小型車1：5模擬風(fēng)洞實驗室設(shè)計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 摘 要 本設(shè)計是在市場的需求下，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的汽車風(fēng)洞進行調(diào)研和分析，設(shè)計一座具有低湍流、可變湍流度、低噪聲等特色的小型車 1： 5 風(fēng)洞實驗室。在風(fēng)洞的設(shè)計過程中，對其主要部件進行了詳細的計算。風(fēng)洞建成后，結(jié)合實驗室內(nèi)先進的測量手段，除了能滿足模型的測壓、測速、流態(tài)觀測等教學(xué)外，還可以利用該風(fēng)洞進行從事橋梁、環(huán)境污染等工業(yè)空氣動力學(xué)研究工作。 進行汽車研究，汽車風(fēng)洞是必不可少的試驗設(shè)備。汽車風(fēng)洞建設(shè)對汽車空氣動力學(xué)發(fā)展意義重大，沒有汽車風(fēng)洞，也不能很好推動整個國家的汽車工業(yè)向前發(fā)展。而汽車風(fēng)洞的主 要任務(wù)是正確模擬氣流流經(jīng)汽車車體表面的流態(tài)以獲得準確的實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)的精確與否決定了汽車氣動外形設(shè)計的成敗。因此，汽車風(fēng)洞實驗?zāi)艽龠M汽車空氣動力學(xué)研究，進行汽車空氣動力學(xué)研究將能夠給我國帶來巨大的燃油節(jié)省，具有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益。 關(guān)鍵詞： 1： 5；小型車；風(fēng)洞；低湍流；實驗 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 ABSTRACT This design is in the demand of the market , Through the domestic and internationa l existing automobile wind tunnel research and analysis , Design with a low turbulence, variable turbulence intensity, low noise characteristic of small cars 1:5 wind tunnel laboratory . The design process in wind tunnel , Its main parts made detailed calculation. Wind tunnel after the completion of the , Combining the indoor advanced measuring method , Besides can satisfy model of speed, measure pressure, flow pattern observation on teaching outside , Still can use on the wind tunnel in Bridges, environmental pollution and other industrial air dynamics research work。 For vehicle research， Car wind tunnel is an indispensable test equipment。 Car of automotive aerodynamics wind tunnel construction development is of great significance，No cars wind tunnel， Also cant very well put the national automobile industry of forward development。 And car wind tunnel is the main task of the air flowing through the body right simulation of the surface flow pattern to get accurate experimental data， Experimental data accurate or not decided the aerodynamic shape design of success or failure。 So， Car in wind tunnel experiments can promote the air dynamics research ， For automotive aerodynamics research will be able to give our country to bring the huge fuel savings， Has the very big economic benefit and social benefit。 Key words： 1： 5； Small car； Wind tunnel； Low turbulent； Experiment 黑龍江工程學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 概述 . 1 1.1 研究目的及意義 . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1 1.3 本課題設(shè)計研究內(nèi)容、研究技術(shù)路線 . 2 第 2 章 汽車風(fēng)洞設(shè)計研究基礎(chǔ) . 4 2.1 汽車風(fēng)洞實驗的目的 . 4 2.2 汽車風(fēng)洞功能類型及設(shè)備 . 4 2.3 汽車風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ?. 