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这是造汽车关键技术的幕后英雄

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本文选编自微信公号:汽车空气动力学,ID:Auto-Aerodynamics


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。

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。



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。



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。



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


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延伸阅读


是土豪你就来,每小时2.5万元的汽车风洞试验!


本文选编自微信公号:汽车空气动力学,ID:Auto-Aerodynamics



汽车气动-声学风洞试验号称是汽车试验中最高大上的一项试验,每小时2.5万元的试验费用,也让汽车风洞吹出的风成为了最昂贵的风。本期“汽车风洞技术”科普系列,就来为你讲下空气动力学-声学风洞中可开展的主要试验。




汽车风洞是在按照一定要求设计的管道系统内,使用动力装置驱动一股可控制的气流,根据运动的相对性和相似性原理进行空气动力学试验的设备。

在气动-声学风洞内开展气动力测量、声学测量、流场信息测量和表面压力测量等汽车空气动力学试验。

奔驰GLA在风洞试验中


气动六分力测量试验

气动六分力测量是在风洞中使用气动力天平测定汽车在某一风速下气动力变化的试验。一般在试验中会将气动力和气动力矩转化成气动力系数和气动力矩系数,以对汽车的空气动力学特性进行定量的评价。

奔驰汽车风洞气动力测量试验

在气动力测量中,气动阻力系数、气动升力系数(包括前后轴升力系数)的测量是较为重要的测试项目。它们对汽车的燃油经济性和汽车的高速行驶稳定性有较大影响。


在进行气动力测量时,一般还需要根据风洞结构尺寸和模型安装情况等进行试验结果修正。如对风洞阻塞比修正、喷口干扰修正、轴向静压梯度修正、支架干扰修正、地面边界层修正等,以尽量获得精确的试验结果。


在气动六分力测量试验中,主要的测量设备包含了测力天平、转台、移动带系统、边界层抽吸系统等。在现代汽车风洞中,这些测量设备一般都会集成在转台中。

FKFS汽车风洞天平何移动带设备

汽车风洞分布式边界层抽吸系统

在风洞中还可通过转台旋转、侧风发生器等方法开展汽车侧风稳定性的试验,研究汽车在侧风工况下的行驶稳定性。

FKFS汽车风洞中的Swing侧风发生器


声学测量试验

汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域,风噪性能成为了影响汽车驾乘体验的重要因素。

在气动-声学风洞中,主要使用人工头声学测量设备和麦克风阵列测量汽车的声学特性。以对车外气动噪声以及车外附件对车内噪声的影响进行测量分析。

人工头声学测量设备

奔驰使用麦克风阵列测量车内噪声

保时捷风洞框架式麦克风阵列

保时捷风洞麦克风阵列声学测量结果


流场信息测量试验

流场信息测量试验可分为定性的流场显示试验和定量的流场气流参数测量试验。

一、流场显示测量试验

流场显示测量试验用于观察车辆周围和表面的空气流动。主要有四种方法:丝带法、油膜法、烟流法和粒子图像测速法(PIV)。

丝带法
 
丝带法是用于观察汽车表面流动的常用方法。通过观察粘贴在车身表面上的丝带的运动状况来确定车身表面的流谱。


通常选用轻柔的绸带和细小的丝线。丝带的长度和间距根据模型部位和流场的复杂情况等确定,在流场较复杂的部位,如前侧窗附近,采用较短的丝线,间距也较小些。反之,在一些结构变化较小、流动较简单的表面上布置的丝带较长,间距也较大。


