汽车风洞技术难点

汽车风洞技术难点

汽车风洞技术难点 篇1

世界主要风洞的结构特点及参数

摘要:风洞是空气动力学研究的重要地面试验设备，而汽车风洞是汽车和轨道交通车辆自主研发所不可缺少的重大基础设施。本文对风洞的概念、历史、结构和种类进行了介绍，并通过对世界主要汽车风洞概况的阐述来简要探讨汽车风洞在未来发展中的趋势。

关键词：风洞;风洞试验;全尺寸

一、风洞简介

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。

二、风洞历史

世界上公认的第一个风洞是英国人韦纳姆(E.Mariotte)于1869～1871年建成，并测量了物体与空气相对运动时受到的阻力。它是一个两端开口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，长3.05米（图

1、图2）。美国的莱特兄弟在他们成功地进行世界上第一次动力飞行之前，于1900年建造了一个风洞，截面40.6厘米×40～56.3千米/小时。1901年莱特兄弟建造了风速12米/秒的风洞，从而发明了世界上第一架飞机。

但真正系统建造风洞的是德国人。1907年，德国哥廷根大学建立了“哥廷根空气动力实验院”，创办者和主持人是被誉为“现代流体力学之父”的普朗特教授。在普朗克的领导下，德国于1906年建立了该国的第一个风洞，接着建立了一批低速、高速、超高速风洞，并制造出了V1和V2火箭还有世界第一个喷气发动机。

风洞的大量出现是在20世纪中叶。从上世纪60年代起，世界各大汽车公司和有关机构开始建立自己的风洞试验室，风洞开始大量的出现。到目前为止，全世界的风洞总数已经上千座，中国也已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。

图 1 图 2

三、风洞种类及结构

风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小来区分，可分为低速风洞、高速风洞、亚声速风洞、跨声速风洞、超声速风洞。按其气流回路形式又可分为两种形式,一种是法国人A.-G.埃菲尔设计的直流式风洞（图3）；另一种是前文提到的普朗特教授设计的回流式风洞（图4），所以这两种风洞又被称为埃菲尔式和哥廷根式。低速风洞实验段有开口和闭口两种形式，截面形状有矩形、圆形、八角形和椭圆形等，长度视风洞类别和实验对象而定。

风洞的结构主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。洞体由能对模型进行必要测量和观察的实验段，位于实验段上游的稳定段、使气流加速到所需流速的收缩段或喷管，及位于下游的扩压段和将气流引向风洞外的排出段或回流段组成。驱动系统主要用来维持管道内稳定的流动，可分为多在低速风洞中使用的连续式风洞和多用于跨声速、超声速的暂冲式风洞（图5）；测量控制系统的作用是按预定的实验程序，控制各种阀门、活动部件、模型状态和仪器仪表，并通过天平、压力和温亚音速、跨音速、超音速风洞亚音速、跨音速、超音速风洞度等传感器，测量气流参量、模型状态和有关的物理量。由于各部分的形式因风洞类型而不同。

图3

直流式风洞

图4

回流式风洞

图5

暂冲式风洞

四、世界汽车风洞概况

汽车风洞有模型风洞、气候风洞和实车风洞等，模型风洞较实车风洞小很多，其投资及使用成本也相对小些。在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行试验，其试验精度也相对低些。气候风洞主要是模拟气候环境，用来测定汽车的一般性能(如空洞性能等)的风洞。实车风洞则很大，建设费用及使用费用极高。

全世界用于汽车空气动力学研究的风洞有50多座，主要分布在欧、美、日等国。目前德国奥迪公司的汽车风洞、德国斯图加特大学的汽车风洞和美国戴姆勒克莱斯勒公司的汽车风洞、美国通用汽车的风洞被业内称为“四大地面交通风洞”。其中，全世界有近30座可用于全尺寸汽车试验的风洞。国内目前有绵阳气动中心的8m×6m风洞与2009年上海同济大学建成的整车全尺寸风洞能够进行汽车全尺寸风洞试验。

