第八章汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)1

1、第八章 汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)必要性：模型實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)階段必不可少的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解設(shè)計(jì)車(chē)型的氣動(dòng)力性能，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，完善設(shè)計(jì)，實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)是了解產(chǎn)品空氣動(dòng)力性能，是改進(jìn)產(chǎn)品性能的重要一環(huán)。 81 汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)的重要性和重要試驗(yàn)內(nèi)容 一、重要性和發(fā)展簡(jiǎn)況1、重要性：A、實(shí)車(chē)道路試驗(yàn) 可使產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用條件下得到考核對(duì)應(yīng)了解汽車(chē)性能必不可少，但試驗(yàn)存在許多問(wèn)題：a、道路條件：需要專(zhuān)用的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)地路面條件不同，輪胎的滾動(dòng)阻力不同。b、風(fēng)速風(fēng)向：當(dāng)不同時(shí)對(duì)的影響也不同。c、儀器的精度受影響（裝載振動(dòng)）。d、油耗試驗(yàn)還受天氣條件的影響。 B、風(fēng)洞試驗(yàn)a、在汽車(chē)設(shè)計(jì)階段還沒(méi)有汽車(chē)，必須依靠汽車(chē)的模型試驗(yàn)，了解設(shè)計(jì)效

2、果。b、計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)還只局限于形狀規(guī)則的轎車(chē)，對(duì)于貨車(chē)和客車(chē)還難以用計(jì)算的方法了解汽車(chē)的氣動(dòng)性能，必須依靠風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)揭示新的氣動(dòng)現(xiàn)象，推動(dòng)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。2、發(fā)展簡(jiǎn)況A、國(guó)外 一九六十年代之前，汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)均是在航空風(fēng)洞中進(jìn)行的，七十年代之后，世界各大汽車(chē)公司都相繼建立了自己的汽車(chē)專(zhuān)用風(fēng)洞，這些風(fēng)洞不僅可以測(cè)量氣動(dòng)力，而且還可以模擬各種自然環(huán)境，可以調(diào)節(jié)溫度濕度等參量，可最大限度地滿(mǎn)足汽車(chē)性能試驗(yàn)方面的試驗(yàn)要求。國(guó)內(nèi) 在我國(guó)汽車(chē)空氣動(dòng)力性能的研究起步較晚，至 今尚無(wú)一座汽車(chē)專(zhuān)用風(fēng)洞，試驗(yàn)多在航空風(fēng)洞中進(jìn)行。 a、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心從80年開(kāi)始即致力于汽車(chē)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，至今其

3、試驗(yàn)技術(shù)在各個(gè)方面都取得了大的進(jìn)展。氣動(dòng)力測(cè)量、流場(chǎng)顯示、測(cè)壓、渦流積分阻力等。b、南航、北京空氣動(dòng)力學(xué)研究所，西安公路學(xué)院、江蘇理工大學(xué)、山東大學(xué)等單位均進(jìn)行過(guò)模型試驗(yàn)。 以上研究均取得了好的效果，目前在國(guó)內(nèi)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究不僅受到空氣動(dòng)力學(xué)界的重視，汽車(chē)廠家也愈來(lái)愈重視，一些有識(shí)之士呼吁汽車(chē)廠家必須建立自己的汽車(chē)風(fēng)洞。 二、汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)的主要內(nèi)容1、氣動(dòng)力與穩(wěn)定性，通過(guò)試驗(yàn)可以測(cè)量六個(gè)分量 X Y Z MX MY MZ為改善汽車(chē)穩(wěn)定性降低阻力提供數(shù)據(jù)。2、流譜A、了解汽車(chē)表面氣流的流動(dòng)特性，對(duì)氣動(dòng)力的分析起輔助作用。B、為汽車(chē)其他部分的設(shè)計(jì)提供參考，如發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣、冷卻、通風(fēng)等。3、

