第七章汽车空气动力学试验

[e-mail]汽车空气动力学汽车空气动力学研究所胡兴军2010年4月9日汽车空气动力学试验7.1汽车空气动力学试验的重要作用7.2汽车风洞7.3汽车空气动力学试验的基本方法7.4汽车风洞试验技术7.5风洞试验测试仪器7.6流态显示试验方法7.7汽车风洞试验模型7.8空气动力学道路试验2010年4月9日7.1汽车空气动力学试验的重要作用1.从绪论中提到空气动力学是一门试验科学，许多结论都来自试验数据的分析和推理。（先有试验，后有理论，然后再通过理论指导实践）2.尽管基于流体力学的航空空气动力学对汽车空气动力学有一定的指导作用，但由于汽车周围流场存在着复杂的气流分离现象，难以象飞机那样进行模拟计算，因此汽车的空气动力学研究主要以风洞试验为基础。好处：1.通过试验揭示汽车周围复杂流场的流动本质2.验证汽车空气动力学理论分析和数值计算结果二、汽车空气动力学开发程序（设计步骤）汽车设计过程中的空气动力学程序Audi100C32010年4月9日7.2汽车风洞汽车风洞是一种按一定要求建造的管道。它利用动力装置产生可以调节的气流，能够模拟或基本模拟大气流场的状态，以供汽车进行空气动力学试验。2010年4月9日风洞发展历程1.国外风洞概况1871英国弗兰克H维纳姆（HrankH.Wenhan）建造了世界上第一座风洞。莱特兄弟(美)利用风洞发明了世界上第一架实用飞机埃菲尔（法）开口式普朗特（德）闭口回流，哥廷根空气动力研究院美国NASA（Ames），世界最大风洞，24.4m×36.6m，苏联，日本2010年4月9日2.国内风洞概况1936年，清华大学建成国内第一座风洞1958年，哈军工1978年，CARDC，亚洲最大风洞，8m×6m，12m×16m1999年，CARDC，建成具有世界规模的跨声速风洞2004年，吉林大学，国内首座汽车专用风洞2007年，同济大学，国内首个地面交通工具风洞中心……中国空气动力学的掌门人：庄逢甘2010年4月9日跨声速风洞项目获国家大奖人民网-人民日报海外版据新华社成都3月21日电(奚启新、蒲国永)我国自主设计建设的亚洲最大跨声速风洞项目日前获得国家科技进步一等奖，它标志着我国跨声速空气动力研究能力已经达到世界一流水平。我国自主设计建设的大型跨声速风洞，是我国航空航天事业实现跨越式发展的关键性基础工程，是目前亚洲最大的跨声速引射式风洞。风洞采用了当代最新技术，结构设计等主要技术达到世界先进水平，从1999年12月通气试车以来，各项性能指标稳定可靠，模拟状态更接近真实飞行条件，获取了众多空气动力学领域的创新成果，特别是对我国载人航天工程和新型武器装备研制发挥了重要作用。2010年4月9日汽车风洞分类直流式风洞（吸入式和吹出式）优点：结构简单，成本低。缺点：风扇功率大，空气温度、湿度难以保持恒定，流场品质受外界干扰。直流式风洞又称为艾菲尔式风洞返回2010年4月9日汽车风洞分类回流式（哥廷根式）风洞优点：a）风扇功率小（气流能量可以再利用）b）空气温度和湿度可以保持恒定。缺点：结构复杂，占地面积大，建造成本高返回2010年4月9日汽车风洞分类按照试验段的型式闭式半开式开式半开式（槽壁式）开式闭式闭式2010年4月9日表征风洞特征的基本参数试验段的最大气流速度试验段的横截面积试验段流场性能（风速均匀性，紊流度等）2010年4月9日世界主要风洞参数表厂家（国）启用年份风洞类别收缩比最大风速km/h试验段面积/m2风速均匀性紊流度回路试验段通用（美）1980回路闭式5.024065.9－－MIRA（英）1960直流闭式1.514034.9±20.8大众（德）1967回流开式418037.5±1.20.6菲亚特（意）1976回流开式420030.0±10.1平宁法利纳（意）1972回流半开式715011.8±0.50.3宝马（德）1981回流槽闭式－18020.0－－2