7 2.4 汽車風(fēng)洞實驗的準則與規(guī)范 . 8 2.5 本課題采用的模型尺寸 . 10 2.6 本章小結(jié) . 11 第 3 章 1： 5 小型 汽車風(fēng)洞設(shè)計 . 12 3.1 風(fēng)洞的類型結(jié)構(gòu)確定 . 12 3.2 風(fēng)洞試驗段幾何參數(shù)的確定 . 13 3.3 擴壓段 . 15 3.4 拐角及其拐角導(dǎo)流片 . 17 3.5 迴流段 . 18 3.6 穩(wěn)定段及整流裝置 . 19 3.7 收縮段 . 20 3.8 風(fēng)洞能量比、電機功率及風(fēng)扇的確定 . 20 3.9 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計校核 . 25 3.10 本章小結(jié) . 26 第 4 章 計算機仿真風(fēng)洞模型建立 . 27 4.1 概述 . 27 4.2 各部件建模 . 27 4.3 模型總裝圖 . 38 4.4 本章小結(jié) . 39 第 5 章 結(jié) 論 . 40 參考文獻 . 41 致 謝 . 43 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 買文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 1 第 1 章 概 述 1.1 研究目的及意義 汽車作為人類交通工具，它的出現(xiàn)和發(fā)展給 人類社會帶來了無可估量的經(jīng)濟效益和社會效益。伴隨著汽車日益走向成熟，汽車產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展也日臻完善，并不斷推陳出新，而這一切都與汽車的實驗研究密不可分。 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，中國汽車工業(yè)走自主研發(fā)設(shè)計之路，迫切需要建立起自己的汽車風(fēng)洞實驗室，掌握和發(fā)展自己的汽車風(fēng)洞實驗技術(shù)。這樣既可以節(jié)約開發(fā)成本，又可以快速完成風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展和積累。同時也可以促進我國汽車空氣動力學(xué)的研究。為人類、為社會、為中國汽車工業(yè)自主研發(fā)設(shè)計作貢獻 在當(dāng)前形勢下，國家提出了“節(jié)能減排”的政策，號召大力開展推動提高能 源利用效率的科技創(chuàng)新。對于交通工具來說，改善汽車等交通工具的空氣動力學(xué)特性，將是降低汽車燃油消耗，節(jié)省能源的重要方式。進行汽車研究，汽車風(fēng)洞是必不可少的試驗設(shè)備。汽車風(fēng)洞建設(shè)對汽車空氣動力學(xué)發(fā)展意義重大，沒有汽車風(fēng)洞，既不可能很好地設(shè)計出最優(yōu)的汽車，也不能很好推動整個國家的汽車工業(yè)向前發(fā)展 因此，此次研究就是為了設(shè)計模擬汽車風(fēng)洞實驗室設(shè)計，以最少的費用，最優(yōu)化的方法對汽車風(fēng)洞實驗室設(shè)計。這主要從兩方面考慮：一是經(jīng)濟角度出發(fā)；二是社會角度出發(fā)。首先從經(jīng)濟角度出發(fā)：達到節(jié)約成本，用最簡單的方法去做最復(fù)雜的實驗。降低了昂貴的費用。為企業(yè)創(chuàng)造了更好地經(jīng)濟效益。同時也促進了老百姓的買車能力。為整個社會經(jīng)濟騰飛作貢獻。其次從社會角度出發(fā)：為了滿足行業(yè)的需要、為了汽車工業(yè)的發(fā)展、為了科學(xué)研究技術(shù)作貢獻。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1、 國外研究 國外，汽車風(fēng)洞建設(shè)較早。 1939 年，德國的斯圖加特大學(xué)建立了第一座全尺寸汽車空氣動力學(xué)試驗的風(fēng)洞。它的最高速度高達 270km/h，可以進行高速賽車空氣動力學(xué)的研究。隨后，不少汽車企業(yè)和研究機構(gòu)陸續(xù)開始建設(shè)汽車風(fēng)洞。近年來，不斷有新的專業(yè)汽車風(fēng)洞落成，如 Audi 汽車公司風(fēng)洞。 汽 車風(fēng)洞建設(shè)初期，大量借鑒了航空空氣動力學(xué)的研究經(jīng)驗和理論。航空空氣動力學(xué)試驗規(guī)定風(fēng)洞試驗的阻塞比（ Blockage ratio）： =A/AN。其中， A 是試驗?zāi)Ｐ偷恼队懊娣e， AN 是風(fēng)洞的噴口截面面積。雖然航空風(fēng)洞規(guī)定風(fēng)洞試驗時 , 要小于 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 2 0.05，但是現(xiàn)在的汽車風(fēng)洞阻塞比已經(jīng)越來越大，甚至有阻塞比達到 0.2 左右的汽車風(fēng)洞。 為了使汽車風(fēng)洞試驗結(jié)果更加精確，國外陸續(xù)有專業(yè)的汽車風(fēng)洞裝備地面效應(yīng)模擬設(shè)備?，F(xiàn)在幾乎所有的汽車風(fēng)洞都引入地面效應(yīng)模擬設(shè)備，特別是移動帶地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)。 汽車風(fēng)洞的建設(shè)，帶 來了汽車風(fēng)洞試驗技術(shù)的變革和創(chuàng)新。為了適應(yīng)汽車氣動噪聲的研究，大量的汽車風(fēng)洞經(jīng)過改進以便能進行氣動噪聲試驗，部分新建的汽車風(fēng)洞直接就定位建設(shè)低噪聲的汽車風(fēng)洞。 