汽車風(fēng)洞試驗

汽車氣動-聲學(xué)風(fēng)洞試驗號稱是汽車試驗中最高大上的一項試驗，每小時2.5萬元的試驗費用，也讓汽車風(fēng)洞吹出的風(fēng)成為了最昂貴的風(fēng)。本期“汽車風(fēng)洞技術(shù)”科普系列，就來為你講下空氣動力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞中可開展的主要試驗。

汽車風(fēng)洞是在按照一定要求設(shè)計的管道系統(tǒng)內(nèi)，使用動力裝置驅(qū)動一股可控制的氣流，根據(jù)運動的相對性和相似性原理進行空氣動力學(xué)試驗的設(shè)備。

在氣動-聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)開展氣動力測量、聲學(xué)測量、流場信息測量和表面壓力測量等汽車空氣動力學(xué)試驗。
 

一、氣動六分力測量試驗

氣動六分力測量是在風(fēng)洞中使用氣動力天平測定汽車在某一風(fēng)速下氣動力變化的試驗。一般在試驗中會將氣動力和氣動力矩轉(zhuǎn)化成氣動力系數(shù)和氣動力矩系數(shù)，以對汽車的空氣動力學(xué)特性進行定量的評價。
 

奔馳汽車風(fēng)洞氣動力測量試驗
 

在氣動力測量中，氣動阻力系數(shù)、氣動升力系數(shù)（包括前后軸升力系數(shù)）的測量是較為重要的測試項目。它們對汽車的燃油經(jīng)濟性和汽車的高速行駛穩(wěn)定性有較大影響。
 

在進行氣動力測量時，一般還需要根據(jù)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)尺寸和模型安裝情況等進行試驗結(jié)果修正。如對風(fēng)洞阻塞比修正、噴口干擾修正、軸向靜壓梯度修正、支架干擾修正、地面邊界層修正等，以盡量獲得精確的試驗結(jié)果。

在氣動六分力測量試驗中，主要的測量設(shè)備包含了測力天平、轉(zhuǎn)臺、移動帶系統(tǒng)、邊界層抽吸系統(tǒng)等。在現(xiàn)代汽車風(fēng)洞中，這些測量設(shè)備一般都會集成在轉(zhuǎn)臺中。

FKFS汽車風(fēng)洞天平何移動帶設(shè)備

在風(fēng)洞中還可通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)、側(cè)風(fēng)發(fā)生器等方法開展汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的試驗，研究汽車在側(cè)風(fēng)工況下的行駛穩(wěn)定性。

FKFS汽車風(fēng)洞中的Swing側(cè)風(fēng)發(fā)生器
 

二、聲學(xué)測量試驗
 

汽車風(fēng)噪性能的開發(fā)已經(jīng)成為了繼風(fēng)阻之后車企又一重點關(guān)注的開發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)噪性能成為了影響汽車駕乘體驗的重要因素。
 

在氣動-聲學(xué)風(fēng)洞中，主要使用人工頭聲學(xué)測量設(shè)備和麥克風(fēng)陣列測量汽車的聲學(xué)特性。以對車外氣動噪聲以及車外附件對車內(nèi)噪聲的影響進行測量分析。

人工頭聲學(xué)測量設(shè)備
 

奔馳使用麥克風(fēng)陣列測量車內(nèi)噪聲
 

保時捷風(fēng)洞框架式麥克風(fēng)陣列

保時捷風(fēng)洞麥克風(fēng)陣列聲學(xué)測量結(jié)果

三、流場信息測量試驗
 

流場信息測量試驗可分為定性的流場顯示試驗和定量的流場氣流參數(shù)測量試驗。
 

1、流場顯示測量試驗
 

流場顯示測量試驗用于觀察車輛周圍和表面的空氣流動。主要有四種方法：絲帶法、油膜法、煙流法和粒子圖像測速法（PIV）。
 

a、絲帶法 
 

絲帶法是用于觀察汽車表面流動的常用方法。通過觀察粘貼在車身表面上的絲帶的運動狀況來確定車身表面的流譜。

通常選用輕柔的綢帶和細小的絲線。絲帶的長度和間距根據(jù)模型部位和流場的復(fù)雜情況等確定，在流場較復(fù)雜的部位，如前側(cè)窗附近，采用較短的絲線，間距也較小些。反之，在一些結(jié)構(gòu)變化較小、流動較簡單的表面上布置的絲帶較長，間距也較大。

絲帶法也可用于顯示空間流譜。把絲帶粘在模型周圍用細金屬絲織成的空間框架上，可以清晰地看見模型周圍的氣流狀態(tài)，尤其是模型尾流區(qū)的氣流流動情況。

b、油膜法
 

油膜法是將混有一定顏色的不易揮發(fā)、粘度較大的油液均勻地噴涂在汽車表面。根據(jù)油膜上的風(fēng)紋可看出氣流的方向和流速大小。

使用油膜法可使表面流譜圖像一目了然，并可在風(fēng)洞停止吹風(fēng)后一段時間內(nèi)保持其表面流譜。但是油易流淌，模型及風(fēng)洞容易被污染。