丝带法也可用于显示空间流谱。把丝带粘在模型周围用细金属丝织成的空间框架上,可以清晰地看见模型周围的气流状态,尤其是模型尾流区的气流流动情况。



油膜法
 
油膜法是将混有一定颜色的不易挥发、粘度较大的油液均匀地喷涂在汽车表面。根据油膜上的风纹可看出气流的方向和流速大小。


使用油膜法可使表面流谱图像一目了然,并可在风洞停止吹风后一段时间内保持其表面流谱。但是油易流淌,模型及风洞容易被污染。

保时捷911模型在进行油膜试验


烟流法
 
烟流法是使用烟流发生器,并由梳状管排出烟丝,观察汽车周围流场和细节流动状态的试验。烟流试验风速通常选择在10~20m/s之间。

奔驰IAA概念车在进行流场显示试验

观察尾部细节气流形态

在风洞流态显示试验中,烟流法是采用较多的试验方法,可方便快速的观察车身分离流、尾部涡流等细节部位的流场信息。


粒子图像测速法
 
粒子图像测速(Particle Image Velocimetry)技术是一种基于流场图像互相关分析的流场测量新技术,具有全场性、瞬时性、定量性、无干扰等优点,适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构。

PIV试验获得的尾流场速度信息

PIV试验现场图

粒子图像测速的基本原理是:在流场中散播示踪粒子,用脉冲激光片光源照射所测流场区域,在某一时间内,通过连续两次或多次曝光,粒子的图像被记录在CCD相机上,摄取该区域粒子图像的帧序列,并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔,进行图像相关分析,识别示踪粒子图像的位移,根据速度的定义,就可以得到流体的运动速度。

PIV测量原理示意图

二、流场气流参数测量试验

流场气流参数测量包括气流速度测量、气流方向测量、气流压力测量、气流湍流度测量等。

通常使用风速仪、热线风速仪、激光测速仪等设备进行速度测量;使用五孔探头测量气流俯仰和偏航方向。

五孔探头

在风洞中一般需要对汽车周围的边界层厚度进行测量,以便调整抽吸系统的抽吸率等参数。在测量时一般采用边界层耙进行,它是将多个风速仪,沿纵向固定在一块翼型板上。

测量边界层厚度的边界层耙


表面压力测量试验

汽车车身表面压力分布与汽车外形有着非常密切的联系,通过表面压力测量可以分析判断气动阻力、气动升力过大的根源,确定车身各部位所承受的载荷,进出风口的最佳位置,以及检查局部造型的合理性。


汽车表面压强分布测量按测量方式分一般有表面压力传感器测量和非接触式测量两种。


接触式表面压力测量
 
接触式表面压力测量一般采用皮托管或膜片式压力传感器进行。

使用皮托管测压时,需要沿模型表面法向开孔,以便将测压管埋入孔内。为了不影响试验数据,一般应尽量使孔径小,并使用砂纸打磨来保证测压孔表面光滑,避免孔周围的毛刺带来测量误差。

皮托管测压布置示意图

一般在压强变化剧烈的地方应将测压孔布置得适当密一些,压强变化平缓处则适当的稀一些。各测压孔所感受的压强通过测压管、传导管与压强测量仪器相连接,以获得车身表面压力分布。

获得的车身纵截面表面压力分布

对于表面不能钻孔的整车测压,目前大多采用片式压力传感器,这样就不需要在汽车表面打孔且方便试验数据采集处理。但是片式传感器的存在会对汽车周围的流场造成一定的干扰。

片式压力传感器


非接触表面压力测量
 
非接触表面压力测量包括激光测压装置、压敏漆测压等。

其中压敏漆测压是利用氧分子的猝灭效应测量物体表面压力变化的。采用压敏漆测压,可快速的获得整个车身表面的压力情况,克服了布置测点困难的问题;缺点是压敏漆会对风洞带来污染,并且其测量准确性还有待提高。


在气动-声学风洞试验中,对测量设备和测量位置的精确定位是非常重要的,这就需要用到移动测量系统。

目前国内还没有专业的汽车风洞移动测量系统,建设中的重庆中国汽研气动-声学风洞安装有与奔驰汽车类似的移动测量系统,将在气动-声学测量试验中发挥重要的作用。

奔驰汽车风洞移动测量系统(图中红圈处)



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