第八章--汽车风洞试验1

第八章汽车风洞试验必要性：模型实验是设计阶段必不可少的，通过实验了解设计车型的气动力性能，对设计进行改进，完善设计，实车实验是了解产品空气动力性能，是改进产品性能的重要一环。§8－1汽车风洞试验的重要性和重要试验内容一、重要性和发展简况1、重要性：A、实车道路试验可使产品在实际应用条件下得到考核对应了解汽车性能必不可少，但试验存在许多问题：a、道路条件：需要专用的汽车试验场地路面条件不同，轮胎的滚动阻力不同。b、风速风向：当不同时对的影响也不同。c、仪器的精度受影响（装载振动）。d、油耗试验还受天气条件的影响。B、风洞试验a、在汽车设计阶段还没有汽车，必须依靠汽车的模型试验，了解设计效果。b、计算空气动力学还只局限于形状规则的轿车，对于货车和客车还难以用计算的方法了解汽车的气动性能，必须依靠风洞试验。风洞试验揭示新的气动现象，推动汽车空气动力学的发展。2、发展简况A、国外一九六十年代之前，汽车风洞试验均是在航空风洞中进行的，七十年代之后，世界各大汽车公司都相继建立了自己的汽车专用风洞，这些风洞不仅可以测量气动力，而且还可以模拟各种自然环境，可以调节温度湿度等参量，可最大限度地满足汽车性能试验方面的试验要求。国内在我国汽车空气动力性能的研究起步较晚，至今尚无一座汽车专用风洞，试验多在航空风洞中进行。a、中国空气动力研究与发展中心从80年开始即致力于汽车实车试验，至今其试验技术在各个方面都取得了大的进展。气动力测量、流场显示、测压、涡流积分阻力等。b、南航、北京空气动力学研究所，西安公路学院、江苏理工大学、山东大学等单位均进行过模型试验。以上研究均取得了好的效果，目前在国内汽车空气动力学的研究不仅受到空气动力学界的重视，汽车厂家也愈来愈重视，一些有识之士呼吁汽车厂家必须建立自己的汽车风洞。二、汽车风洞试验的主要内容1、气动力与稳定性，通过试验可以测量六个分量XYZMXMYMZ为改善汽车稳定性降低阻力提供数据。2、流谱A、了解汽车表面气流的流动特性，对气动力的分析起辅助作用。B、为汽车其他部分的设计提供参考，如发动机、进排气、冷却、通风等。3、环境模拟模拟项目日照条件气候－400～600C结冰、喷溅、扬尘。4、内流空气动力学的试验究进排气口的开设部位项目驾驶室的散热通风空调需模拟日照、温度、湿度。发动机和刹车装置的冷却，要模拟发动机进气格栅处和发动机舱内的流动。5、刮雨器的风洞试验究在风洞中试验可以对刮雨器的杆臂支撑力、浮起情况、刮静变化、残余水量进行试验。方法如图8－2。6、气动噪声试验通过试验可以弄清噪声发生的部位，噪声特性，通过试验了解汽车表面旋涡的发生情况，采用流线型外壳的测量仪器，如图8－3所示。7、其他（1）热负荷试验检验受热源作用受损情况（2）气密性试验进排气口的泄漏情况（3）客舱内的污染（4）风档玻璃的受力变形（5）风颤试验（6）颤抖试验涡流诱发的振动。§8－2风洞构造及其分类一、风洞的构造形式（一）开路式风洞───直流式风洞如图8－41、定义直接从大气中吸入空气，经过试验段后又排入大气。2、优缺点：优点构造简单成本低占地少、不需抽吸发动机的废气装置。缺点流场的品质相对较差、噪声大、能量消耗大、易受天气的影响，易混入尘土和其他污染物，如昆虫、飞鸟等、运行成本高。（二）回路式风洞──（回流式风洞）1、定义气流在洞体形成的封闭回路中运行，如图8－5所示。2、优缺点优点：噪声小、能耗小、不受外界的影响、流场品质好、运行成本低。缺点：结构复杂、制造成本高、占地面积大、运行时间长时有温升。二、风洞洞体的组成部分（一）试验段1、放置实车或者模型的部位。2、考核指标尺寸大小：衡量风洞大小的指标流场：方向、均匀性──截面不同点上速度大小偏差、稳定性───不同时刻的速度偏差紊流度、轴向静压梯度。3、堵塞比──模型或实车的迎风面积/试验段截面积飞行器试验要求不大于5％，汽车试验可适当放宽。