010年4月9日世界主要风洞参数表厂家（国）启用年份风洞类别收缩比最大风速km/h试验段面积/m2风速均匀性紊流度回路试验段NRC（加）1970回流闭式620083.6±10.1日产（日）1988回流开式－25028±1.5－奔驰（德）1976回流闭式－27032.6±10.2丰田（日）1970回流闭口3.6620017.5－－JARI（日）1976直流闭式－205/83－±10.1沃尔沃（瑞）1986回流槽壁式－19827.6±0.5－奥迪(德)1999回流半开式－300km/h11－－2010年4月9日汽车风洞的外观2010年4月9日同济大学汽车风洞总投资近5个亿。两座风洞：空气动力学低噪声整车风洞A=27m2热环境整车风洞A=7/14m22010年4月9日莱特兄弟的风洞2010年4月9日直流式风洞的主要组成2010年4月9日回流式风洞的主要组成2010年4月9日试验段——整个风洞的核心2010年4月9日试验段截面气动外形的选择原则在满足试验要求的前提下，采用最小的截面面积，以减小主电机功率；在给定截面面积的情况下，其截面特性应尽可能有利于复现汽车模型的绕流特性，以使风洞的洞壁干扰降至最低。阻塞比＝模型的正投影面积/试验段横截面积2010年4月9日试验段的截面形状截面A是航空风洞常用的截面外形，为对称的切角矩形截面B为半圆形截面C为非对称切角矩形（C截面和B截面的面积相等）。B、C较适合汽车风洞试验2010年4月9日转盘大转盘：模拟侧风或转弯行驶偏心小转盘：调节轮距和轴距2010年4月9日地面效应吸除装置返回2010年4月9日调压缝（孔）功用：向风洞内补充空气,以保证试验段的压强与风洞外环境的大气的压强基本相等返回扩压段功用：使气流减速,使动能转变为压力势能,以减少风洞中气流的能量损失,降低风洞工作所需的功率。风洞的能量损失随速度的立方变化A小V大动能大A大V小压力势能大安全网返回2010年4月9日拐角与导流片气流必须转360度，理论上弯道越缓越好，但占用空间太大气流能量在四个拐角的损失约占整个风洞能量损失的30%到50%,其中尤以第一和第二拐角的损失为大。导流片减少漩涡，降低能量损失。（还可以降低噪音，甚至还可以使风洞冷却）返回2010年4月9日动力段——风洞的心脏功用：向风洞内的气流补充能量，以保证气流以一定速度运转。组成：动力段外壳（圆截面管道）、风扇、整流罩、预扭导流片和反扭导流片通用风洞试验段截面积：65.9m2单回流闭口风洞；最大风速：240公里/小时收缩比：5.0；电机功率3356KW(2003)，叶片直径：13.1m动力段（风扇段）2010年4月9日动力段（风扇段）2010年4月9日动力段风扇：由电动机驱动，通过转动来维持整个风洞洞体内部气体流动的能量电动机：电动机一般可装在整流罩内；也有的风洞把电动机装在风洞之外，用长轴传入而带动风扇旋转整流罩：使风扇前后保持流线型，改善气流的性能，尤其是防止分离。预扭导流片：使气流预先有相反方向的旋转，在设计状态下，经过风扇后恢复为轴向流动。支承整流罩。反扭导流片：可将气流经过风扇后的旋转动能转变为气流的压力能。返回2010年4月9日稳定段使来自上游紊乱的不均匀气流稳定下来，使漩涡衰减，使气流速度和方向均匀性提高。整流器（蜂窝器）：由许多方形、圆形或六角形的等截面小管道并列组成功用：导直气流，加快漩涡的衰减。整流网（纱网、紊流网）：功用：加快漩涡的衰减整流网的层数：2～5返回2010年4月9日收缩段使来自稳定段的气流均匀的加速，并有助于试验段的流场品质（气流的均匀性、紊流度等）得到改善。收缩比k：k＝A1/A0,A1：进口的横截面积A0：出口的横截面积收缩比越大，流场品质越好；但是增加了建设成本。2010年4月9日7.3汽车空气动力学试验的基本方法一、试验基本方法（1）模型风洞试验法测量方法1：10，1：5或全尺寸模型，以便于修改模型不动，空气流过模型优点：易于控制试验条件，费用低。