第八章汽車風洞試驗1

1、第八章 汽車風洞試驗必要性：模型實驗是設計階段必不可少的，通過實驗了解設計車型的氣動力性能，對設計進行改進，完善設計，實車實驗是了解產品空氣動力性能，是改進產品性能的重要一環(huán)。 81 汽車風洞試驗的重要性和重要試驗內容 一、重要性和發(fā)展簡況1、重要性：A、實車道路試驗 可使產品在實際應用條件下得到考核對應了解汽車性能必不可少，但試驗存在許多問題：a、道路條件：需要專用的汽車試驗場地路面條件不同，輪胎的滾動阻力不同。b、風速風向：當不同時對的影響也不同。c、儀器的精度受影響（裝載振動）。d、油耗試驗還受天氣條件的影響。 B、風洞試驗a、在汽車設計階段還沒有汽車，必須依靠汽車的模型試驗，了解設計效

2、果。b、計算空氣動力學還只局限于形狀規(guī)則的轎車，對于貨車和客車還難以用計算的方法了解汽車的氣動性能，必須依靠風洞試驗。風洞試驗揭示新的氣動現(xiàn)象，推動汽車空氣動力學的發(fā)展。2、發(fā)展簡況A、國外 一九六十年代之前，汽車風洞試驗均是在航空風洞中進行的，七十年代之后，世界各大汽車公司都相繼建立了自己的汽車專用風洞，這些風洞不僅可以測量氣動力，而且還可以模擬各種自然環(huán)境，可以調節(jié)溫度濕度等參量，可最大限度地滿足汽車性能試驗方面的試驗要求。國內 在我國汽車空氣動力性能的研究起步較晚，至 今尚無一座汽車專用風洞，試驗多在航空風洞中進行。 a、中國空氣動力研究與發(fā)展中心從80年開始即致力于汽車實車試驗，至今其

3、試驗技術在各個方面都取得了大的進展。氣動力測量、流場顯示、測壓、渦流積分阻力等。b、南航、北京空氣動力學研究所，西安公路學院、江蘇理工大學、山東大學等單位均進行過模型試驗。 以上研究均取得了好的效果，目前在國內汽車空氣動力學的研究不僅受到空氣動力學界的重視，汽車廠家也愈來愈重視，一些有識之士呼吁汽車廠家必須建立自己的汽車風洞。 二、汽車風洞試驗的主要內容1、氣動力與穩(wěn)定性，通過試驗可以測量六個分量 X Y Z MX MY MZ為改善汽車穩(wěn)定性降低阻力提供數(shù)據(jù)。2、流譜A、了解汽車表面氣流的流動特性，對氣動力的分析起輔助作用。B、為汽車其他部分的設計提供參考，如發(fā)動機、進排氣、冷卻、通風等。3、

4、環(huán)境模擬 模擬項目 日照條件 氣候 400600C 結冰、噴濺、揚塵。 4、內流空氣動力學的試驗究 進排氣口的開設部位項目 駕駛室的散熱通風空調 需模擬日照、溫度、濕度。發(fā)動機和剎車裝置的冷卻，要模擬發(fā)動機進氣格柵處和發(fā)動機艙內的流動。5、刮雨器的風洞試驗究 在風洞中試驗可以對刮雨器的桿臂支撐力、浮起情況、刮靜變化、殘余水量進行試驗。方法如圖82。6、氣動噪聲試驗 通過試驗可以弄清噪聲發(fā)生的部位，噪聲特性，通過試驗了解汽車表面旋渦的發(fā)生情況，采用流線型外殼的測量儀器，如圖83所示。7、其他（1）熱負荷試驗 檢驗受熱源作用受 損情況（2）氣密性試驗 進排氣口的泄漏情 況（3）客艙內的污染（4）風