4、環(huán)境模擬 模擬項(xiàng)目 日照條件 氣候 400600C 結(jié)冰、噴濺、揚(yáng)塵。 4、內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)究 進(jìn)排氣口的開(kāi)設(shè)部位項(xiàng)目 駕駛室的散熱通風(fēng)空調(diào) 需模擬日照、溫度、濕度。發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車(chē)裝置的冷卻，要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣格柵處和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)。5、刮雨器的風(fēng)洞試驗(yàn)究 在風(fēng)洞中試驗(yàn)可以對(duì)刮雨器的桿臂支撐力、浮起情況、刮靜變化、殘余水量進(jìn)行試驗(yàn)。方法如圖82。6、氣動(dòng)噪聲試驗(yàn) 通過(guò)試驗(yàn)可以弄清噪聲發(fā)生的部位，噪聲特性，通過(guò)試驗(yàn)了解汽車(chē)表面旋渦的發(fā)生情況，采用流線(xiàn)型外殼的測(cè)量?jī)x器，如圖83所示。7、其他（1）熱負(fù)荷試驗(yàn) 檢驗(yàn)受熱源作用受 損情況（2）氣密性試驗(yàn) 進(jìn)排氣口的泄漏情 況（3）客艙內(nèi)的污染（4）風(fēng)

5、檔玻璃的受力變形（5）風(fēng)顫試驗(yàn) （6）顫抖試驗(yàn) 渦流誘發(fā)的振動(dòng)。 82 風(fēng)洞構(gòu)造及其分類(lèi)一、風(fēng)洞的構(gòu)造形式（一）開(kāi)路式風(fēng)洞直流式風(fēng)洞如圖841、定義 直接從大氣中吸入空氣，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)段后又排入大氣。2、優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn) 構(gòu)造簡(jiǎn)單 成本低占地少、不需抽吸發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣裝置。 缺點(diǎn) 流場(chǎng)的品質(zhì)相對(duì)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(chóng)、飛鳥(niǎo)等、運(yùn)行成本高。 （二）回路式風(fēng)洞（回流式風(fēng)洞） 1、定義 氣流在洞體形成的封閉回路中運(yùn)行，如圖85所示。2、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：噪聲小、能耗小、不受外界的影響、流場(chǎng)品質(zhì)好、運(yùn)行成本低。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、占地面積大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)時(shí)有溫

6、升。 二、風(fēng)洞洞體的組成部分（一）試驗(yàn)段1、放置實(shí)車(chē)或者模型的部位。2、考核指標(biāo) 尺寸大?。汉饬匡L(fēng)洞大小的指標(biāo) 流場(chǎng)：方向、均勻性截面不同點(diǎn)上速度大小偏差、穩(wěn)定性不同時(shí)刻的速度偏差紊流度、軸向靜壓梯度。3、堵塞比模型或?qū)嵻?chē)的迎風(fēng)面積/試驗(yàn)段截面積飛行器試驗(yàn)要求不大于5，汽車(chē)試驗(yàn)可適當(dāng)放寬。 3、試驗(yàn)段分類(lèi)如圖86所示開(kāi)口試驗(yàn)段：試驗(yàn)段全部或部分向外界開(kāi)放優(yōu)點(diǎn)：氣流可以自由向周?chē)鷶U(kuò)散，堵塞效應(yīng)小，軸向靜壓梯度小，模型或?qū)嵻?chē)安裝方便。缺點(diǎn)：有能量損失，噪音大，試驗(yàn)段可利用長(zhǎng)度小。閉口試驗(yàn)段：試驗(yàn)段全部封閉優(yōu)點(diǎn)：能量損失小、噪音小、試驗(yàn)段可利用長(zhǎng)度大。缺點(diǎn)：對(duì)堵塞敏感、易造成洞體上和試驗(yàn)件上附面層分

