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汽車風洞測試是怎樣進行的?

2018年03月09日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 25 ℃ 次

【kglee的回答(79票)】:

來說說如何做汽車風阻測試的。

(一)、風洞組成

風洞洞體由動力段、擴散段、收縮段、低速試驗段、高速試驗段、拐角導流片、穩定段、蜂窩器等部分組成。風洞動力系統由大功率直流電機驅動,風扇系統由玻璃鋼槳葉組成。

(1)、收縮段

收縮段位於試驗段的前面,隨著其橫截面積的不斷縮小,氣流從入口被逐漸加速到試驗段所需要的流動參數值。收縮段的一個重要特性參數是收縮比,通常用K表示:

K=收縮段進口面積/收縮段出口面積

收縮段的形狀和收縮比對流場的品質和風洞消耗功率有很大的關係。希望所選擇的收縮段形狀能在出口處得到一種速度分佈均勻和平行於風洞軸線的氣流,從而保證試驗段中的氣流速度均勻而平直。收縮比大的風洞所消耗的能量大,但可得到紊流度較低的氣流,一般汽車風洞的收縮比建議為K=2-4。

(2)、試驗段

試驗段是風洞的核心部位,試驗對像、模擬環境條件的一些裝置以及測量儀器、觀察控制室等都設置在這裡。試驗段的三維尺寸和風速是風洞的重要參數,三維尺寸不僅決定了所能進行汽車風洞的性質(是實車還是模型),而且還直接影響到流場品質和試驗結果的可靠性。試驗段應當足夠長,以便能將汽車或汽車模型以不同位置安置在地板與天平上,試驗段的長度一般建議不小於橫截面直徑的二倍。

下圖:寶馬實車風洞試驗段:

(3)、擴散段

擴散段的作用是通過風道橫截面積的增加,降低風洞中氣流的速度,從而降低能量損失。它一般位於試驗段的後面。擴散段管道的橫截面積通常採取逐漸增大的方法,從而將試驗段出口處的動能最有效的轉變成壓力能。另外,擴散段應有適當的長度,其擴散角一般不超過50~60。

(4)、動力段

動力段一般包括電機、風扇、整流罩、等流計、止旋片。它的作用是不斷為風洞中的氣流補充量,以保證氣流以一定的速度恆穩地在風洞中流動。調節風洞中風速的方法通常有兩種:一是加大電機的功率;二是調節風扇的漿葉角度。裝在風扇前的導流片和裝在風扇後的止旋片都是用於消除風扇所造成的旋流,從而改善氣流的狀態,提高流場品質。

下圖:動力段風扇

(5)、穩定段

穩定段的作用主要是消除漩渦、穩定氣流狀態。在穩定段中通常裝置有整流網(阻尼網)和蜂窩器。整流網一般採用金屬絲製成,整流網主要用以將氣流漩渦轉換成大量的能迅速衰減的小漩渦,因此雖然在離網很近的距離內,會增加紊流度,但離開網一定距離後,氣流的紊流度會大大降低。蜂窩器一般由一定寬度的金屬薄片製成用以消除氣流的低頻脈動以及和整流網一起消除空間的不均勻

性。由於蜂窩器在沿風洞軸線方面有一定的寬度,故而可以減少氣流速度對於風洞軸線的傾斜脈動。

下圖:風洞整體圖

下圖:風洞實驗室內外景下圖:風洞實驗室內外景

下圖:實驗現場圖(分別是側偏6度,0度,15度的情況)

(二)、風洞試驗部分設備

(1)、氣動力天平

氣動力天平是用來測量模型的氣動力和力矩的測量儀器。圖示天平為六份量應變式汽車專用天平,可以用來測量 汽車的阻力、升力、側力、橫擺力矩、側傾力矩和俯仰力矩。這個是最基本的測量,一般的企業做這個測量可以驗證CFD仿真的準確性。

下圖:六份量天平

下圖:六份量具體內容

(2)、地面抽吸設備

汽車模擬風洞對模擬地面的邊界層具有較高的要求,其地面厚度不應超過地面間隙的1%~8%。否則將影響試驗結果。地面效應模擬使由於氣流相對於地板運動而產生的附面層盡量的小。模擬地面效應一可以採用以下幾種方法:

(3)、流場顯示設備

流場顯示試驗,主要用於觀測車輛內外的空氣流動、車身表面的塵土污染以及車窗上的水滴流動等現象。流場定量測量可以測得流場中待測點的流場數值(一般為與速度有關的數值),主要用於分析流場特性,如汽車尾部流場特性等。目前,流場顯示試驗常用的方法有絲帶法、煙流法、油膜法,粒子圖像測速法(PIV)等。