5、檔玻璃的受力變形（5）風顫試驗 （6）顫抖試驗 渦流誘發(fā)的振動。 82 風洞構造及其分類一、風洞的構造形式（一）開路式風洞直流式風洞如圖841、定義 直接從大氣中吸入空氣，經過試驗段后又排入大氣。2、優(yōu)缺點： 優(yōu)點 構造簡單 成本低占地少、不需抽吸發(fā)動機的廢氣裝置。 缺點 流場的品質相對較差、噪聲大、能量消耗大、易受天氣的影響，易混入塵土和其他污染物，如昆蟲、飛鳥等、運行成本高。 （二）回路式風洞（回流式風洞） 1、定義 氣流在洞體形成的封閉回路中運行，如圖85所示。2、優(yōu)缺點優(yōu)點：噪聲小、能耗小、不受外界的影響、流場品質好、運行成本低。缺點：結構復雜、制造成本高、占地面積大、運行時間長時有溫

6、升。 二、風洞洞體的組成部分（一）試驗段1、放置實車或者模型的部位。2、考核指標 尺寸大?。汉饬匡L洞大小的指標 流場：方向、均勻性截面不同點上速度大小偏差、穩(wěn)定性不同時刻的速度偏差紊流度、軸向靜壓梯度。3、堵塞比模型或實車的迎風面積/試驗段截面積飛行器試驗要求不大于5，汽車試驗可適當放寬。 3、試驗段分類如圖86所示開口試驗段：試驗段全部或部分向外界開放優(yōu)點：氣流可以自由向周圍擴散，堵塞效應小，軸向靜壓梯度小，模型或實車安裝方便。缺點：有能量損失，噪音大，試驗段可利用長度小。閉口試驗段：試驗段全部封閉優(yōu)點：能量損失小、噪音小、試驗段可利用長度大。缺點：對堵塞敏感、易造成洞體上和試驗件上附面層分

7、離，特別是有橫擺角時、軸向靜壓梯度大。 流線型試驗段風洞 模型附近按模型的外部形狀設計成流線型，使流通截面積增大，避免發(fā)生分離的可能性。優(yōu)點：同閉口又避免了堵塞敏感的問題，堵塞比可達20%缺點：設計制造有一定的難度，必須配合模型進行，應用受局限。開槽試驗段 在試驗段側壁上開設一定數(shù)量的條形槽 優(yōu)點：具有開閉口的大多數(shù)優(yōu)點，堵塞比和洞體干擾小。 缺點：必須根據(jù)模型的大小選擇開閉比的大小，設計制造難度大。 （二）擴散段 沿流動方向截面積擴大 功能：降低氣流速度，將動能轉化為壓力能，降低能量損失。 注意：擴張角不宜太大，過大可能產生分離，但過小又降低其作用。（三）動力段：由電動機帶動風扇構成，前后有

8、整流罩。 功能：產生一定的風速，風速調整改變轉速、改變漿葉角。（四）收縮段 功能：使氣流加速，使其達到試驗段所要求的風速 要求：不出現(xiàn)分離，出口氣流平直、均勻、穩(wěn)定。收縮比有一定的要求，收縮比進口面積/出口面積（五）其他裝置a、回流段 形成回路 b、導流片 平順轉彎b、穩(wěn)定段 穩(wěn)定進入收縮段的氣流 C、蜂窩器 阻尼網(wǎng)減小脈動，使之趨于平直、減小紊流度。 三、汽車風洞的分類（一）大型1:1風洞特點：試驗段截面積36m以上用途：實車或者1:1模型試驗，校核小型風洞的試驗結果。優(yōu)點：1、很好的考核外形對氣動力的影響 2、 3、堵塞比小，不必進行修正。缺點：試驗運行成本高，建設費用高。（二）小型1:1

9、風洞特點：10 m左右用途：1:1模型或者縮比模型優(yōu)點：試驗條件設定較好的情況下，可以得到與大型風洞同樣精度的結果，運行成本低。缺點：洞壁干擾必須進行修正，必須考慮雷諾數(shù)的問題。 eeRR （三）模型風洞 特點：1幾個m2 用途：模型試驗 缺點：結果必須進行修正 優(yōu)點：在汽車設計階段必不可少，使用方便、費用低。（四）氣候風洞 特點：1012 m 溫度可調 用途：汽車的散熱通風試驗，動力學試驗等 缺點：修正和校正（五）氣候空調室 特點：5 m左右，可以調節(jié)溫度和濕度 用途：汽車空調方面的試驗。 需要進行修正。 83 氣動力天平和試驗地板一、氣動力天平分類1、按天平的作用原理分 機械天平：利用杠桿