7、離，特別是有橫擺角時(shí)、軸向靜壓梯度大。 流線(xiàn)型試驗(yàn)段風(fēng)洞 模型附近按模型的外部形狀設(shè)計(jì)成流線(xiàn)型，使流通截面積增大，避免發(fā)生分離的可能性。優(yōu)點(diǎn)：同閉口又避免了堵塞敏感的問(wèn)題，堵塞比可達(dá)20%缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)制造有一定的難度，必須配合模型進(jìn)行，應(yīng)用受局限。開(kāi)槽試驗(yàn)段 在試驗(yàn)段側(cè)壁上開(kāi)設(shè)一定數(shù)量的條形槽 優(yōu)點(diǎn)：具有開(kāi)閉口的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，堵塞比和洞體干擾小。 缺點(diǎn)：必須根據(jù)模型的大小選擇開(kāi)閉比的大小，設(shè)計(jì)制造難度大。 （二）擴(kuò)散段 沿流動(dòng)方向截面積擴(kuò)大 功能：降低氣流速度，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，降低能量損失。 注意：擴(kuò)張角不宜太大，過(guò)大可能產(chǎn)生分離，但過(guò)小又降低其作用。（三）動(dòng)力段：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇構(gòu)成，前后有

8、整流罩。 功能：產(chǎn)生一定的風(fēng)速，風(fēng)速調(diào)整改變轉(zhuǎn)速、改變漿葉角。（四）收縮段 功能：使氣流加速，使其達(dá)到試驗(yàn)段所要求的風(fēng)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(jìn)口面積/出口面積（五）其他裝置a、回流段 形成回路 b、導(dǎo)流片 平順轉(zhuǎn)彎b、穩(wěn)定段 穩(wěn)定進(jìn)入收縮段的氣流 C、蜂窩器 阻尼網(wǎng)減小脈動(dòng)，使之趨于平直、減小紊流度。 三、汽車(chē)風(fēng)洞的分類(lèi)（一）大型1:1風(fēng)洞特點(diǎn)：試驗(yàn)段截面積36m以上用途：實(shí)車(chē)或者1:1模型試驗(yàn)，校核小型風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)：1、很好的考核外形對(duì)氣動(dòng)力的影響 2、 3、堵塞比小，不必進(jìn)行修正。缺點(diǎn)：試驗(yàn)運(yùn)行成本高，建設(shè)費(fèi)用高。（二）小型1:1

9、風(fēng)洞特點(diǎn)：10 m左右用途：1:1模型或者縮比模型優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)條件設(shè)定較好的情況下，可以得到與大型風(fēng)洞同樣精度的結(jié)果，運(yùn)行成本低。缺點(diǎn)：洞壁干擾必須進(jìn)行修正，必須考慮雷諾數(shù)的問(wèn)題。 eeRR （三）模型風(fēng)洞 特點(diǎn)：1幾個(gè)m2 用途：模型試驗(yàn) 缺點(diǎn)：結(jié)果必須進(jìn)行修正 優(yōu)點(diǎn)：在汽車(chē)設(shè)計(jì)階段必不可少，使用方便、費(fèi)用低。（四）氣候風(fēng)洞 特點(diǎn)：1012 m 溫度可調(diào) 用途：汽車(chē)的散熱通風(fēng)試驗(yàn)，動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)等 缺點(diǎn)：修正和校正（五）氣候空調(diào)室 特點(diǎn)：5 m左右，可以調(diào)節(jié)溫度和濕度 用途：汽車(chē)空調(diào)方面的試驗(yàn)。 需要進(jìn)行修正。 83 氣動(dòng)力天平和試驗(yàn)地板一、氣動(dòng)力天平分類(lèi)1、按天平的作用原理分 機(jī)械天平：利用杠桿