近年來，隨著汽車風(fēng)洞試驗技術(shù)的提高，汽車風(fēng)洞的試驗設(shè)備也不斷提高。這標志世界汽車研究又進入一個嶄新的階段。 2、國內(nèi)研究 目前，我國汽車風(fēng)洞建設(shè)較晚。 2002 年，吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞開工建設(shè)。 2005 年，同濟大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心開工建設(shè)?，F(xiàn)在，兩座風(fēng)洞的建設(shè)完成，標志著中國汽車研究進入一個新的階段。 在國內(nèi)，雖然建設(shè)了國內(nèi)專業(yè)的汽車風(fēng)洞，但是在汽 車風(fēng)洞實驗技術(shù)上還存在很多不足，國內(nèi)還不能提供準確可靠的實驗方法，制約了汽車技術(shù)的提升，不利于我國汽車工業(yè)的發(fā)展。為了我國汽車工業(yè)更好地發(fā)展，就必須對國內(nèi)的汽車風(fēng)洞實驗設(shè)備進行充分掌握，改進試驗設(shè)備，完善試驗技術(shù)，提高試驗精度。 1.3 本課題設(shè)計研究內(nèi)容、研究技術(shù)路線 1、本課題設(shè)計研究內(nèi)容： 1）進行 1:5 小型車模擬風(fēng)洞實驗室平面布局設(shè)計； 2）進行風(fēng)機選擇和校核，前后穩(wěn)速倉柵設(shè)計，測試倉設(shè)計，測試臺設(shè)計，環(huán)狀風(fēng)道設(shè)計， P 型引風(fēng)口設(shè)計，臺架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計； 3）根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)進行校核； 4）繪制設(shè)計系統(tǒng)總 圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。 2、研究技術(shù)路數(shù)： 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 3 N 各環(huán)節(jié)技術(shù)的校核 Y 總體校核 N Y 圖 1.1 技術(shù)路線圖 調(diào)查研究、收集資料 總體布局設(shè)計 各環(huán)節(jié)布局、設(shè)計 總體修訂 研究成果 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 4 第 2 章 汽車風(fēng)洞設(shè)計研究基礎(chǔ) 2.1 汽車風(fēng)洞實驗的目的 汽車風(fēng)洞實驗的目的在于得到準確的反映汽車行駛狀態(tài)下的空氣動力特性數(shù)據(jù)。汽車風(fēng)洞實驗研究下述幾方面問題： （ 1）研究汽車空氣動力特性，包括汽車的氣動阻力特性和操縱穩(wěn)定性等，即通過風(fēng)洞實驗研究汽車的流場作用在汽車上的力和力矩。 （ 2）通過汽 車表面的壓力分布與流場性能的分析，研究汽車各部件的流場。如雨水的流動路徑、污垢附著的作用原理、風(fēng)噪聲、擋風(fēng)玻璃上的作用力等。 （ 3）發(fā)動機冷卻氣流的進氣和排氣特性。 （ 4）駕駛室內(nèi)的通風(fēng)、取暖及噪聲等特性。 2.2 汽車風(fēng)洞實驗的類型及設(shè)備 2.2.1 汽車實驗風(fēng)洞 汽車風(fēng)洞是進行汽車空氣動力學(xué)實驗的主要設(shè)備，它實際是一個按照一定要求建造的管道，并利用動力裝置等設(shè)備在管道中產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的氣流，使風(fēng)洞試驗段能模擬或基本模擬大氣流場的狀態(tài)，以供汽車進行空氣動力學(xué)實驗的研究。 目前世界上的汽車實驗風(fēng)洞很多，按照試 驗段氣流循環(huán)形式來分，可以分為回流風(fēng)洞和直流風(fēng)洞兩種。圖 2.1 為回流型風(fēng)洞，回流型風(fēng)洞的特點是通過試驗段的氣流能經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)在返回到試驗段，能回收氣流的能量，電機的功率小，并且能保持恒定的空氣溫度和濕度，缺點是構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)備大，成本高。 (A) 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 5 （ B） （ C） (D) 圖 2.1 回流型風(fēng)洞 圖 2.2 為直流型 風(fēng)洞。其特點是把通過試驗段的氣流排除在風(fēng)洞外部。該風(fēng)洞設(shè)備簡單，成本低，缺點電機功率大，空氣溫度難以恒定，流場品質(zhì)易受外界的干擾。直流型風(fēng)洞又分為吸入式和吹出式，前者的風(fēng)機在試驗段下游的風(fēng)洞中，后者的風(fēng)機設(shè)置在試驗段上游的風(fēng)洞中。 （ A） （ B） 圖 2.2 直流型風(fēng)洞 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 6 按照試驗段的類型分為開式風(fēng)洞、閉式風(fēng)洞及半開式風(fēng)洞三種。圖 2.3 所示。 （ A） （ B） （ C） 圖 2.3 風(fēng)洞試驗段形式 A）開式 B)閉式 C)半開式 按照試驗段尺寸分類，可分為試驗段尺寸幾十毫米的微型低速風(fēng)洞，試驗段尺寸為 1 1.5m 的小型低速風(fēng)洞，試驗段尺寸為 2 4m的中型低速風(fēng)洞，試驗段尺寸 8m以上的大型低速風(fēng)洞。 