汽車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)號(hào)稱是汽車試驗(yàn)中最高大上的一項(xiàng)試驗(yàn)，每小時(shí)2.5萬(wàn)元的試驗(yàn)費(fèi)用，也讓汽車風(fēng)洞吹出的風(fēng)成為了最昂貴的風(fēng)。本期“汽車風(fēng)洞技術(shù)”科普系列，就來(lái)為你講下空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞中可開(kāi)展的主要試驗(yàn)。

汽車風(fēng)洞是在按照一定要求設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)內(nèi)，使用動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)一股可控制的氣流，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和相似性原理進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的設(shè)備。

在氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)開(kāi)展氣動(dòng)力測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量、流場(chǎng)信息測(cè)量和表面壓力測(cè)量等汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。
 

一、氣動(dòng)六分力測(cè)量試驗(yàn)

氣動(dòng)六分力測(cè)量是在風(fēng)洞中使用氣動(dòng)力天平測(cè)定汽車在某一風(fēng)速下氣動(dòng)力變化的試驗(yàn)。一般在試驗(yàn)中會(huì)將氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩轉(zhuǎn)化成氣動(dòng)力系數(shù)和氣動(dòng)力矩系數(shù)，以對(duì)汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。
 

奔馳汽車風(fēng)洞氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)
 

在氣動(dòng)力測(cè)量中，氣動(dòng)阻力系數(shù)、氣動(dòng)升力系數(shù)（包括前后軸升力系數(shù)）的測(cè)量是較為重要的測(cè)試項(xiàng)目。它們對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車的高速行駛穩(wěn)定性有較大影響。
 

在進(jìn)行氣動(dòng)力測(cè)量時(shí)，一般還需要根據(jù)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)尺寸和模型安裝情況等進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果修正。如對(duì)風(fēng)洞阻塞比修正、噴口干擾修正、軸向靜壓梯度修正、支架干擾修正、地面邊界層修正等，以盡量獲得精確的試驗(yàn)結(jié)果。

在氣動(dòng)六分力測(cè)量試驗(yàn)中，主要的測(cè)量設(shè)備包含了測(cè)力天平、轉(zhuǎn)臺(tái)、移動(dòng)帶系統(tǒng)、邊界層抽吸系統(tǒng)等。在現(xiàn)代汽車風(fēng)洞中，這些測(cè)量設(shè)備一般都會(huì)集成在轉(zhuǎn)臺(tái)中。

FKFS汽車風(fēng)洞天平何移動(dòng)帶設(shè)備

在風(fēng)洞中還可通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)、側(cè)風(fēng)發(fā)生器等方法開(kāi)展汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的試驗(yàn)，研究汽車在側(cè)風(fēng)工況下的行駛穩(wěn)定性。

FKFS汽車風(fēng)洞中的Swing側(cè)風(fēng)發(fā)生器
 

二、聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)
 

汽車風(fēng)噪性能的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為了繼風(fēng)阻之后車企又一重點(diǎn)關(guān)注的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)噪性能成為了影響汽車駕乘體驗(yàn)的重要因素。
 

在氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞中，主要使用人工頭聲學(xué)測(cè)量設(shè)備和麥克風(fēng)陣列測(cè)量汽車的聲學(xué)特性。以對(duì)車外氣動(dòng)噪聲以及車外附件對(duì)車內(nèi)噪聲的影響進(jìn)行測(cè)量分析。

人工頭聲學(xué)測(cè)量設(shè)備
 

奔馳使用麥克風(fēng)陣列測(cè)量車內(nèi)噪聲
 

保時(shí)捷風(fēng)洞框架式麥克風(fēng)陣列

保時(shí)捷風(fēng)洞麥克風(fēng)陣列聲學(xué)測(cè)量結(jié)果

三、流場(chǎng)信息測(cè)量試驗(yàn)
 

流場(chǎng)信息測(cè)量試驗(yàn)可分為定性的流場(chǎng)顯示試驗(yàn)和定量的流場(chǎng)氣流參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。
 