10、理論進行設計。 優(yōu)點：精度高、抗外界干擾能力強、性能穩(wěn)定。 缺點：尺寸大、安裝不方便、特別是小型風洞受 試驗段尺寸的限制。 應變式天平：用電阻應變片貼在受力元件上感受力，并將其轉變成電訊號輸出，從而完成測量。 優(yōu)點：安裝測量方便，尺寸小 缺點：抗干擾能力差。 2、按安裝方式分 內式天平 受力元件安裝在模型的內部的稱為內式天平，用于測量模型某一部分的受力情況。 外式天平 安裝于汽車或模型的外部，用于測量汽車整體或部分的氣動力的天平。3、按天平的構造形式分 合式天平 外形象一箱體故稱為合式天平，多用于實車或大型模型的測量。 桿式天平 構造象一根桿子，故稱為桿式天平，用于測量小尺寸模型或活動地板上的

11、模型氣動力。4、幾種天平的安裝方式如圖87所示。二、轉盤系統(tǒng)用于測量汽車在橫擺狀態(tài)下的氣動特性，汽車或模型放置于轉盤之上，轉動時產生角。構造如圖88所示，裝有1/4轉盤和偏心輪，用于調節(jié)輪距和軸距。 二、地面效應的模擬為什么要裝地板 裝地板后出現(xiàn)的問題邊界層1、活動地板 如圖89所示 優(yōu)點：利用皮帶速度和氣流相對速度為零的方法，消除邊界層?？勺畲笙薅鹊臏p小邊界層的影響。 缺點：技術復雜、體積大、造價高、皮帶產生振動等，應用較少。 2、固定地板 常采用以下措施消除邊界層的影響（1）間隙法 原理：地板附面層的存在，改變了汽車底部的流量，產生一定程度的壅塞，對汽車底部的壓強分布產生影響，若額外增加一

12、間隙，減輕或消除附面層的影響，可產生好的效果。間隙的大?。寒?不必設置間隙，間隙的大小一般為流體單獨繞流平板時的附面層的排擠厚度，（ 邊界層的排擠厚度；h汽車底部離地間隙。） 當時 當時 %5 . 8*5137. 0exxR101067Re8/*871010eR9/*（2）吸氣地板和吹氣地板吹氣地板：原理增大邊界層內部的氣流速度，以減小或消除邊界層的影響，但需要高壓儲氣室，龐大、復雜。荷蘭的DNW風洞就是采用的該方法。吸氣地板：在試驗區(qū)前開孔或條形槽，用抽氣泵抽其抽氣，以減薄附面層，這種地板較吹氣地板技術要求低，易實現(xiàn)，不需大的高壓儲氣室。北京空氣動力學研究所33風洞就是采用的這一方法。 （3

13、）V字形繞流板 構造：V字形夾角700的板，尖角朝向來流方向，靠繞流板后的旋渦加大附面層內的流速，使附面層減薄。缺點：兩側產生較大的螺旋流對測量結果產生一定的影響；繞流板對于氣流的阻礙在一定程度上改變著汽車底部的流場。 （4）改善地板的前緣設計 如圖814所示在銳邊的前緣處設計一小型機翼，依靠翼形和前緣形成的間隙，形成對氣流的抽吸作用，使附面層減薄。日本巖本羲明就是采用的這一方法，使邊界層厚度下降70%（中部）。（5）地板尺寸 前部不小于模型或實車的寬度；后部46倍的寬度；寬度不小于汽車或模型的2倍的寬度。 3、鏡象法用兩個完全相同的模型對稱放置，不僅模型上表面的流場對稱，模型底部也形成一對稱