2.2.2 汽車風(fēng)洞測量設(shè)備 （ 1）氣動力天平 氣動力天平是汽車風(fēng)洞實驗時用來測量模型或汽車的空氣動力和力矩的測試儀器。 （ 2）氣動力天平的選擇原則 1）根據(jù)需要測量的模型或?qū)嵻嚉鈩恿?和力矩數(shù)目選擇相應(yīng)的氣動力天平。 2）根據(jù)需要測量的模型或?qū)嵻嚉鈩恿土氐拇笮∵x擇相應(yīng)測量的范圍和量程的氣動力天平。 3）要有良好的線性關(guān)系，即氣動力或力矩的讀數(shù)隨外載荷的變化關(guān)系接近或呈線性關(guān)系。 4）選擇受外界干擾小的氣動力天平。 5）選用靈敏度高、強度和剛度的天平。 6）選擇精度、準確度較高的氣動力天平。 （ 3）氣流參數(shù)測量儀器 1）壓強測量儀器 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 7 壓強測量儀器主要是壓強計、測壓傳感器及壓強傳導(dǎo)裝置。常用的壓強計是液壓柱式壓強計，有 U 型管壓強計、單管壓強計、斜管微壓計及多 管壓強計等。這些壓強計大多數(shù)是以已知的參考壓強作為比較對象進行測量的，參考壓強多為大氣壓強。 目前較多的測壓傳感器有應(yīng)變式、壓阻式、電容式、電感式及壓電式等。壓強傳遞裝置主要由壓強傳遞導(dǎo)管和壓強掃描閥組成。 2）壓強測量 車身表面靜壓測量 通常在模型表面上沿其法向開小孔，以測量局部靜壓強。測壓小孔直徑 d 應(yīng)在 0.5 2mm 范圍內(nèi)， h/d 2，測壓孔軸線應(yīng)盡量垂直壁面，孔內(nèi)壁光滑，孔口無毛刺，表面五凹坑或凸起。 氣流靜壓測量 在氣流場中某一點處放置一靜壓管，就可以測出該點的靜壓強 。實驗前，必須對靜壓管都進行校準。 氣流總壓測量 在流場中某一點處放置總壓強管，就可以測出氣流在該點處的總壓強。 （ 4）溫度測量儀器 由于雷諾數(shù)隨溫度變化的幅度很大，所以每次實驗都要測量并記錄風(fēng)洞的溫度。測量溫度時通常使用大氣溫度計，把它放置在沒有氣流擾動的位置，就能準確地測量。 （ 5）氣流速度測量 測量氣流速度用風(fēng)速管。它是由總壓強管和靜壓強管組合在一起而構(gòu)成的總靜壓強管。 （ 6）氣流方向測量 采用五孔探頭和恒溫式熱線風(fēng)速儀測量試驗段的氣流方向。 （ 7）數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng) 進行風(fēng)洞試驗時，使用低電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它由信號調(diào)節(jié)器、多路開關(guān)、低電平放大器、采樣 保持器、數(shù) -模（ A/D）轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)記錄裝置及微型計算機等組成。 2.3 汽車風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ?2.3.1 模型尺寸 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ透鶕?jù)選用的風(fēng)洞試驗段尺寸采用 3： 8、 1： 5、 1： 4、 1： 10、 1： 1等比例尺寸。 2.3.2 模型的外形和結(jié)構(gòu) (1) 外形模型 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 8 為了保證模型試驗的流場與汽車行駛的流場相近，必須保證模型與實車幾何相似。根據(jù)模型尺寸與實車尺寸之間的比例關(guān)系，能夠把模型外部尺寸確定下來。對于進氣口，駕駛室內(nèi)流及附面層 等還不能用簡單的幾何相似來模擬，而應(yīng)采用特殊的模擬方法進行模擬。 1）進氣口與駕駛室內(nèi)流的模擬 汽車行駛時，氣流的一部分從前窗底部進入駕駛室，從出口排除，其余氣流都均勻地從外表面繞過，通常不發(fā)生氣流分離。進行風(fēng)洞實驗時，一般不模擬內(nèi)流，把進、出氣口都堵死，僅模擬外部流。如果簡單地把進、出氣口堵死，實驗時氣流將在進、出氣口處產(chǎn)生分離。為此，在進氣口前邊加裝一個流線型旋轉(zhuǎn)體，既消除了氣流分離，又使兩個繞流流譜相似。 （ 2）模型結(jié)構(gòu) 模型的結(jié)構(gòu)與汽車結(jié)構(gòu)差異較大，一方面模型結(jié)構(gòu)要盡量簡單，另一方面模型除 了用于測定整車的空氣動力特性外，還用于測定各總成、部件對空氣動力特性的影響，因此，模型最好采用可拆卸式的組合結(jié)構(gòu)。模型的結(jié)構(gòu)特點是：其拐角部位、前部和后部以及處于分離區(qū)附近的車燈、后視鏡、空氣進口、空氣出口、空調(diào)裝置、發(fā)動機罩和車門縫部位等細部的造型都應(yīng)特別注意，模型應(yīng)模擬車底細部，車底部后橋、傳動系、排氣管等的凸凹應(yīng)能再現(xiàn)，車輪模擬可轉(zhuǎn)動的狀態(tài)。 此外，要求組合模型的各部分能方便而準確的安裝。為此，要求模型安裝系統(tǒng)必須具有足夠的剛度，確保偏轉(zhuǎn)力不能引起測量誤差；必須在地板上按精確比例裝配模型，使模型呈 現(xiàn)原型的姿勢；安裝時，模型與地板以及支架與地板都不能發(fā)生干涉；模型連接在氣動力天平上時，不得產(chǎn)生太大的氣流干擾。 2.3.3 模型的材料與加工 風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ痛蠖嗖捎煤颂夷?、楠木及紅松等優(yōu)質(zhì)木材制造，對于小而薄的結(jié)構(gòu)，也可以采用鋁等金屬制造。在風(fēng)洞實驗時，由于模型上承受的載荷較小，優(yōu)質(zhì)木材能滿足強度要求，并且木材易于加工，便于局部修改，所以優(yōu)質(zhì)木材是較理想的制造模型材料。但是木材也存在缺點，易變形，因此加工前應(yīng)對木材進行干燥處理，并且最好把木條加工成方條，用粘接劑把方條粘接在一起，作為毛胚。 