1、德国奔驰汽车公司风洞

1976年奔驰公司改建成全尺寸现代化汽车风洞（图6），驱动风扇的电机功率高达4000千瓦，其风扇直径达8.5米，风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270千米/小时。成为当时世界上最先进的汽车风洞。

其后位于德国辛德尔芬根新建的梅赛德斯-奔驰风洞实验室，造价约为5200万欧元，拥有极其先进的气候风洞。室内庞大的风扇能模拟出每小时265公里的飓风，以测试车辆在这种极端天气下的性能及表现。这两座风洞可模拟出摄氏零下40度至60度气温，以测试车辆的加热系统。工程师们可以制造出多达每小时2400升的降雨效果。通过控制雨量的多少甚至雨滴的大小模拟暴风雨，用以检测车辆的密封性和挡风玻璃雨刷器的工作状态是否正常。由32盏灯组成的灯光群每平方米可产生1200瓦的热量，能在8×2.5米的区域内模拟出阳光直射的效果。在极端条件下，风洞内温度可以达到60摄氏度。

图6 奔驰汽车风洞

2、德国奥迪公司汽车风洞

1999年12月，德国奥迪汽车在英戈尔斯塔特（Ingolstadt）投入巨资建设的气动声学风洞和热环境整车风洞投入使用，气动声学风洞安装有一台2600千瓦风机，每秒风量916立方米，最高测试速度235千米每小时。另一座热环境整车风洞，温度设定范围可以从零下25度达到零上55度，还可以在低温或者极端温度下进行除水测试等气候实验、在超高速行驶、高温状况下进行引擎冷却模拟。除温度外，还可以进行降雨模拟和太阳光暴露模拟。必要的时候还可以制造降雪。

奥迪公司于2008年建成了三个气候风洞实验室，坐落在奥迪总部Ingolstadt，共花费2000万欧元，占地一万平方米以上。该风洞实验室的特别之处是其开发了世界上罕有的天气模拟器，可以模拟自然环境下的任何气候条件，从零下25摄氏度到零上55摄氏度。该实验室通过240万瓦特的风扇可以吹出各种强劲的风，时速最高能达到300km/h。整个实验室是垂直设计，中间的测试区域仅有10米长。实验室中的气流由两个角落的风扇转动产生，然后通过一个扰流装置按6:1的比例进行压缩，之后才被吹到测试区域。气流吹过测试区域后会再次被收集，返回原始的风扇处。在测试中，需要的水分也是如此，测试区域是防水的，实验过后水分都会被收集。

3、美国通用汽车公司风洞

美国通用汽车公司拥有业界最大的风洞，它每天24小时、每周7天不停运转。它是一个长988英尺、体积达200万立方英尺的封闭环状物。数据显示屏会告诉工程师们需要知道有关这个处于风洞心脏地带的43英尺风扇的任何信息。风洞的心脏是4500马力的变速DC电动机，可使六个叶片的风扇的转速达到270 rpm。这台风扇有六个叶片，每个叶片重1吨，高12英尺，用西加云杉(Sitka spruce)薄片制成。西加云杉薄片全都是根据高比刚度精选出来的。当电动机的转速达到最大的时候，叶片最高速度达到每小时415英里，它可以生成每小时速度达到138英里的大风。处于风洞口的气流作用筛有助于空气在流入半消声测试室之前对其进行处理。就在筛子的前面，由175个铝制叶片组成的热传导装置可以将空气温度保持在72华氏度。

4、德国宝马汽车公司风洞

2009年建成的宝马空气动力学测试中心(图7-a)位于慕尼黑附近，这个中心的风洞是宝马建立的第二个风洞试验中心（第一个风洞试验中心位于德国的Aschheim），花费了3年时间投资1.7亿欧元建成，占地25,000平方公尺，可供500名员工工作。气动测试中心最重要的设备，莫过于风洞的设置。宝马空管安装了2组风洞，均能产生时速300公里的气流，均是目前最先进的风洞设备。每个风洞均分成试验区域和送风区域，试验区域类似一个长方形（图7-b），长20米，款宽11米，高15米，中间有一个直径10米的转盘，通过这个转盘就可以让被测试的车辆改变姿态以进行各种测试。而送风区域类似“口”字型，送风的出口和收集风的入口被做成长方形，并且出风口和送风口可以根据需要对出入口的面积进行更改，而在送风口后面风被再次“拔高”到20多米，并且通过四个风向转移口来让产生的风吹到指定的方向。风洞中的风机转速有250-300转/每分钟，而能产生较快风速的原因完全依靠改变出风和送风口的面积而使空气产生挤压而造成的。风洞的风道并不完全是圆形的，在主要风道上设计是圆形的，但是在风的出口和入口则需要变成方形，而从圆形便到方形这种建造技术需要很高很精准的技术。