14、流場，有一自由流線，相當于地板，不產生邊界層。這種方法不需要地板，但僅適用于模型試驗。 84 壓強測量和流場顯示意義：對于氣動力結果進行輔助分析，確定進排氣孔部位的確定等。一、壓強測量模型表面的壓強測量，需開設靜壓孔，在內部埋設靜壓管。通過多管壓力計或傳感器進行測量。實車表面的壓強測量，用模片式壓力傳感器，貼在汽車的表面上，進行遙控測量。 二、流場顯示1、表面流態(tài)顯示 a、絲線法：用絲線粘貼于車身表面，另一端隨氣流自由擺動，通過照相等方法記錄，簡便易行。另外還有熒光微絲法等。如圖8-17所示。 b、油流法 在汽車或者模型表面涂以有顏料的油劑，吹風后觀察顏料的條紋沉積，可以據(jù)此判斷表面對流動情況

15、，分離線和再附著線。 c、升華法原理：根據(jù)層流和紊流附面層升華速度不同，來判別附面層的流態(tài)，附面層轉捩點的位置。 2、流線顯示 煙流顯示：利用煙霧發(fā)生器發(fā)出的煙流觀察，發(fā)生器如圖819所示。（圖820圖821） 核氣泡法：圖822 三、平面流態(tài)顯示 觀察流場的剖面，常用于觀察尾流1、煙屏法 用片光源觀察流場的剖面，照相記錄。2、網(wǎng)格絲線法 如圖823。3、用七孔探針測量。 85 汽車風洞試驗的幾個技術問題一、雷諾數(shù)1、試驗應使實物上的雷諾數(shù)和模型上的雷諾數(shù)相等。2、自動?；瘏^(qū) 當達到某一數(shù)值時，阻力系數(shù)不再隨雷諾數(shù)變化，這一區(qū)域稱為自動?；瘏^(qū)。汽車試驗只需進入自動?；瘏^(qū)即可。如圖825所示。3

16、、增大雷諾數(shù)受到限制，風速增大 風洞風速受到限制 L增大 實驗段尺度受到限制。4、增大紊流度使附面層提前轉捩，使低雷諾數(shù)的流場和低紊流度、高雷諾數(shù)下流場相似。 二、模型尺寸和試驗段尺寸1、堵塞比 閉口 速度增大， 阻力系數(shù)增大A、影響 開口 速度減小 阻力系數(shù)減小對堵塞比的要求說法不一：美國： 日本：巖本羲明 3.8%12.5% 氣動阻力系數(shù)僅增大3%。北京大學：長方體試驗2%15% 氣動阻力系數(shù)幾乎不變。10030寬寬高高B、修正： （1）面積比修正法（閉口風洞）如圖826 式中：A模型或實車的迎風面積 C風洞試驗段橫截面積。 式中 1未修正的公式 修正后修正后 V CV CA()VVAC1

17、121211122222VVACnV()nAC112()CXV AX122CXV AXnV ACnXX121222CxCx （2）馬斯開爾修正公式（修正尾渦的影響） CAmCBn1111nCCXX(3)BettesKelly修正公式 式中： B1、H1 模型或實車的寬、高； B0、H0風洞試驗段的寬、高。 2、模型長度和試驗段長度飛行器：要求模型或者實物的長度要小于 實驗段長度的50%汽車有人試驗到90%時還認為影響很小。 rrXrrXHdHdCBdBdCCxCxBBBr10HHHr10三、軸向靜壓梯度 -軸向靜壓梯度 L汽車長度。四、風洞和道路試驗結果的差異如圖827 氣動阻力（道路）(風洞) 氣動升力 (道路)(風洞) 后輪升力 (道路)(風洞)(后) 前輪升力 (風洞)(道路)（前） dCdCPXXPdCdCCxCx86 汽車模型 模型的重要性 空氣動力學 人體工程學 都必須在造型階段用模型加以考核。一、模型材料1、油泥a、要求：顏色均勻、顆粒細、隨溫度