2.4 汽 車風(fēng)洞實驗的準則與規(guī)范 2.4.1 汽車風(fēng)洞實驗概述 汽車風(fēng)洞實驗是將汽車或者汽車模型安置在汽車風(fēng)洞中，開啟風(fēng)洞產(chǎn)生固定速度的風(fēng)，采集固定風(fēng)速下汽車受到的氣動六分力數(shù)據(jù)，進過數(shù)據(jù)處理得到六分力系數(shù)；也可以采集汽車車身表面氣動力等數(shù)據(jù)，獲得車身表面壓力分布；或者借助某些流動顯示和測量手段，對汽車周圍流動進行顯示和測量。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 9 汽車風(fēng)洞實驗，有定量實驗和定性實驗。定量實驗和定性實驗相結(jié)合，是汽車空氣動力學(xué)研究的有效方法。定量實驗是指天平測力實驗和壓力分布實驗等，可以直接測定作用在車身上的氣動力、力矩和壓力值。 定性實驗是指流態(tài)顯示實驗，如煙流法、絲帶法、油膜法、激光流態(tài)顯示法等。通過流態(tài)顯示實驗?zāi)苤苯佑^察流場，對流場進行定性分析，再結(jié)合六分力測量和壓力分布測量等定量實驗結(jié)果，就能夠了解流場的流動機理，如渦流、分離現(xiàn)象等。判斷流場的氣動特性。 2.4.2 汽車風(fēng)洞實驗準則 （ 1） 實驗風(fēng)洞應(yīng)產(chǎn)生足夠的均勻流場，其中包括均勻的風(fēng)速分布和流向分布、低紊流度以及模擬路面的薄的邊界層厚度。 （ 2） 實驗?zāi)Ｐ团c實際汽車幾何形狀相似，模型既要保證幾何尺寸的精度，又要具有一定的剛度。模型按幾何比例縮小，并具有足夠精確的細部模擬， 以保證各個重要的局部流場的真實模擬。 （ 3） 雷諾數(shù)模擬。雷諾數(shù)主要影響模型表面的附面層狀態(tài)，即影響附面層的層流、紊流、轉(zhuǎn)捩點的位置以及分離點的位置，從而影響模型的最小氣動阻力系數(shù) Cdmin及最大升力系數(shù) Clmax，因此要求實驗時的雷諾數(shù)盡量接近實車行駛時的雷諾數(shù)。 雷諾數(shù)是表征流體粘性對其氣動影響特征的無量綱參數(shù)，它代表流體所受慣性力與粘性力之比，其數(shù)學(xué)表達式為： UpVLRe /(2.1) 式中 p 流體密度； U 流體粘性； L 物體特征長度； V 速度； 由于風(fēng)洞中的工作介質(zhì)是空氣，其溫度與大氣相差不大，因此空氣密度 p、粘性 u 與大氣也相差不多。由式 (2.1)可知，要使實驗時的雷諾數(shù)與實車行駛時相等，應(yīng)使 v、 L 相等，即 模型的尺寸比實車縮小多少倍，應(yīng)使實驗風(fēng)速增大增大多少倍。但是，由于風(fēng)速的提高受到壓縮性的限制，這就限制了雷諾數(shù)的提高。又由于風(fēng)速的提高，氣流的能量損失迅速增大，消耗的功率也急驟增大，因此一般的實驗風(fēng)洞很難做到實驗時的雷諾數(shù)與實車行駛時的雷諾數(shù)相等。 為了滿足雷諾數(shù)相似要求，通常要求基于汽車模型長度的雷諾數(shù)不小于6100.7 ，該值被稱為臨界雷諾數(shù)。除雷諾數(shù)效應(yīng)外，在高速氣流試驗的情況下，還下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 10 存在壓縮性的問題，但對汽車風(fēng)洞實驗可認為不存在壓縮性的影響，因此可在此條件下進行汽車空氣動 力學(xué)實驗。 （ 4） 盡量排除風(fēng)洞實驗中的支架及洞壁的干擾。為了限制洞壁干擾的影響，一般汽車模型在橫擺角為零時的正面投影面積不超過試驗段橫截面積的 5 ，高度不超過試驗段高度的 30，在有橫擺角的情況下，模型的寬度應(yīng)小于風(fēng)洞寬度的 30 。如果超過其上述數(shù)值，則要對其洞壁干擾修正，以達到消除洞壁干擾的目的。 （ 5） 風(fēng)洞流場的動態(tài)校準。模型放置在風(fēng)洞之前，應(yīng)對空風(fēng)洞進行流場的動態(tài)校準。要測量試驗段橫截面的紊流度、地板上的靜態(tài)壓強、軸向靜壓梯度、橫向氣流偏角、縱向氣流偏角、氣流均勻性等流場特 性以及放置模型前緣位置的地板邊界層厚度。 2.5 本課題采用的模型尺寸 根據(jù)實驗需求，模型尺寸 1： 5 比例尺寸，實驗車型選擇長安轎車 “志翔”作為試驗車，該車的基本參數(shù)如下表 2.1、圖 3.2 所示； 基本參數(shù) 長 /寬 /高 （ mm) 4600/1800/1475 軸距 （ mm） 2650 輪距 （ 前后 ） （ mm) 1500/1487 最小離地間隙 （ mm) 138 油箱容積 （ L) 58 表 2.1 圖 3.2 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 11 對于本文的研究，空氣密度 3/1.205 mKg ,大氣壓力為標準大氣壓，試驗風(fēng)速v=60ms,模型特征長度 L=920mm,空氣粘度 2-5 /10 1 . 7 8 9 4u msN ,則對應(yīng)的雷諾數(shù)為： 6-5-3 103 . 7 2101 . 7 8 9 410920601 . 2 0 5u （ 2.2） 2.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了風(fēng)洞實驗的類型及其設(shè)備，風(fēng)洞實驗的準則與規(guī)范，汽車風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?。為以后的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 12 第 3 章 1： 5 小型汽車風(fēng)洞設(shè)計 3.1 風(fēng)洞的類型結(jié)構(gòu)確定 1、類型結(jié)構(gòu)確定 本文主要對汽車風(fēng)洞實驗室結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，經(jīng)過前面的介紹及其對比，本課題采用 1： 5 模型結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)形式采用單回流閉式風(fēng)洞實驗室。