1、絲帶法

絲帶法是用於觀察表面流場的常用方法。通過觀察粘貼在模型表面上的絲帶的運動狀況來確定模型表面的流譜。通過長飄綢帶來顯示連續的氣流流況。

絲帶的飄動方向和範圍即為模型表面該點處的氣流速度和方向變動範圍。通常選用輕柔的綢帶和細小的絲線。絲帶的長度和間距根據模型部位和流場的複雜情況等確定,長度一般在50-100 mm之間,間距一般在5-10 mm之間。在流場較複雜的部位,如前側窗附近,採用較短的絲線,間距也較小些。反之,在一些結構變化較小、流動較簡單的表面上佈置的絲帶較長,間距也較大。絲帶法絲帶法簡單易行,各點流態清晰可見。但因絲帶本身的重量和慣性,與真實的流態略有差異。

2、煙流法

煙流法顯示周圍的氣流流場以及模型表面的分離流和尾部渦流等。試驗時,煙流發生器產生煙,並由梳狀管排出煙絲。煙流試驗風速通常選擇在10-20 m/s之間。

3、油膜法

油膜法主要用於汽車表面污染的研究,是將混有一定顏色的不易揮發、粘度較大的油液均勻地噴塗在模型或汽車表面。根據模型表面的油膜上的風紋可看出氣流的方向和流速大小。油的常用原料是液體石蠟、油酸和氧化鈦、氧化欽、氧化鋁或石墨按一定重量比的混合物。使用油膜法可使表面流譜圖像一目瞭然,並可在風洞停止吹風後一段時間內保持其表面流譜。但是需長時間吹風,油易流淌,模型及風洞易髒。

4、PIV法

PIV(Particle Image Velocimetry),即粒子圖像測速法,是一種瞬態、多點、無接觸式的流體力學測速方法。PIV技術的特點是超出了單點測速技術(如LDV)的局限性,在同一瞬態記錄下大量空間點上的速度分佈信息,並可提供豐富的流場空間結構以及流動特性。

PIV基本原理:在流場中撒布大量示蹤粒子跟隨流場運動,把激光束經過組合透鏡擴束成片光照明流場,使用數字相機拍攝流場照片,得到的前後兩幀粒子圖像,對圖像中的粒子圖像進行互相關計算得到流場一個切面內定量的速度分佈,進一步處理可得流場渦量、流線以及等速度線等流場特性參數分佈。

PIV示意圖:

PIV系統組成:

下圖:部分組件圖

下圖:PIV實驗現場圖:

PIV實驗結果:美國GTS卡車的尾部流場狀況

再用專業後處理軟件可以得到渦流狀況:再用專業後處理軟件可以得到渦流狀況:

(4)、壓力測試

汽車表面壓強分佈對於汽車的氣動阻力、風噪聲、面板振顫、通風換氣以及各裝置的合理佈置都有密切的關係。汽車表面壓強分佈測量按測量方式分一般有接觸式測量和非接觸式測量兩種。

1、接觸式測量

試驗前,首先確定模型上的測壓部位、測壓點數及點位坐標,然後在這些點位處開孔。為了不影響試驗數據,一般應盡量使孔徑小,將測壓管埋入孔內,用砂紙打磨來保證車身表面的光滑。各測壓孔所感受的壓強通過測壓管、傳導管與壓強測量儀器相連接。在壓強變化劇烈的地方應將測壓孔佈置得適當密一些,壓強變化平緩處則適當的稀一些。下圖為車身表面局部靜壓測量,在模型被測表面的法向開一小孔來感受該處的靜壓。小孔直徑一般為0.5-2 mm,h/d>2,測壓孔的軸線應與壁面垂直,孔內壁要求光滑,孔口無毛刺,孔口附近物面光滑。這種方法對氣流的擾動小、操作簡便、可以得到較準確的車身表面局部靜壓值,應用廣泛。對於表面不能鑽孔的實車測壓,目前大多採用片式壓力傳感器,這樣就不需要在汽車表面打孔且方便試驗數據採集處理。但是片式傳感器的存在會對汽車周圍的流場造成一定的干擾。

下圖:車身表面局部靜壓測量:

下圖:測壓管下圖:測壓管

下圖:布點圖下圖:布點圖

在模型上佈置直徑為1~1.1mm的測壓鋼管,且測壓鋼管軸線垂直於模型表面,測壓鋼管通過軟管與壓力掃瞄閥的管咀連接,實現對測點風壓的傳遞與測量。

下圖:風壓系統示意圖

2、非接觸式測量

光學壓敏漆測壓方法是近年來比較成熟的非接觸式測壓方法。美國華盛頓大學化學部首先於1987年研製了壓敏漆,1989年1月首次用於風洞實驗,同時在美國宇航局Ames研究中心流體機械實驗中得到實驗演示。在光的照射下,處於基態的分子會吸收某種特定頻率的光子,並轉變為不穩定的激發態分子。當激發態分子回復到基態時,隨之而產生具有極少量熱量的光輻射——螢光。通過對大量發光分子的觀察,發現在有氧氣存在時,這些輻射光在發光過程中碰撞鈍化而導致發光衰弱即被氧猝滅。壓敏漆測壓就是基於發光分子的光致發光和氧猝滅原理。將播有發光分子的壓敏漆用適當方式塗在被測模型表面,選用適當波長的激發光照射時,壓敏漆瞬時發出某一波段的可見光,當