缺点：流场相似性差，特别是洞壁和支架会对模型产生干扰，实验数据需要修正。2010年4月9日（2）实车风洞实验优点：测量准确性高。缺点：费用高，在设计阶段无法进行。2010年4月9日（3）实车道路试验法1.滑行试验——测最小阻力系数2.侧风试验——横向稳定性3.流态显示试验——绕流特性（汽车周围流场性质）优点：理论上讲，实车道路试验最接近实际使用情况缺点：实验条件不易控制，测量不方便。如：1)选择合适的路面和环境不容易。2)实验设备安装在车上，易受震动，数据不精确。3)新车没有试制出之前，根本不可能进行2010年4月9日二、测量方法风洞试验的测量方法主要有以下几种：1.天平测力法2.压强分布测量3.流动显示法4.流场测量法5.专项风洞试验风洞试验定量定性六分力测量压力分布测量流态显示试验（一种主要的研究方法）2010年4月9日专项风洞试验(1)冷却风洞试验：根据烟流的流入量，测定实车用冷却风量。(2)发动机冷却试验。(3)刮水器上浮试验：车速80km/h时，前风窗刮水器出现上浮现象。影响因素：a.前风窗表面流谱b.刮水器倾斜角度c.刮水器断面形状d.杆臂压力分布2010年4月9日(4)泥土附着试验(5)泥土上卷试验(6)风噪声试验(7)驾驶室内通风、换气试验。(8)空调试验(9)环境试验：风洞中再现雨、雪、风霜自然环境。其他试验：气密性、车窗玻璃（车身板制件）振动等。专项风洞试验2010年4月9日7.4汽车风洞试验的准则与规范一、风洞试验准则二、测定力、力矩及表面压力的要求三、横摆角的模拟四、雷诺数效应测量五、发动机冷却系的阻力效应测量六、风洞试验数据修正七、地面效应模拟2010年4月9日一、风洞试验准则汽车风洞实验要取得准确可靠的结果，必须满足以下准则：1.足够的均匀流场2.几何形状相似3.雷诺数相似4.尽量排除风洞试验的支架干扰以及洞壁干扰5.风洞流场的动态校准2010年4月9日1.风洞要有足够均匀的流场流场品质影响测得的CD值，如：阻塞比的影响风速分布的均匀性紊流度纵向静压梯度的影响地面附面层的影响2010年4月9日1.风洞要有足够均匀的流场流场品质影响测得的CD值，如：阻塞比的影响风速分布的均匀性紊流度纵向静压梯度的影响地面附面层的影响2010年4月9日2.几何相似：试验模型与实际汽车几何形状相似，模型既要保证几何尺寸的精度，又要具有一定的刚度。模型按几何比例缩小，并具有足够精确的细部模拟，以保证各个重要的局部流场的真实模拟。2010年4月9日3.雷诺数相似lυRe雷诺数是表征流体粘性对其流动影响特征的无量纲参数，它代表流体所受惯性力与粘性力之比，其数学表达式为：式中——流体密度；——流体动力粘度系数；l——物体特征长度；υ——相对速度。一般风洞中的工作介质是空气，所以与和大气中的相差不大。要想使试验时的雷诺数与实车行驶时相等，应使与的乘积相等，即模型的尺寸比实车缩小多少倍，应使试验风速增大多少倍。lυ2010年4月9日3.雷诺数相似由于风速的提高受到压缩性的限制，它也使气流的能量损失迅速增大，消耗的功率也增大。所以一般风洞试验很难做到试验时的雷诺数与实车行驶时的雷诺数相等。对于汽车风洞试验。一般试验雷诺数的范围是：5×106Re1.5×107在此范围内，气动阻力系数不随雷诺数改变，故可满足风洞试验的要求。2010年4月9日4.尽量消除模型支架干扰和洞壁干扰在横摆角β＝0°时的正投影面积不超过试验段横截面积(地板以上的面积)的5%；模型高度不超过试验段高度30％；模型在其位于最大横摆角时的前视投影宽度不超过试验段宽度的30%，正投影面积不超过试验段横截面积的5%。2010年4月9日5.风洞流场的动态校准试验模型放置在风洞之前，应对空风洞进行流场的动态校准。在风洞地板上将要放置模型的位置测量试验段横截面的紊流度、地板上的静态压强、轴向静压梯度、