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　　本文選編自微信公號：汽車空氣動力學(xué)，ID：Auto-Aerodynamics

　　在汽車風洞中，動輒300km/h軸流風機進出風方向的風速是怎么產(chǎn)生的？是什么樣的設(shè)備帶動了整個風洞的運行？號稱最昂貴的人造風是怎么吹來的？本期“汽車風洞先進設(shè)備”系列，軸流風機進出風方向我們將為軸流風機進出風方向你介紹汽車風洞中的幕后英雄——風機系統(tǒng)。

　　風洞是根據(jù)運動的相似性原理，將汽車固定在地面上，通過高速氣流流經(jīng)汽車表面，模擬汽車實際路面行駛狀態(tài)下的氣動特性的試驗設(shè)備。

　　在汽車風洞中可模擬從0-300km/h的速度變化，并且其速度控制精度可達到0.03%，這么高的速度范圍，一方面有風洞收縮段的加速作用，但更為重要的是風洞中最核心的設(shè)備——風機系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　作為整個汽車風洞的動力源，風機系統(tǒng)堪稱整個風洞的幕后英雄。

　　汽車風洞風機原理

　　風洞風機系統(tǒng)的基本原理與我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾婏L扇的原理類似，主要由電機和葉片組成，也叫軸流式風機。

　　當接通電源后，葉片旋轉(zhuǎn)，空氣從風扇的背后被葉片產(chǎn)生的負壓吸引，通過葉片吹向風扇的正前方，于是在風扇前面形成了“人造風”。

　　通常我們所感受到的風的大小就是風速的大小，用過電風扇我們都知道，檔位不同風速也不同，不同的檔位其實就是對應(yīng)的風機的不同功率，風機工作功率越大，那么風速也就越高。

　　但是我們也知道，站在一臺小風扇前面，即使電風扇風速再大，也是能吹到頭就吹不到腳，能吹到腳就吹不到頭，這是風機葉片直徑大小造成的，也就是風量的區(qū)別。

　　風機轉(zhuǎn)速相同時，葉片直徑越大，風量就越大，風量越大，所需要的風機功率也會越高。

　　汽車風洞風機尺寸

　　那么，風洞風機的尺寸到底有多大呢？對于現(xiàn)代汽車空氣動力學(xué)風洞風機而言，直徑通常在9m左右！汽車環(huán)境風洞風機尺寸稍小，直徑通常在4m左右。

　　可以想象，即使姚明站在9m的巨型風機下面也還沒有一扇葉片高呢。

　　風機中心的輪轂通常會占到整個風機直徑的一半左右，巨大的電機就隱藏在其中。風機的軸向長度不等，通常為5m到7m不等，主要取決于電機的設(shè)計和尾椎尺寸。

　　汽車風洞風機功率

　　風機的最高功率主要取決于風洞設(shè)計的最高風速和從靜止到最高速的加速度，現(xiàn)代汽車的最高車速通常都會超過200km/h，百公里加速時間也很容易達到10秒以內(nèi)，所以電機額定功率要求也會隨之提高。為了保證風洞中的試驗車輛的風速模擬要求，風機電機往往需要具備數(shù)千千瓦的額定功率。

　　汽車風洞風機控制精度

　　風洞風機可以實時跟隨車輛模擬行駛的速度，速度跟隨偏差可控制在1秒以內(nèi)，無論你怎么加減速，都能保證吹出的風如影隨形，你快它也快，你慢它也慢。風機的風速控制精度可達0.03%。

　　舉例來說，如果你的車速是100km/h，那么風機處吹來的風速大概就是100±0.03km/h，考慮到取整，那么就是100km/h。在實際的工程應(yīng)用中，可以認為這兩個速度是完全一樣的，當然實際使用中還需要考慮標定的問題。這也是風洞能準確模擬汽車在外部道路上行駛環(huán)境的主要原因。

