科普 汽车风洞先进设备之幕后英雄

中国汽研汽车风洞技术 2018-06-18 14:34:23
在汽车风洞中,动辄300km/h的风速是怎么产生的?是什么样的设备带动了整个风洞的运行?号称最昂贵的人造风是怎么吹来的?本期“汽车风洞先进设备”系列,我们将为你介绍汽车风洞中的幕后英雄——风机系统。
风洞是根据运动的相似性原理,将汽车固定在地面上,通过高速气流流经汽车表面,模拟汽车实际路面行驶状态下的气动特性的试验设备。
在汽车风洞中可模拟从0-300km/h的速度变化,并且其速度控制精度可达到0.03%,这么高的速度范围,一方面有风洞收缩段的加速作用,但更为重要的是风洞中最核心的设备——风机系统发挥了关键作用。

作为整个汽车风洞的动力源,风机系统堪称整个风洞的幕后英雄

汽车风洞风机原理
风洞风机系统的基本原理与我们日常生活中使用的电风扇的原理类似,主要由电机和叶片组成,也叫轴流式风机。

当接通电源后,叶片旋转,空气从风扇的背后被叶片产生的负压吸引,通过叶片吹向风扇的正前方,于是在风扇前面形成了“人造风”。
通常我们所感受到的风的大小就是风速的大小,用过电风扇我们都知道,档位不同风速也不同,不同的档位其实就是对应的风机的不同功率,风机工作功率越大,那么风速也就越高。
但是我们也知道,站在一台小风扇前面,即使电风扇风速再大,也是能吹到头就吹不到脚,能吹到脚就吹不到头,这是风机叶片直径大小造成的,也就是风量的区别。

风机转速相同时,叶片直径越大,风量就越大,风量越大,所需要的风机功率也会越高。

汽车风洞风机尺寸
那么,风洞风机的尺寸到底有多大呢?对于现代汽车空气动力学风洞风机而言,直径通常在9m左右!汽车环境风洞风机尺寸稍小,直径通常在4m左右。

可以想象,即使姚明站在9m的巨型风机下面也还没有一扇叶片高呢。
风机中心的轮毂通常会占到整个风机直径的一半左右,巨大的电机就隐藏在其中。风机的轴向长度不等,通常为5m到7m不等,主要取决于电机的设计和尾椎尺寸。

汽车风洞风机功率
风机的最高功率主要取决于风洞设计的最高风速和从静止到最高速的加速度,现代汽车的最高车速通常都会超过200km/h,百公里加速时间也很容易达到10秒以内,所以电机额定功率要求也会随之提高。为了保证风洞中的试验车辆的风速模拟要求,风机电机往往需要具备数千千瓦的额定功率。

汽车风洞风机控制精度
风洞风机可以实时跟随车辆模拟行驶的速度,速度跟随偏差可控制在1秒以内,无论你怎么加减速,都能保证吹出的风如影随形,你快它也快,你慢它也慢。风机的风速控制精度可达0.03%
举例来说,如果你的车速是100km/h,那么风机处吹来的风速大概就是100±0.03km/h,考虑到取整,那么就是100km/h。在实际的工程应用中,可以认为这两个速度是完全一样的,当然实际使用中还需要考虑标定的问题。这也是风洞能准确模拟汽车在外部道路上行驶环境的主要原因。

汽车风洞风机效率
一般家用风扇的效率大约为50%,有一半的电能会通过热能浪费掉。而风洞风机的效率最高可达90%以上,考虑到风机巨大的功率,如此的高效率会节约大量的电能,这在如今节能减排的背景下,显得尤为重要。
风洞风机想要达到如此高的效率需要对风机进行大量的特殊设计,例如,选择适宜的轮毂比和特别优化的叶型,叶片通常需要使用碳纤维材料,叶片与机壳的间隙不超过风机直径的千分之一等。通过这一系列的设计才能满足风机的高效率要求。

世界汽车风洞先进风机
现在我们大致了解了风洞风机的基本情况,下面我们再来看看全球著名汽车制造商及其风洞中所使用的风机都有哪些。
1
通用汽车风洞风机
建成于1980年的通用汽车ESAL空气动力学风洞,其风机的叶片采用加西云杉木制成,一片叶片长度就达12英尺(约3.6米),重约1吨,由4500马力的变速直流电机驱动,测试区最高速可达222km/h。

2
奔驰汽车风洞风机
梅赛德斯-奔驰汽车于2013年投入使用的最新汽车风洞,该空气动力学风洞风机直径9m,最大功率5300kw,由18片碳纤维叶片提供高达265km/h的试验风速。

3
丰田汽车风洞风机
日本的丰田汽车在2013年也建成了其最新最先进的汽车风洞,其风机功率达到了8MW,直径为9m,也采用的碳纤维叶片。

4
中国汽研汽车风洞风机
正在建设中的中国汽研气动-声学风洞的风机功率为4000kw左右,直径9m,最高风速超过250km/h,采用18片碳纤维叶片。
配图为奔驰汽车风洞风机

CAERI 视点
风机系统对于汽车风洞而言就是其心脏,如果风机罢工了,整个风洞都将无法运行。风机系统甚至决定了一个风洞项目的技术水平高低,它是风洞先进性的体现。

重庆中国汽研正在新建的两座汽车风洞采用了两台世界一流水平的轴流式风机系统,具备超高的控制精度和效率,可为汽车风洞试验提供最佳的模拟环境。欢迎大家在2018年风洞建成之后来重庆来吹风,感受一下“人造飓风”的魅力!

*本文图片来自网络

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