采用該結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞其特點比較優(yōu)越。布局如圖 （ 3.1）所示： 圖 3.1 風(fēng)洞的各部件 下面對風(fēng)洞的各個部件進行介紹： （ 1） 試驗段。風(fēng)洞中進行模型試驗的部件，是整 個風(fēng)洞的中心； （ 2） 擴壓段，又稱擴散段。是把氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以減小風(fēng)洞的損失； （ 3） 拐角。共四個拐角，擴壓段后為第一個拐角，依次是二、三、四拐角； （ 4） 拐角導(dǎo)流片。為了保證氣流經(jīng)過拐角時改變流動方向而不出現(xiàn)分離，四個拐角都必須安置拐角導(dǎo)流片； （ 5） 風(fēng)扇； （ 6） 電機。電機一般裝在整流罩內(nèi)，但是也可以裝在風(fēng)洞外，用長軸傳入而帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)； （ 7） 整流罩。使風(fēng)扇前后保持流線型，改善氣流的性能，尤其是防止分離； （ 8） 迴路段。把空氣導(dǎo)回到試驗段上游的管道； （ 9） 穩(wěn)定段。使氣流保持均勻的穩(wěn)定的管道。內(nèi)裝蜂窩器整流設(shè)備； （ 10） 蜂窩器。主要對氣流起導(dǎo)直 的作用； （ 11） 收縮段。使氣流均勻加速的收縮管道； 2、對汽車風(fēng)洞性能的基本要求： （ 1） 氣流的主流品質(zhì) 要求縱、側(cè)向速度的均勻性、紊流度和尺寸要模擬真實道路狀況。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 13 （ 2） 限制試驗段洞壁對流場的干擾 為了限制洞壁的干擾影響，美國汽車工程師協(xié)會制訂了“汽車風(fēng)洞試驗準則規(guī)范”。 （ 3） 實驗雷諾數(shù)與實際雷諾數(shù)相似。 （ 4） 試驗?zāi)Ｐ团c實車的幾何形狀相似。 3.2 風(fēng)洞試驗段幾何參數(shù)的確定 1、試驗段設(shè)計的基本要求 （ 1） 試驗段的氣流品質(zhì)要達到要求。最基本的是氣流必須是均勻的穩(wěn)定的。 （ 2） 試驗段的口徑與截面形狀。試驗段的口徑對圓截面是指它的直徑，對非圓截面是指其截面特征長度。但是在滿足試驗要求的前提下，口徑應(yīng)盡量小。 （ 3） 試驗段風(fēng)速。對風(fēng)速的要求主要來自雷諾數(shù)。風(fēng)速大一些，風(fēng)扇的效率比較高，風(fēng)洞的能量比也高。但是驅(qū)動功率是與風(fēng)速的三次方成比例。 （ 4） 裝卸模型方便。 （ 5） 安裝有關(guān)設(shè)備方便。 （ 6） 試驗段必須安裝門窗，一方面是為了實驗人員和模型的出入；另一方面是為了觀測和攝像等。在可能的情況下，門窗盡量大些。 2、試驗段截面氣動外形的選擇 對于汽車實驗 風(fēng)洞，選擇試驗段截面氣動外形的原則是：在滿足試驗要求的前提下，采用最小的截面面積，以減小風(fēng)機驅(qū)動功率；在給定截面積的情況下，其截面特性應(yīng)盡可能有利于復(fù)現(xiàn)汽車模型的繞流特性，以使風(fēng)洞的洞壁干擾降至最低。以下是可供選擇的風(fēng)洞試驗段截面形狀，如圖 3.3 所示。截面 A 是航空風(fēng)洞常用的截面外形，為對稱的切角矩形；截面 B 為半圓形；截面 C 為非對稱切角矩形。后者是參照汽車截面的輪廓線按照比例放大的，其截面面積與截面 B 的截面面積相等。這三種截面形狀中， B、 C 兩種截面形狀較適宜汽車風(fēng)洞實驗。 圖 3.3 試驗段的截面形狀 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 14 3、試驗段幾何參數(shù)的確定 （ 1） 截面的高寬比 考慮到實壁邊界對汽車模型試驗的影響，以 Br/Hr=1/3 作為實壁試驗段中參數(shù)選擇的依據(jù)（ Br=BL/B0,BL 為垂直風(fēng)洞中心線測得的模型水平方向的最大寬度， B0為試驗段兩側(cè)壁間距； Hr=HL/H0， HL 為模型最高點距地板的距離， H0 為地板與風(fēng)洞頂壁間的距離，如圖 3.4 所示） 圖 3.4 試驗 段的截面尺寸 （ 2） 試驗段長度 進行汽車風(fēng)洞實驗時，要將試驗?zāi)Ｐ椭糜趯嶒灥匕迳希摰匕宓拈L度除了能容納模型及其前方的流動均勻流場外，還應(yīng)留出邊界層控制裝置所需要的長度。此外，在模型的下游，還要留有足夠的長度，使氣流在進入擴散段前，其尾流獲得充分的發(fā)展。這樣對提高風(fēng)洞運轉(zhuǎn)效率有利。一般地板的長度為模型長度的 5 7 倍，寬度至少為模型寬度的 2 倍。 （ 3） 非對稱切角尺寸 汽車實驗風(fēng)洞多采用沿軸向呈線性變化的切角填塊來消除洞壁邊界層位移厚度對流場軸向壓力梯度的影響。入口截面切角高度和出口截面下截角高度是固 定的，出口截面上切角高度是可以調(diào)節(jié)的，以便在流場校測中，根據(jù)不同的實驗條件與要求來調(diào)節(jié)高度，直到獲得滿意的靜壓分布為止。 （ 4） 實驗地板在試驗段中的垂直位置 選擇實驗地板在試驗段中的垂直位置的原則是：有用實驗截面面積應(yīng)盡可能大，以減弱頂壁的干擾；地板下部流動阻力應(yīng)減至最小，以防止地板前緣流線彎曲；保證不同縮尺比例的模型均可置于試驗段中心區(qū)進行試驗。 所以根據(jù)第 （ 3.2）、（ 3.3） 章節(jié)，就可以確定試驗段的幾何參數(shù)。