3、试验段分类如图8－6所示①开口试验段：试验段全部或部分向外界开放优点：气流可以自由向周围扩散，堵塞效应小，轴向静压梯度小，模型或实车安装方便。缺点：有能量损失，噪音大，试验段可利用长度小。②闭口试验段：试验段全部封闭优点：能量损失小、噪音小、试验段可利用长度大。缺点：对堵塞敏感、易造成洞体上和试验件上附面层分离，特别是有横摆角时、轴向静压梯度大。③流线型试验段风洞模型附近按模型的外部形状设计成流线型，使流通截面积增大，避免发生分离的可能性。优点：同闭口又避免了堵塞敏感的问题，堵塞比可达20%缺点：设计制造有一定的难度，必须配合模型进行，应用受局限。④开槽试验段在试验段侧壁上开设一定数量的条形槽优点：具有开闭口的大多数优点，堵塞比和洞体干扰小。缺点：必须根据模型的大小选择开闭比的大小，设计制造难度大。（二）扩散段沿流动方向截面积扩大功能：降低气流速度，将动能转化为压力能，降低能量损失。注意：扩张角不宜太大，过大可能产生分离，但过小又降低其作用。（三）动力段：由电动机带动风扇构成，前后有整流罩。功能：产生一定的风速，风速调整──改变转速、改变浆叶角。（四）收缩段功能：使气流加速，使其达到试验段所要求的风速要求：不出现分离，出口气流平直、均匀、稳定。收缩比有一定的要求，收缩比──进口面积/出口面积（五）其他装置a、回流段形成回路b、导流片──平顺转弯b、稳定段稳定进入收缩段的气流C、蜂窝器阻尼网──减小脉动，使之趋于平直、减小紊流度。三、汽车风洞的分类（一）大型1:1风洞特点：试验段截面积36m以上用途：实车或者1:1模型试验，校核小型风洞的试验结果。优点：1、很好的考核外形对气动力的影响2、3、堵塞比小，不必进行修正。缺点：试验运行成本高，建设费用高。（二）小型1:1风洞特点：10m左右用途：1:1模型或者缩比模型优点：试验条件设定较好的情况下，可以得到与大型风洞同样精度的结果，运行成本低。缺点：洞壁干扰必须进行修正，必须考虑雷诺数的问题。'eeRR（三）模型风洞特点：1～几个m2用途：模型试验缺点：结果必须进行修正优点：在汽车设计阶段必不可少，使用方便、费用低。（四）气候风洞特点：10～12m温度可调用途：汽车的散热通风试验，动力学试验等缺点：修正和校正（五）气候空调室特点：5m左右，可以调节温度和湿度用途：汽车空调方面的试验。需要进行修正。§8－3气动力天平和试验地板一、气动力天平分类1、按天平的作用原理分机械天平：利用杠杆理论进行设计。优点：精度高、抗外界干扰能力强、性能稳定。缺点：尺寸大、安装不方便、特别是小型风洞受试验段尺寸的限制。应变式天平：用电阻应变片贴在受力元件上感受力，并将其转变成电讯号输出，从而完成测量。优点：安装测量方便，尺寸小缺点：抗干扰能力差。2、按安装方式分内式天平受力元件安装在模型的内部的称为内式天平，用于测量模型某一部分的受力情况。外式天平安装于汽车或模型的外部，用于测量汽车整体或部分的气动力的天平。3、按天平的构造形式分合式天平外形象一箱体故称为合式天平，多用于实车或大型模型的测量。杆式天平构造象一根杆子，故称为杆式天平，用于测量小尺寸模型或活动地板上的模型气动力。4、几种天平的安装方式如图8－7所示。二、转盘系统用于测量汽车在横摆状态下的气动特性，汽车或模型放置于转盘之上，转动时产生角。构造如图8－8所示，装有1/4转盘和偏心轮，用于调节轮距和轴距。二、地面效应的模拟为什么要装地板装地板后出现的问题───边界层1、活动地板如图8－9所示优点：利用皮带速度和气流相对速度为零的方法，消除边界层。可最大限度的减小边界层的影响。缺点：技术复杂、体积大、造价高、皮带产生振动等，应用较少。2、固定地板常采用以下措施消除边界层的影响（1）间隙法原理：地板附面层的存在，改变了汽车底部的流量，产生一定程度的壅塞，对汽车底部的压强分布产生影响，若额外增加一间隙，减轻或消除附面层的影响，可产生好的效果。