　　汽車風洞風機效率

　　一般家用風扇的效率大約為50%，有一半的電能會通過熱能浪費掉。而風洞風機的效率最高可達90%以上，考慮到風機巨大的功率，如此的高效率會節(jié)約大量的電能，這在如今節(jié)能減排的背景下，顯得尤為重要。

　　風洞風機想要達到如此高的效率需要對風機進行大量的特殊設(shè)計，例如，選擇適宜的輪轂比和特別優(yōu)化的葉型，葉片通常需要使用碳纖維材料，葉片與機殼的間隙不超過風機直徑的千分之一等。通過這一系列的設(shè)計才能滿足風機的高效率要求。

　　世界汽車風洞先進風機

　　現(xiàn)在我們大致了解了風洞風機的基本情況，下面我們再來看看全球著名汽車制造商及其風洞中所使用的風機都有哪些。

　　通用汽車風洞風機建成于1980年的通用汽車ESAL空氣動力學(xué)風洞，其風機的葉片采用加西云杉木制成，一片葉片長度就達12英尺（約3.6米），重約1噸，由4500馬力的變速直流電機驅(qū)動，測試區(qū)最高速可達222km/h。

　　奔馳汽車風洞風機梅賽德斯-奔馳汽車于2013年投入使用的最新汽車風洞，該空氣動力學(xué)風洞風機直徑9m，最大功率5300kw，由18片碳纖維葉片提供高達265km/h的試驗風速。

　　豐田汽車風洞風機日本的豐田汽車在2013年也建成了其最新最先進的汽車風洞，其風機功率達到了8MW，直徑為9m，也采用的碳纖維葉片。

　　中國汽研汽車風洞風機正在建設(shè)中的中國汽研氣動-聲學(xué)風洞的風機功率為4000kw左右，直徑9m，最高風速超過250km/h，采用18片碳纖維葉片。

　　配圖為奔馳汽車風洞風機

　　>>>>延伸閱讀

　　是土豪你就來，每小時2.5萬元的汽車風洞試驗！

　　本文選編自微信公號：汽車空氣動力學(xué)，ID：Auto-Aerodynamics

　　汽車氣動-聲學(xué)風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，也讓汽車風洞吹出的風成為了最昂貴的風。本期“汽車風洞技術(shù)”科普系列，就來為你講下空氣動力學(xué)-聲學(xué)風洞中可開展的主要試驗。

　　汽車風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。

　　奔馳GLA在風洞試驗中

　　氣動六分力測量試驗

　　氣動六分力測量是在風洞中使用氣動力天平測定汽車在某一風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)代汽車風洞中，這些測量設(shè)備一般都會集成在轉(zhuǎn)臺中。

　　FKFS汽車風洞天平何移動帶設(shè)備

　　汽車風洞分布式邊界層抽吸系統(tǒng)

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

　　FKFS汽車風洞中的Swing側(cè)風發(fā)生器

　　聲學(xué)測量試驗

　　汽車風噪性能的開發(fā)已經(jīng)成為了繼風阻之后車企又一重點關(guān)注的開發(fā)領(lǐng)域，風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)風洞中，主要使用人工頭聲學(xué)測量設(shè)備和麥克風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

　　奔馳使用麥克風陣列測量車內(nèi)噪聲

　　保時捷風洞框架式麥克風陣列

　　保時捷風洞麥克風陣列聲學(xué)測量結(jié)果

　　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。

　　一、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）。

　　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。

　　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，并可在風洞停止吹風后一段時間內(nèi)保持其表面流譜。但是油易流淌，模型及風洞容易被污染。

　　保時捷911模型在進行油膜試驗

　　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。

　　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

　　二、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。

　　通常使用風速儀、熱線風速儀、激光測速儀等設(shè)備進行速度測量軸流風機進出風方向；使用五孔探頭測量氣流俯仰和偏航方向。

　　五孔探頭

　　在風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

　　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。

　　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。

　　獲得的車身縱截面表面壓力分布

　　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

　　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。

　　奔馳汽車風洞移動測量系統(tǒng)（圖中紅圈處）

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