已知試驗車長下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 15 L=4600mm,寬 B=1800mm，高 H=1475mm，比例尺寸 1： 5，所以則有模型尺寸長L1=920mm，寬 B1=360mm，高 H1=295mm。 根據(jù) Br/Hr=1/3， Br=BL/B0， Hr=HL/H0 得： 31295360/B000000 BHHB HBHH BBHLLLLrr(3.1) 所以有： 59216HB00 （ 3.2） 一般地：地板長度應(yīng)為模型長度的 5 7 倍；寬度至少為模型寬度的 2 倍。所以取地板長度為模型長度的 5 倍，寬度為模型寬度的 5 倍。所以有： mm1 8 0 03 6 055BB10 ； mmB 49218002165921659H 00 ； （ 3.3） mm4 6 0 09 2 055L1 1 ； 3.3 擴壓段 擴壓段也稱擴壓器或擴散段。擴壓段的作用是把氣流的動能變成壓力能。在沒有分離的情況下，氣流在擴壓段的損失主要有兩種，一是摩擦損 失。另一種是擴壓損失，但本質(zhì)是摩擦損失。 設(shè)擴壓段的入口截面積的參數(shù)為 P1,V1,D1,出口截面的參數(shù)為 P2,V2,D2。擴壓段的幾何特性如圖 3.5 所示： 圖 3.5 擴壓段入口截面參數(shù) 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 16 流經(jīng)擴壓段的總損失為： sf ppp (3.4) 摩擦損失為： 42121 128121DDatgmkNp f 平均(3.5) 擴壓損失為： 42121 12 0. 621DDatgvP (3.6) 所以總的 損失為： 42121 126.02821PDDatgatgv 平均 (3.7) 壓力損失系數(shù)為： 421126.028KDDatgatg 平均 (3.8) 從以上公式可知，當(dāng)擴散比一定時，隨擴散角 a 的增大，擴壓損失增加而摩擦損失減少?？倱p失先減小后增大（如圖 3.6）所示：有一個最小值。即最佳擴散角： 8.42 atg（ 3.9） 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 17 圖 3.6 擴壓段損失系數(shù) （ 2/1/ 21 DD ） 影響擴壓效率的主要因素是擴散角。管道的截面形狀、擴散比以及壁面粗糙度等也有影響。如果擴散角過大，雖然可以縮短擴壓段長度，但在洞壁上容易發(fā)生氣流分離，造成很大的氣流損失，不僅使擴壓效率降低，而且會影響氣流品質(zhì)。但是擴散角又不能過小，小了會使整個風(fēng)洞的造價提高。所以要選擇適當(dāng)?shù)臄U散角。 3.4 拐角及其拐角導(dǎo)流片 在回流風(fēng)洞中，氣流沿洞體循環(huán)一次轉(zhuǎn) 360，在單回流風(fēng)洞中，氣流需要通過四個 90 拐角。在有些高壓的環(huán)形回路風(fēng)洞中，氣流通過二個 180 的拐角。 拐角是風(fēng)洞的一個重要部件。氣流在四個拐角的全部損失可以占風(fēng)洞總損失的40 60。氣流經(jīng)過拐角是容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多漩渦，因而使流動不均勻或發(fā)生脈動。因此必須裝拐角導(dǎo)流片，目的是防止分離和改善流動。 沿風(fēng)洞轉(zhuǎn)角對稱線上布置一排垂直的導(dǎo)流片，稱為拐角導(dǎo)流片，是減少損失的一個很有效的措施。加導(dǎo)流片后，相當(dāng)于保持當(dāng)?shù)氐霓D(zhuǎn)彎半徑 R，以及風(fēng)洞高度 W 不變，從而大大的減 少流動的寬度 D。從物理意義上看，加導(dǎo)流片后，氣流轉(zhuǎn)彎的離心力作用于導(dǎo)流片上，避免了氣流的壓力增加，同時也是流動更加順暢。 單回流風(fēng)洞的每個 90 拐角都必須設(shè)置拐角導(dǎo)流片，每排導(dǎo)流片的數(shù)量為 1020 個，有時多至 40 個左右，導(dǎo)流片之間的相互位置應(yīng)保持以下的關(guān)系：設(shè)導(dǎo)流片的弦長為 C，間距為 D1。 D1/C 值常在 0.3 0.6 之間。 W/D1 值大于 6。 下圖為導(dǎo)流片改善流動狀態(tài)的情況如圖 3.7 所示： 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 18 （ a）沒有導(dǎo)流片 （ b） 有 導(dǎo)流片 圖 3.7 拐角流動的速度分布 下圖為導(dǎo)流片的剖面形狀及其導(dǎo)流片的性能如圖 3.8、表 3.1 所示： （ a） 圓弧型 （ b） 圓弧帶直線型 （ c）翼剖面型 圖 3.8 導(dǎo)流片的剖面形狀 表 3.1 各種導(dǎo)流片的性能 剖面形狀 最佳間距比 （CD ） 損失系數(shù) K Re（ C 為特征長度） 圓弧型 0.3 左右 0.20 40000 左右 圓弧帶直線型 0.5 左右 0.138 40000 左右 翼剖面型 0.4 左右 0.11 40000 左右 此外，在選擇導(dǎo)流片時，要根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的導(dǎo)流片。 3.5 迴流段 在風(fēng)洞管道中，風(fēng)扇系統(tǒng)后至第三拐角和第一二拐角之間的迴流段，經(jīng)常仍采用擴張管道，因此也是一個擴壓段。之所以要繼續(xù)擴張：一是為了繼續(xù)把動能轉(zhuǎn)變成壓力能，減少氣流損失，尤其是 經(jīng)過拐角和整流裝置的損失；而是增加管道面積，以得到比較大的收縮比。迴流段的平均速度比較低了，因而損失不會大，若為了縮短風(fēng)洞的總長度，可以采用比較大的擴散角，如 a=8 9。但是也可以采用 6 的擴散角，以減少氣流分離的可能性。