10、理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。 優(yōu)點(diǎn)：精度高、抗外界干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：尺寸大、安裝不方便、特別是小型風(fēng)洞受 試驗(yàn)段尺寸的限制。 應(yīng)變式天平：用電阻應(yīng)變片貼在受力元件上感受力，并將其轉(zhuǎn)變成電訊號(hào)輸出，從而完成測(cè)量。 優(yōu)點(diǎn)：安裝測(cè)量方便，尺寸小 缺點(diǎn)：抗干擾能力差。 2、按安裝方式分 內(nèi)式天平 受力元件安裝在模型的內(nèi)部的稱(chēng)為內(nèi)式天平，用于測(cè)量模型某一部分的受力情況。 外式天平 安裝于汽車(chē)或模型的外部，用于測(cè)量汽車(chē)整體或部分的氣動(dòng)力的天平。3、按天平的構(gòu)造形式分 合式天平 外形象一箱體故稱(chēng)為合式天平，多用于實(shí)車(chē)或大型模型的測(cè)量。 桿式天平 構(gòu)造象一根桿子，故稱(chēng)為桿式天平，用于測(cè)量小尺寸模型或活動(dòng)地板上的

11、模型氣動(dòng)力。4、幾種天平的安裝方式如圖87所示。二、轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)用于測(cè)量汽車(chē)在橫擺狀態(tài)下的氣動(dòng)特性，汽車(chē)或模型放置于轉(zhuǎn)盤(pán)之上，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生角。構(gòu)造如圖88所示，裝有1/4轉(zhuǎn)盤(pán)和偏心輪，用于調(diào)節(jié)輪距和軸距。 二、地面效應(yīng)的模擬為什么要裝地板 裝地板后出現(xiàn)的問(wèn)題邊界層1、活動(dòng)地板 如圖89所示 優(yōu)點(diǎn)：利用皮帶速度和氣流相對(duì)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(diǎn)：技術(shù)復(fù)雜、體積大、造價(jià)高、皮帶產(chǎn)生振動(dòng)等，應(yīng)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(chē)底部的流量，產(chǎn)生一定程度的壅塞，對(duì)汽車(chē)底部的壓強(qiáng)分布產(chǎn)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(chǎn)生好的效果。間隙的大?。寒?dāng) 不必設(shè)置間隙，間隙的大小一般為流體單獨(dú)繞流平板時(shí)的附面層的排擠厚度，（ 邊界層的排擠厚度；h汽車(chē)底部離地間隙。） 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) %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(nèi)部的氣流速度，以減小或消除邊界層的影響，但需要高壓儲(chǔ)氣室，龐大、復(fù)雜。荷蘭的DNW風(fēng)洞就是采用的該方法。吸氣地板：在試驗(yàn)區(qū)前開(kāi)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(shù)要求低，易實(shí)現(xiàn)，不需大的高壓儲(chǔ)氣室。北京空氣動(dòng)力學(xué)研究所33風(fēng)洞就是采用的這一方法。 （3

13、）V字形繞流板 構(gòu)造：V字形夾角700的板，尖角朝向來(lái)流方向，靠繞流板后的旋渦加大附面層內(nèi)的流速，使附面層減薄。缺點(diǎn)：兩側(cè)產(chǎn)生較大的螺旋流對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；繞流板對(duì)于氣流的阻礙在一定程度上改變著汽車(chē)底部的流場(chǎng)。 （4）改善地板的前緣設(shè)計(jì) 如圖814所示在銳邊的前緣處設(shè)計(jì)一小型機(jī)翼，依靠翼形和前緣形成的間隙，形成對(duì)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?qū)嵻?chē)的寬度；后部46倍的寬度；寬度不小于汽車(chē)或模型的2倍的寬度。 3、鏡象法用兩個(gè)完全相同的模型對(duì)稱(chēng)放置，不僅模型上表面的流場(chǎng)對(duì)稱(chēng)，模型底部也形成一對(duì)稱(chēng)