保時捷911模型在進行油膜試驗
 

c、煙流法 
 

煙流法是使用煙流發(fā)生器，并由梳狀管排出煙絲，觀察汽車周圍流場和細節(jié)流動狀態(tài)的試驗。煙流試驗風(fēng)速通常選擇在10～20m/s之間。

奔馳IAA概念車在進行流場顯示試驗
 

觀察尾部細節(jié)氣流形態(tài)
 

在風(fēng)洞流態(tài)顯示試驗中，煙流法是采用較多的試驗方法，可方便快速的觀察車身分離流、尾部渦流等細節(jié)部位的流場信息。
 

d、粒子圖像測速法 
 

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry）技術(shù)是一種基于流場圖像互相關(guān)分析的流場測量新技術(shù)，具有全場性、瞬時性、定量性、無干擾等優(yōu)點，適于研究渦流、湍流等復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)。

PIV試驗獲得的尾流場速度信息
 

PIV試驗現(xiàn)場圖
 

粒子圖像測速的基本原理是：在流場中散播示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射所測流場區(qū)域，在某一時間內(nèi)，通過連續(xù)兩次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在CCD相機上，攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列，并記錄相鄰兩幀圖像序列之間的時間間隔，進行圖像相關(guān)分析，識別示蹤粒子圖像的位移，根據(jù)速度的定義，就可以得到流體的運動速度。

PIV測量原理示意圖
 

2、流場氣流參數(shù)測量試驗
 

流場氣流參數(shù)測量包括氣流速度測量、氣流方向測量、氣流壓力測量、氣流湍流度測量等。
 

通常使用風(fēng)速儀、熱線風(fēng)速儀、激光測速儀等設(shè)備進行速度測量；使用五孔探頭測量氣流俯仰和偏航方向。

五孔探頭
 

在風(fēng)洞中一般需要對汽車周圍的邊界層厚度進行測量，以便調(diào)整抽吸系統(tǒng)的抽吸率等參數(shù)。在測量時一般采用邊界層耙進行，它是將多個風(fēng)速儀，沿縱向固定在一塊翼型板上。

測量邊界層厚度的邊界層耙
 

四、表面壓力測量試驗
 

汽車車身表面壓力分布與汽車外形有著非常密切的聯(lián)系，通過表面壓力測量可以分析判斷氣動阻力、氣動升力過大的根源，確定車身各部位所承受的載荷，進出風(fēng)口的最佳位置，以及檢查局部造型的合理性。
 

汽車表面壓強分布測量按測量方式分一般有表面壓力傳感器測量和非接觸式測量兩種。
 

1、接觸式表面壓力測量 
 

接觸式表面壓力測量一般采用皮托管或膜片式壓力傳感器進行。
 

使用皮托管測壓時，需要沿模型表面法向開孔，以便將測壓管埋入孔內(nèi)。為了不影響試驗數(shù)據(jù)，一般應(yīng)盡量使孔徑小，并使用砂紙打磨來保證測壓孔表面光滑，避免孔周圍的毛刺帶來測量誤差。

皮托管測壓布置示意圖
 

一般在壓強變化劇烈的地方應(yīng)將測壓孔布置得適當密一些，壓強變化平緩處則適當?shù)南∫恍?。各測壓孔所感受的壓強通過測壓管、傳導(dǎo)管與壓強測量儀器相連接，以獲得車身表面壓力分布。
 

對于表面不能鉆孔的整車測壓，目前大多采用片式壓力傳感器，這樣就不需要在汽車表面打孔且方便試驗數(shù)據(jù)采集處理。但是片式傳感器的存在會對汽車周圍的流場造成一定的干擾。

片式壓力傳感器
 

2、非接觸表面壓力測量 
 

非接觸表面壓力測量包括激光測壓裝置、壓敏漆測壓等。
 

其中壓敏漆測壓是利用氧分子的猝滅效應(yīng)測量物體表面壓力變化的。采用壓敏漆測壓，可快速的獲得整個車身表面的壓力情況，克服了布置測點困難的問題；缺點是壓敏漆會對風(fēng)洞帶來污染，并且其測量準確性還有待提高。

在氣動-聲學(xué)風(fēng)洞試驗中，對測量設(shè)備和測量位置的精確定位是非常重要的，這就需要用到移動測量系統(tǒng)。
 

目前國內(nèi)還沒有專業(yè)的汽車風(fēng)洞移動測量系統(tǒng)，建設(shè)中的重慶中國汽研氣動-聲學(xué)風(fēng)洞安裝有與奔馳汽車類似的移動測量系統(tǒng)，將在氣動-聲學(xué)測量試驗中發(fā)揮重要的作用。

奔馳汽車風(fēng)洞移動測量系統(tǒng)（圖中紅圈處）
 

CAER 視點
 

目前在節(jié)能減排的大背景下，國外先進汽車公司如奔馳、豐田都投入了巨資建設(shè)了全新的氣動-聲學(xué)風(fēng)洞?？梢钥隙鈩?聲學(xué)風(fēng)洞作為開展汽車空氣動力學(xué)研究的重要試驗平臺，其開展的測力、聲學(xué)、測壓、流場顯示等試驗，在汽車低阻低噪車型的開發(fā)過程中，將發(fā)揮更重要的作用。