ数が増加します。ヨーロッパの遷音速風洞ではこの技術が使用されています。
• 高高度風洞：これらは、ほぼ真空状態でさまざまな形状の航空機に対する衝撃波の影響をテストするために設計されています。1952年にカリフォルニア大学は最初の2つの高高度風洞を建設しました。1つは地球から50〜70マイル上空の物体をテストするためのもので、もう1つは地球から80〜200マイル上空のテスト用です。^[26]

V/STOLトンネルは大きな断面積を必要とするが、速度は小さい。動力は速度の3乗で変化するため、操作に必要な動力も少なくなる。V/STOLトンネルの例として、NASAラングレー14×22フィート（4.3×6.7メートル）のトンネルがある。^[27]

航空機は失速するとスピンする傾向があります。これらのトンネルはその現象を研究するために使用されます。

自動車用風洞は 2 つのカテゴリに分類されます。

• 外部フロートンネルは、シャーシを通る外部の流れを研究するために使用されます。
• 気候風洞は、さまざまな気候条件下でのドアシステム、ブレーキシステムなどの性能を評価するために使用されます。大手自動車メーカーのほとんどは、独自の気候風洞を所有しています。

ヴニバルト・カムは自動車用の最初の本格的な風洞を建設した。^[28]

外部フロートンネルでは、路面の境界層の影響を補正するために、各車輪と車体の下の可動ベルトシステム（5本または7本のベルトシステム）や車全体の下の1本の大きなベルト、または境界層を吸い取るためのスクープや穿孔などの他の境界層制御方法など、さまざまなシステムが使用されています。^[29]

これらのトンネルは、流れによって発生する騒音とその抑制の研究に使用されます。

高エンタルピー風洞は、局所的な音速（極超音速）よりもはるかに速い速度で移動する物体の周囲の空気の流れを研究することを目的としています。「エンタルピー」は、温度による内部エネルギー、圧力と体積の積、および流速で構成されるガス流の全エネルギーです。極超音速飛行の条件を再現するには、大量の高圧の加熱空気が必要です。使用される2つの技術は、加圧された大きな高温貯蔵庫と電気アークです。^[30]

風洞の空気力学的原理は船舶にも同様に作用しますが、水の粘性が高くなるため、テスト対象物にかかる力が大きくなります。水中の水力学的テストには、通常、ループ状の水路が使用されます。2 種類の異なる流体の相互作用により、純粋な風洞テストは部分的にしか意味を持ちません。ただし、同様の研究が牽引タンクで行われています。

空気は、気流の速度と翼の動きにより、小規模な空気力学原理を研究するための最良の試験媒体とは限らない。ミバエの羽がどのように揚力を生み出すかを理解するために設計された研究では、羽ばたきを遅くし、昆虫の羽によって生成される渦をより簡単かつ見やすく理解できるように、鉱油の大きなタンクと実際のサイズの100倍の大きさの羽が使用されました。^[31]

また、特定の圧力におけるファンの空気の動きを正確に測定するために風洞試験も実施しています。測定時の環境状況を判断し、その後に気密性を修正することで、データの標準化が保証されます。

測定には 2 つの方法があります。ファン全体、または油圧設備のインペラです。2 つの測定チューブにより、低気流 (< 30,000 m ³ /h) と高気流 (< 60,000 m ^{3 /h) の測定が可能です。}ファンの Q/h 曲線の決定は、主な目的の 1 つです。この曲線を決定するために (および他のパラメーターを定義するために)、空気の技術的、機械的、および電気技術的データが測定されます。

航空技術:

• 静圧差（Pa）
• 移動空気量（m ³ /h）
• 平均空気速度（m/s）
• 比効率（W/1000 m ³ /h）
• 効率

電気技術:

• 緊張（V）
• 電流（A）
• コサインφ
• 許容電力（W）ファン/インペラ
• 毎分回転数（RPM）

測定はファン上で、またはファンが使用されるアプリケーション内で行うことができます。

風工学では、風洞試験は構造物の周りの速度や構造物にかかる力や圧力を測定するために使用されます。^[32]非常に高い建物、珍しいまたは複雑な形状の建物（放物線や双曲面の高層ビルなど）、ケーブル吊り橋または斜張橋は、特殊な大気境界層風洞で分析されます。これらは、構造物に作用する風速と乱流プロファイルを正確に表すために長い風上セクションを備えています。風洞試験は、高層ビルの動的解析と制御に使用するために必要な設計圧力測定を提供します。

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• タコマ・ナローズ橋（1950年）、風洞で試験された最初の吊り橋
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• ジュエル B. バーロウ、ウィリアム H. レイ ジュニア、アラン ポープ:低速風洞試験(第 3 版) ISBN 978-0-471-55774-6 

ウィキメディア・コモンズには、風洞に関連するメディアがあります。

• ティエリー・デュボア (2017 年 5 月 11 日)。「デジタル時代において風洞には将来性があると欧州人は言う」。Aviation Week & Space Technology。最新の計測技術のおかげで、風洞は依然として不可欠なものとなっています。

• 鉄道、航空、自動車、技術構造の試験のための気候風洞センター、レールテックアーセナル