1、流場(chǎng)顯示測(cè)量試驗(yàn)
 

流場(chǎng)顯示測(cè)量試驗(yàn)用于觀察車輛周圍和表面的空氣流動(dòng)。主要有四種方法：絲帶法、油膜法、煙流法和粒子圖像測(cè)速法（PIV）。
 

a、絲帶法 
 

絲帶法是用于觀察汽車表面流動(dòng)的常用方法。通過(guò)觀察粘貼在車身表面上的絲帶的運(yùn)動(dòng)狀況來(lái)確定車身表面的流譜。

通常選用輕柔的綢帶和細(xì)小的絲線。絲帶的長(zhǎng)度和間距根據(jù)模型部位和流場(chǎng)的復(fù)雜情況等確定，在流場(chǎng)較復(fù)雜的部位，如前側(cè)窗附近，采用較短的絲線，間距也較小些。反之，在一些結(jié)構(gòu)變化較小、流動(dòng)較簡(jiǎn)單的表面上布置的絲帶較長(zhǎng)，間距也較大。

絲帶法也可用于顯示空間流譜。把絲帶粘在模型周圍用細(xì)金屬絲織成的空間框架上，可以清晰地看見(jiàn)模型周圍的氣流狀態(tài)，尤其是模型尾流區(qū)的氣流流動(dòng)情況。

b、油膜法
 

油膜法是將混有一定顏色的不易揮發(fā)、粘度較大的油液均勻地噴涂在汽車表面。根據(jù)油膜上的風(fēng)紋可看出氣流的方向和流速大小。

使用油膜法可使表面流譜圖像一目了然，并可在風(fēng)洞停止吹風(fēng)后一段時(shí)間內(nèi)保持其表面流譜。但是油易流淌，模型及風(fēng)洞容易被污染。

保時(shí)捷911模型在進(jìn)行油膜試驗(yàn)
 

c、煙流法 
 

煙流法是使用煙流發(fā)生器，并由梳狀管排出煙絲，觀察汽車周圍流場(chǎng)和細(xì)節(jié)流動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)。煙流試驗(yàn)風(fēng)速通常選擇在10～20m/s之間。

奔馳IAA概念車在進(jìn)行流場(chǎng)顯示試驗(yàn)
 

觀察尾部細(xì)節(jié)氣流形態(tài)
 

在風(fēng)洞流態(tài)顯示試驗(yàn)中，煙流法是采用較多的試驗(yàn)方法，可方便快速的觀察車身分離流、尾部渦流等細(xì)節(jié)部位的流場(chǎng)信息。
 

d、粒子圖像測(cè)速法 
 

粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry）技術(shù)是一種基于流場(chǎng)圖像互相關(guān)分析的流場(chǎng)測(cè)量新技術(shù)，具有全場(chǎng)性、瞬時(shí)性、定量性、無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)，適于研究渦流、湍流等復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

PIV試驗(yàn)獲得的尾流場(chǎng)速度信息
 

PIV試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖
 

粒子圖像測(cè)速的基本原理是：在流場(chǎng)中散播示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，在某一時(shí)間內(nèi)，通過(guò)連續(xù)兩次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在CCD相機(jī)上，攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列，并記錄相鄰兩幀圖像序列之間的時(shí)間間隔，進(jìn)行圖像相關(guān)分析，識(shí)別示蹤粒子圖像的位移，根據(jù)速度的定義，就可以得到流體的運(yùn)動(dòng)速度。

PIV測(cè)量原理示意圖
 

2、流場(chǎng)氣流參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)
 

流場(chǎng)氣流參數(shù)測(cè)量包括氣流速度測(cè)量、氣流方向測(cè)量、氣流壓力測(cè)量、氣流湍流度測(cè)量等。
 

通常使用風(fēng)速儀、熱線風(fēng)速儀、激光測(cè)速儀等設(shè)備進(jìn)行速度測(cè)量；使用五孔探頭測(cè)量氣流俯仰和偏航方向。