(a)

(b)

图7 宝马汽车公司风洞

宝马的两组风洞分别为能进行实车测试的全尺寸风洞和测试模型的风洞。全尺寸风洞有超过5种不同的滚动路面，以模拟各式路面行驶下，车辆空气力学的表现。模型风洞内有各种机械辅具，能让模型在风洞内的各个方向移动，模拟车辆各种不同的行驶状况，并有着全球风洞内最大的滚动路面，让各种行驶的模拟可以更逼真，以取得更佳的测试结果。

5、中国同济大学汽车风洞

上海地面交通工具风洞中心(图8)位于同济大学嘉定校区，占地面积约213亩，总建筑面积21095平方米，建成后的风洞在噪音控制、地面模拟、空气动力测量精度、环境模拟等关键技术指标上均达到世界领先的水平，并拥有风洞项目的全部自主知识产权。

上海地面交通工具风洞中心试验室包括一座空气动力学—气动声学风洞(AAWT)、一座热环境风洞(CWT)、一个具有气压模拟的汽车整车冷启动舱以及四个供客户使用的试验准备间，其中气动声学整车风洞与热环境整车风洞均为国内首座。客户可以通过斜坡或者车辆电梯把试验车辆送入风洞试验室。

图8 上海地面交通工具中心实验区楼面平面图

气动—声学整车风洞主要用于车辆气动力性能测试、气动声学测试和低噪声优化设计。气动—声学风洞装备了最先进的天平和5带移动路面系统，最大风速达到250公里/小时，依靠特殊的低噪声风机系统和复杂的声学处理技术，试验段背景噪音水平在160公里/小时风速下低于61dBA，是目前国际上同等规模汽车风洞中最安静的一座。风洞的喷口面积达到27平方米，可进行微型轿车到中型面包车的实车试验，更大的车辆需要考虑缩比模型试验。

热环境整车风洞主要用车辆热力学测试和热环境性能评估，能模拟各种气候条件和车辆行驶工况，以实现发动机冷却系统及空调系统等的优化。热环境风洞装备了2轴四轮驱动转鼓，温度控制范围为－20℃～＋55℃，相对湿度控制范围为0%-95%。该实验室设有7-14平方米可变大小喷口，安装有一台1600千瓦风机，叶轮直径4米，总重量24吨，每分钟转速740转，每秒风量为390立方米，试验最大风速每小时0-200公里。试验段安装了全光谱日照模拟系统，模拟阳光每平方米300-1200瓦，为试验车辆提供太阳辐射热荷载。同时试验段安装了污染(降雨模拟)试验设备。

五、结束语

未来汽车的研制对风洞的试验模拟能力提出了更高的要求，随着消费者在安全、节能、环保、审美等各方面需求的提高，风洞试验将更加精细化、高科技化，并将有更多学科参与进来。这方面，国外大型生产型风洞试验技术的更新发展值得我们研究和借鉴。新机制、新概念、新技术将给21世纪的风洞试验领域带来前所未有的变革，必将促进汽车性能产生质的飞跃。

参考文献

[1] 傅立敏：汽车空气动力学 北京：机械工业出版社，2006 [2] 高低速风洞气动与结构设计 北京：国防工业出版社，2007 [3] 林一平：现代汽车风洞——上海地面交通工具风洞中心项目 交通与运输，2008 [4] 老车；建明：风之魔力 宝马空气动力学测试中心落成及相关知识问答 汽车知识，2009