间隙的大小：当不必设置间隙，间隙的大小一般为流体单独绕流平板时的附面层的排挤厚度，（－边界层的排挤厚度；h──汽车底部离地间隙。）当时当时%5.8*****5137.0exxR101067Re8/*871010eR9/*（2）吸气地板和吹气地板吹气地板：原理－增大边界层内部的气流速度，以减小或消除边界层的影响，但需要高压储气室，庞大、复杂。荷兰的DNW风洞就是采用的该方法。吸气地板：在试验区前开孔或条形槽，用抽气泵抽其抽气，以减薄附面层，这种地板较吹气地板技术要求低，易实现，不需大的高压储气室。北京空气动力学研究所3×3风洞就是采用的这一方法。（3）V字形绕流板构造：V字形夹角700的板，尖角朝向来流方向，靠绕流板后的旋涡加大附面层内的流速，使附面层减薄。缺点：两侧产生较大的螺旋流对测量结果产生一定的影响；绕流板对于气流的阻碍在一定程度上改变着汽车底部的流场。（4）改善地板的前缘设计如图8－14所示在锐边的前缘处设计一小型机翼，依靠翼形和前缘形成的间隙，形成对气流的抽吸作用，使附面层减薄。日本岩本羲明就是采用的这一方法，使边界层厚度下降70%（中部）。（5）地板尺寸前部不小于模型或实车的宽度；后部4～6倍的宽度；宽度不小于汽车或模型的2倍的宽度。3、镜象法用两个完全相同的模型对称放置，不仅模型上表面的流场对称，模型底部也形成一对称流场，有一自由流线，相当于地板，不产生边界层。这种方法不需要地板，但仅适用于模型试验。§8－4压强测量和流场显示意义：对于气动力结果进行辅助分析，确定进排气孔部位的确定等。一、压强测量模型表面的压强测量，需开设静压孔，在内部埋设静压管。通过多管压力计或传感器进行测量。实车表面的压强测量，用模片式压力传感器，贴在汽车的表面上，进行遥控测量。二、流场显示1、表面流态显示a、丝线法：用丝线粘贴于车身表面，另一端随气流自由摆动，通过照相等方法记录，简便易行。另外还有荧光微丝法等。如图8-17所示。b、油流法在汽车或者模型表面涂以有颜料的油剂，吹风后观察颜料的条纹沉积，可以据此判断表面对流动情况，分离线和再附着线。c、升华法原理：根据层流和紊流附面层升华速度不同，来判别附面层的流态，附面层转捩点的位置。2、流线显示烟流显示：利用烟雾发生器发出的烟流观察，发生器如图8－19所示。（图8－20图8－21）核气泡法：图8－22三、平面流态显示观察流场的剖面，常用于观察尾流1、烟屏法用片光源观察流场的剖面，照相记录。2、网格丝线法如图8－23。3、用七孔探针测量。§8－5汽车风洞试验的几个技术问题一、雷诺数1、试验应使实物上的雷诺数和模型上的雷诺数相等。2、自动模化区当达到某一数值时，阻力系数不再随雷诺数变化，这一区域称为自动模化区。汽车试验只需进入自动模化区即可。如图8－25所示。3、增大雷诺数受到限制，风速增大风洞风速受到限制L增大实验段尺度受到限制。4、增大紊流度使附面层提前转捩，使低雷诺数的流场和低紊流度、高雷诺数下流场相似。二、模型尺寸和试验段尺寸1、堵塞比闭口速度增大，阻力系数增大A、影响开口速度减小阻力系数减小对堵塞比的要求说法不一：美国：日本：岩本羲明3.8%～12.5%气动阻力系数仅增大3%。北京大学：长方体试验2%～15%气动阻力系数几乎不变。10030＝宽宽＝高高’‘B、修正：（1）面积比修正法（闭口风洞）如图8－26式中：A—模型或实车的迎风面积C－风洞试验段横截面积。式中1未修正的公式修正后修正后VCVCA()VVAC1121211122222VVACnV()nAC112()CXVAX122CXVAXnVACnXX'121222CxCx'（2）马斯开尔修正公式（修正尾涡的影响）CAmCBn1111nCCXX'(3)Bettes—Kelly修正公式式中：B1、H1模型或实车的宽、高；B0、H0风洞试验段的宽、高。2、模型长度和试验段长度飞行器：要求模型或者实物的长度要小于实验段长度的50%汽车有人试验到90%时还认为影响很小。rrXrrXHdHdCBdBdCCxCx