五孔探頭
 

在風(fēng)洞中一般需要對(duì)汽車周圍的邊界層厚度進(jìn)行測(cè)量，以便調(diào)整抽吸系統(tǒng)的抽吸率等參數(shù)。在測(cè)量時(shí)一般采用邊界層耙進(jìn)行，它是將多個(gè)風(fēng)速儀，沿縱向固定在一塊翼型板上。

測(cè)量邊界層厚度的邊界層耙
 

四、表面壓力測(cè)量試驗(yàn)
 

汽車車身表面壓力分布與汽車外形有著非常密切的聯(lián)系，通過(guò)表面壓力測(cè)量可以分析判斷氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力過(guò)大的根源，確定車身各部位所承受的載荷，進(jìn)出風(fēng)口的最佳位置，以及檢查局部造型的合理性。
 

汽車表面壓強(qiáng)分布測(cè)量按測(cè)量方式分一般有表面壓力傳感器測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。
 

1、接觸式表面壓力測(cè)量 
 

接觸式表面壓力測(cè)量一般采用皮托管或膜片式壓力傳感器進(jìn)行。
 

使用皮托管測(cè)壓時(shí)，需要沿模型表面法向開(kāi)孔，以便將測(cè)壓管埋入孔內(nèi)。為了不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般應(yīng)盡量使孔徑小，并使用砂紙打磨來(lái)保證測(cè)壓孔表面光滑，避免孔周圍的毛刺帶來(lái)測(cè)量誤差。

皮托管測(cè)壓布置示意圖
 

一般在壓強(qiáng)變化劇烈的地方應(yīng)將測(cè)壓孔布置得適當(dāng)密一些，壓強(qiáng)變化平緩處則適當(dāng)?shù)南∫恍?。各測(cè)壓孔所感受的壓強(qiáng)通過(guò)測(cè)壓管、傳導(dǎo)管與壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x器相連接，以獲得車身表面壓力分布。
 

對(duì)于表面不能鉆孔的整車測(cè)壓，目前大多采用片式壓力傳感器，這樣就不需要在汽車表面打孔且方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理。但是片式傳感器的存在會(huì)對(duì)汽車周圍的流場(chǎng)造成一定的干擾。

片式壓力傳感器
 

2、非接觸表面壓力測(cè)量 
 

非接觸表面壓力測(cè)量包括激光測(cè)壓裝置、壓敏漆測(cè)壓等。
 

其中壓敏漆測(cè)壓是利用氧分子的猝滅效應(yīng)測(cè)量物體表面壓力變化的。采用壓敏漆測(cè)壓，可快速的獲得整個(gè)車身表面的壓力情況，克服了布置測(cè)點(diǎn)困難的問(wèn)題；缺點(diǎn)是壓敏漆會(huì)對(duì)風(fēng)洞帶來(lái)污染，并且其測(cè)量準(zhǔn)確性還有待提高。

在氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)測(cè)量設(shè)備和測(cè)量位置的精確定位是非常重要的，這就需要用到移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。
 

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專業(yè)的汽車風(fēng)洞移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，建設(shè)中的重慶中國(guó)汽研氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞安裝有與奔馳汽車類似的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，將在氣動(dòng)-聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)中發(fā)揮重要的作用。

奔馳汽車風(fēng)洞移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（圖中紅圈處）
 

CAER 視點(diǎn)
 

目前在節(jié)能減排的大背景下，國(guó)外先進(jìn)汽車公司如奔馳、豐田都投入了巨資建設(shè)了全新的氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞?？梢钥隙鈩?dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞作為開(kāi)展汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要試驗(yàn)平臺(tái)，其開(kāi)展的測(cè)力、聲學(xué)、測(cè)壓、流場(chǎng)顯示等試驗(yàn)，在汽車低阻低噪車型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將發(fā)揮更重要的作用。