氣流經過模型表面時,各處所受壓力不一樣,則氧分壓也不同,造成對壓敏漆中發光分子的猝滅程度不一樣。故模型表面的氧分壓(即當地靜壓)越大,發光光強就越小。通過發光強度的測量,就可計算出壓力的定量值,從而得到表面壓力特性。

下圖:壓敏漆測壓示意圖

【陳仙客的回答(21票)】:

汽車風洞大體分兩類:

1. 氣動聲學風洞

2. 熱環境風洞

曾經有公司,大概30年前的樣子,記得是奧迪吧,想把倆風洞整合在一起,又想吹又想冰火,簡約而不簡單,結果倆方面都失敗了。。。。運行噪音大,功率高,吹的還亂七八糟。在經歷那次可貴的嘗試後,現在基本上都是分開的。

汽車風洞對汽車的的測試大體集中在三個方面:

1.空氣動力學特性

2.聲學特性

3.熱力學特性

在我看來,大概就是把車放在地上,然後拿「超級大電風扇」一陣猛吹,模擬車輛在路上正常行駛的狀況,然後得出來局部的壓力、噪音強度、溫度等等。

具體的一些細節難點在於:

1. 如何使超級大電風扇吹出來的風弄的像公路上的一樣

這需要一些對邊界層的處理,例如切向噴孔,地面吸氣小孔之類的。總之,就是要吹向汽車的風,像飄柔一樣自然柔順(閉上眼睛感受一下夏天的風)。

2. 如何模擬車輛/路面狀況

這個的話目前可以使用移動傳送帶,就是車放在風洞裡吹,車不動,風動,路面也在動,心動不動我不知道,反正風洞的實驗還蠻無聊的。。。。。。

3. 如何降低背景噪音

要測試汽車在正常工況下的噪音強度,你首先不能製造噪音。就好比要解決一件麻煩事,你自己不能是個麻煩。於是就有各種吸收噪音的裝置,降低背景噪音的技術手段。目前來看,國際上面比較先進的風洞背景噪音在160km/h的運行狀況下是60多分貝的樣子,具體我沒有感受過,畢竟試驗的時候風太大,會吹亂我的發。

4. 如何模擬不同的環境工況

一個男人呢,他有七面。一輛車,不可能老在高速公路上面開,它可能被堵在三環之內,可能在二環之內,也可能被堵在停車場裡出不去。。。。。。總之,熱環境風洞的測試呢就是模擬各種溫度,天氣條件,氣壓情況下可能的工況。某些極端情況比如高山上,比如大雨中,比如冬天的武漢,比如夏天的武漢等等。

這樣做有什麼用呢?我這麼說吧,我就問你一個問題,你有在夏天的武漢下午兩點被堵在街道口的經歷麼?

再次詳細的為題主描述一下:

拿到樣車後,在不影響車身周圍空氣流動的情況下,在車身上安裝各種傳感原件,然後就是各種按鈕啊開關啊一通按,風扇一吹,傳動帶一轉,小車就嗚嗚嗚嗚嗚嗚的開起來了~待到穩定工況,就可以得到參數啦~

至於參數的獲取,基本都通過電腦完成,工作人員點幾下鼠標就好了。不過題外話說一下,現在這些測試軟件基本上都是國外的,當然也可能是我見識少,還望後續有高人指正。

最後風洞試驗取得的結果無非是風阻係數,氣動穩定性,某處的噪音,汽車內外的流場,汽車內部空調系統的工作情況等等。讓做出來的小車開的更穩,更省油,更安靜,更涼爽,更溫暖。。。。。。。。。

我個人感受,風洞最大的成績就是把汽車的空氣阻力降低了不少,現在世界上的小轎車的Cd大概在0.3左右,國際的偏低,國產的偏高,大致如此,不能一概而論。要知道幾十年前這個東西大概在0.5左右啊!這個東西降低了之後最大的好處就是省油,省油就是省錢啊!!!這簡直就是造福全人類啊!!!!

總之,科技讓人車震。

【吳思L的回答(0票)】:

參考Asys軟件,網上有教程。具體的風洞實驗話說北理和吉大的方程式賽車,貌似做過,西南的話同濟有風洞實驗室。話說成飛的風洞哪裡做的?

標籤:-汽車 -汽車設計 -汽車製造


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