14、流場(chǎng)，有一自由流線(xiàn)，相當(dāng)于地板，不產(chǎn)生邊界層。這種方法不需要地板，但僅適用于模型試驗(yàn)。 84 壓強(qiáng)測(cè)量和流場(chǎng)顯示意義：對(duì)于氣動(dòng)力結(jié)果進(jìn)行輔助分析，確定進(jìn)排氣孔部位的確定等。一、壓強(qiáng)測(cè)量模型表面的壓強(qiáng)測(cè)量，需開(kāi)設(shè)靜壓孔，在內(nèi)部埋設(shè)靜壓管。通過(guò)多管壓力計(jì)或傳感器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)車(chē)表面的壓強(qiáng)測(cè)量，用模片式壓力傳感器，貼在汽車(chē)的表面上，進(jìn)行遙控測(cè)量。 二、流場(chǎng)顯示1、表面流態(tài)顯示 a、絲線(xiàn)法：用絲線(xiàn)粘貼于車(chē)身表面，另一端隨氣流自由擺動(dòng)，通過(guò)照相等方法記錄，簡(jiǎn)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(chē)或者模型表面涂以有顏料的油劑，吹風(fēng)后觀察顏料的條紋沉積，可以據(jù)此判斷表面對(duì)流動(dòng)情況

15、，分離線(xiàn)和再附著線(xiàn)。 c、升華法原理：根據(jù)層流和紊流附面層升華速度不同，來(lái)判別附面層的流態(tài)，附面層轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的位置。 2、流線(xiàn)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(chǎng)的剖面，常用于觀察尾流1、煙屏法 用片光源觀察流場(chǎng)的剖面，照相記錄。2、網(wǎng)格絲線(xiàn)法 如圖823。3、用七孔探針測(cè)量。 85 汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題一、雷諾數(shù)1、試驗(yàn)應(yīng)使實(shí)物上的雷諾數(shù)和模型上的雷諾數(shù)相等。2、自動(dòng)?；瘏^(qū) 當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，阻力系數(shù)不再隨雷諾數(shù)變化，這一區(qū)域稱(chēng)為自動(dòng)?；瘏^(qū)。汽車(chē)試驗(yàn)只需進(jìn)入自動(dòng)?；瘏^(qū)即可。如圖825所示。3

16、、增大雷諾數(shù)受到限制，風(fēng)速增大 風(fēng)洞風(fēng)速受到限制 L增大 實(shí)驗(yàn)段尺度受到限制。4、增大紊流度使附面層提前轉(zhuǎn)捩，使低雷諾數(shù)的流場(chǎng)和低紊流度、高雷諾數(shù)下流場(chǎng)相似。 二、模型尺寸和試驗(yàn)段尺寸1、堵塞比 閉口 速度增大， 阻力系數(shù)增大A、影響 開(kāi)口 速度減小 阻力系數(shù)減小對(duì)堵塞比的要求說(shuō)法不一：美國(guó)： 日本：巖本羲明 3.8%12.5% 氣動(dòng)阻力系數(shù)僅增大3%。北京大學(xué)：長(zhǎng)方體試驗(yàn)2%15% 氣動(dòng)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(fēng)洞）如圖826 式中：A模型或?qū)嵻?chē)的迎風(fēng)面積 C風(fēng)洞試驗(yàn)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(kāi)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?qū)嵻?chē)的寬、高； B0、H0風(fēng)洞試驗(yàn)段的寬、高。 2、模型長(zhǎng)度和試驗(yàn)段長(zhǎng)度飛行器：要求模型或者實(shí)物的長(zhǎng)度要小于 實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度的50%汽車(chē)有人試驗(yàn)到90%時(shí)還認(rèn)為影響很小。 rrXrrXHdHdCBdBdCCxCxBBBr10HHHr10三、軸向靜壓梯度 -軸向靜壓梯度 L汽車(chē)長(zhǎng)度。四、風(fēng)洞和道路試驗(yàn)結(jié)果的差異如圖827 氣動(dòng)阻力（道路）(風(fēng)洞) 氣動(dòng)升力 (道路)(風(fēng)洞) 后輪升力 (道路)(風(fēng)洞)(后) 前輪升力 (風(fēng)洞)(道路)（前） dCdCPXXPdCdCCxCx86 汽車(chē)模型 模型的重要性 空氣動(dòng)力學(xué) 人體工程學(xué) 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(xì)、隨溫