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 19 3.6 穩(wěn)定段及整流裝置 穩(wěn)定段又稱安定段。整流裝置為蜂窩器，目的是使氣流均勻或降低紊流度，所以為整流裝置。收縮段的設(shè)計，以均勻來流為前提。如果來流不均勻，則收縮段出口的氣流也是不均勻的，紊流度也比較高，甚至可能存在大的漩渦。因此，氣流進入收縮段之前，必須經(jīng)過一個穩(wěn)定段，以及蜂窩器等 ，使氣流變得均勻，從而保證試驗段流場的品質(zhì) （ 1） 穩(wěn)定段 穩(wěn)定段通常是一個等截面管道。穩(wěn)定段對氣流的影響是由于它的長度。相當(dāng)長度的等截面管道對氣流有穩(wěn)定作用。如果穩(wěn)定段中不設(shè)置任何整流裝置，它就必須足夠長，使得氣流在流動的過程中有足夠的時間調(diào)整運動方向、速度分布并衰減紊流度。實際上一般穩(wěn)定段都設(shè)有整流裝置。 穩(wěn)定段的長度首先要保證安裝蜂窩器，其次還必須要有一段長度，使氣流經(jīng)過后逐漸穩(wěn)定。因此為滿足要求，穩(wěn)定段的長度一般按一下數(shù)據(jù)確定：收縮比小于 5，穩(wěn)定段的長度為直徑的 1.0 1.5 倍；如果大于 5， 則長度為直徑的 0.5 1.0 倍。收縮比定義為收縮段入口面積與出口面積之比，即穩(wěn)定段與試驗段面積之比。這樣有利于改善氣流性能有好處。 （ 2） 蜂窩器 蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道并列組成，蜂窩器的作用是是在于導(dǎo)直氣流，使其平行于風(fēng)洞軸線。同時，蜂窩器對氣流的摩擦還有利于改善氣流的速度分布。 蜂窩尺寸一口徑 M 和長度 l表示，如圖 3.9 所示，圖 3.10 是幾種比較常見的蜂窩格子以及長徑比 l/M=6 時，各種蜂窩格子的損失系數(shù) K。 圖 3.9 蜂窩器尺寸 圖 3.10 常見的蜂窩器格子及其損失系數(shù) 影響蜂窩器性能的主要參數(shù)是蜂窩器長度 l和口徑 M。長度 l越大，整流效果越好，但損失增加。 M 值越大，蜂窩器對降低紊流度的效果越顯著。一般的參數(shù)范圍為 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 20 l/M=5 10； M=5 30CM。具體尺寸應(yīng)該根據(jù)穩(wěn)定段大小及氣流的性能要求而確定。 3.7 收縮段 收縮段是風(fēng)洞中至關(guān)重要的部分。收縮段的作用是加速氣流，使其達到實驗所需要的速度。收縮段應(yīng)滿足以下要求。 （ 1） 氣流沿收縮段流動時，洞壁上不出現(xiàn)分離。一般說來，氣流在加速過程中是不易分離的。只要壁 面收縮不太劇烈，分離是可以避免的。 （ 2） 收縮段出口的氣流要求均勻、平直而且穩(wěn)定。 （ 3） 收縮段不宜過長。收縮段過長，會使風(fēng)洞建設(shè)投資增加，而且能量損失也增大。收縮段的性能主要取決于收縮比。即收縮段進口面積與出口面積之比。 此外，收縮段長度一般可采用進口直徑的 0.5 1.0 倍。收縮比越大，長度與進口直徑的比值越小。 3.8 風(fēng)洞能量比、電機功率及風(fēng)扇的確定 氣流在風(fēng)洞管道內(nèi)流動時必然會有能量損失。這種損失來自幾個方面。一是氣流與固體邊界包括洞壁、拐角導(dǎo)流片、蜂窩器以及各段等的摩擦；一是物體表面的氣 流分離，引起漩渦，紊流等。在相同的試驗段流動條件下，氣流經(jīng)過風(fēng)洞的回路的損失越小，則需要風(fēng)扇補充的能量就越低。風(fēng)扇和電機的效率就越高，消耗的電能就越低。因而存在一個風(fēng)洞效率問題，而度量風(fēng)洞效率的參數(shù)就是能量比。 能量比定義為試驗段氣流的動能流率（即單位時間通過的動能）與通過動力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的功率之比。由于計量輸入功率的范圍不同，可以有三種不同的能量比。 (1) 以電網(wǎng)輸給風(fēng)洞電機的功率作為輸入功率，包括電機在內(nèi)的能量比： EIFpvX3021電機 (3.10) 式中， p,v0 和 F 分別為氣流的密度，速度和試驗段截面積。 E 和 I 為輸入電機的電壓和電流。 （ 2） 以電機輸給風(fēng)扇的功率作為輸入功率，包括風(fēng)扇在內(nèi)的能量比： NFpvX3021風(fēng)扇 （ 3.11） 式中， N 為電機的輸出功率，即輸給風(fēng)扇的功率。 EI電機N,電機為 電機功率。 （ 3） 以風(fēng)扇輸給氣流的功率為輸入功率的風(fēng)洞能量比： 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 21 NFpvX風(fēng)扇風(fēng)洞 3021 （ 3.12） 式中風(fēng)扇為風(fēng)扇系統(tǒng)的效率。由以上定義可得下式： 風(fēng)洞風(fēng)扇風(fēng)扇 XX （ 3.13） 風(fēng)洞風(fēng)扇電機風(fēng)扇電機電機 XXX 由于電機和風(fēng)扇效率都小于 1，所以必有 風(fēng)洞風(fēng)扇電機 XXX （ 3.14） 風(fēng)扇系統(tǒng)前后的壓力增量為 P,風(fēng)扇系統(tǒng)輸給氣流的功率等于壓力增量乘以流量。在風(fēng)洞穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，這個壓力增量就是整個風(fēng)洞的回路中的氣流的全部壓力損失，它等于氣流經(jīng)過各個部件的損失總和。所以 02021 kpvp (3.15) 式中 K0 為氣流經(jīng)過各個部件的當(dāng)量損失系數(shù)。當(dāng)量損失系數(shù)定義為壓力損失除以試驗段動壓。將 （ 3.15） 代入 （ 3.12） 式，考慮到 FpvN0風(fēng)扇則有 01Xk