国内外汽车风洞发展现状

汽车试验学：国内外汽车风洞发展现状学校：华南农业大学学院：工程学院班级：11级车辆一班姓名：梁杰豪学号：201131150411指导老师：吕盛坪国内外汽车风洞发展现状摘要：本文首先对汽车风洞作简要介绍，了解风洞的主要特点，同时分别讲述介绍了国内外的汽车车风洞试验现状，分析了近期国内外汽车行业对风洞试验的研究方向和主要技术，并就分别列举了国内外汽车风洞的发展历史。最后作一发展总结。关键词：汽车风洞、国内外风洞、风洞发展1 引言“汽车风洞”最开始的时候其实不是用来测试汽车，而是用来测试飞机、研究飞机的气动性能的。实验时，常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型。这种方法，流动条件容易控制，可重复地、经济地取得实验数据。为使实验结果准确,实验时的流动必须与实际流动状态相似,即必须满足相似律的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。且外，汽车空气动力学在汽车开发中的重要作用，促进了汽车风洞及其试验技术的快速发展。汽车的空气动力学特性，可以通过对汽车外形的改变而提高。在汽车设计生产过程中，汽车外形一般在开始生产制造之前就被冻结，这时再进行汽车空气动力学研究，很难对外形进行修改和改进。为了在设计初期就可以开展汽车空气动力学研究，需要制作一种可以修改的模型，并且能够进行汽车空气动力学试验。汽车油泥模型，就是在汽车外形评价和汽车风洞试验需要的基础上发展起来的模型。制作好的油泥模型需要一个汽车不行驶就可以完成汽车空气动力学研究的试验环境，汽车风洞正好可以满足这一要求。2 汽车风洞的特点汽车空气动力学的研究，得益于航空空气动力学的发展。最开始的时候，人们并没有意识到空气对汽车的影响。随着航空和船舶行业的发展，人们渐渐将流体力学的理论应用到这些领域之中。而汽车作为一种类似的交通工具,是否也需要同样的理论呢？在不断探索与研究过程中，人们给予了肯定的回答，从而推动了一门新的专业汽车空气动力学的诞生和发展。直到现在，一些从事航空空气动力学的学者，也进行过汽车空气动力学的研究工作。但是汽车空气动力学又是一门不同于航空空气动力学的学科，很多专门从事汽车工程研究的学者为汽车空气动力学的发展做出了重要的贡献。为了适应航空空气动力学发展的需要，各国建设了航空风洞。随着汽车工业的发展，人们开始重视汽车空气动力学作用，将一些航空风洞改造成为专业的汽车风洞。直到上个世纪 80年代左右，才有大量的专业汽车风洞建设，从而推动了汽车风洞技术发展。风洞是指能人工产生和控制气流,以模拟飞行器或汽车等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的试验设备，它是进行空气动力试验最常用!最有效的工具。汽车风洞,是专门用来进行汽车空气动力学研究的一种管道状设备，它与传统的航空风洞有很多不同,因而有自己独特的特点。3 国内汽车风洞的发展现状我国汽车风洞建设起步较晚，上世纪80年代，吉林大学傅立敏教授尝试将航空风洞或大气边界层风洞进行改造以进行汽车风洞试验，参与了北京空气动力研究所一座中型单回流闭口低速风洞的改建，使该风洞可以完成1：5比例的汽车风洞试验。主要改造内容是，研制汽车模型四轮支撑和H梁连接机构，建造基于地板附面层吸除法的地面效应模拟装置和汽车模型天平。1998年，同济大学将其土木工程防灾国家重点实验室TJ-2号风洞改建为汽车模型风洞。以便能够进行汽车风洞试验。上述两个风洞改建的主要工作，都是对汽车风洞地板边界层进行处理，增建地面效应模拟设备。傅立敏教授对汽车风洞边界层控制技术进行了研究，并对汽车风洞特点进行了总结。同济大学杨志刚教授在美国通用汽车公司工作期间对汽车风洞的阻塞及修正进行了研究，回国后研究了风洞分布抽吸率对整车风洞试验段流场影响以及开口式汽车气动声学风洞的低频颤振现象等问题。北京理工大学高利教授在西安公路交通大学工作期间提出一种进行风洞试验测量的/空装模型法0对支架干扰进行修正，并通过该方法对在航空风洞中搭建的汽车风洞试验台的汽车模型试验进行修正。 2002年,吉林大学汽车风洞开工建设。2005年底，同济大学上海地面交通工具风洞中心开工建设。中国汽车风洞的建设拉开序幕，至本文成稿时，吉林大学汽车风洞和同济大学上海地面交通工具风洞都已建设完成。两座风洞均配备了移动带地面效应模拟系统,，标志着中国汽车空气动力学研究进入一个新的阶段。汽车风洞建设完成，并不等于汽车风洞试验技术的完善，中国汽车风洞试验技术还有很多工作需要深入开展。国际上汽车空气动力学研究稳健发展，而我国汽车空气动力学研究，特别是汽车风洞试验技术研究才刚刚起步。虽然建设了国内专业的汽车风洞,但是在汽车风洞试验技术上还存在很多不足，如虽然装备移动带地面效应模拟系统，但缺乏对地面效应控制的经验,还不能很好实现地面边界层的控制，汽车风洞设备干扰修正缺乏经验，对移动带地面效应和车轮旋转情况下的汽车空气动力特性及其对试验精度的影响等尚不清楚。到目前为止，汽车空气动力学的一些研究成果和重要结论，几乎都是以风洞试验结果为依据的，风洞试验在现代汽车设计当中起着非常关键的作用。进行汽车空气动力学研究，汽车风洞是必不可少的试验设备。汽车风洞建设对汽车空气动力学发展意义重大，没有汽车风洞，既不可能很好发展汽车空气动力学，也不能很好推动整个国家的汽车空气动力学研究向前发展。迄今，在汽车车型开发过程中，国内还不能提供准确可靠的汽车空气动力学试验方法以及进行系统开发的汽车空气动力学研究,制约了汽车技术的提升，不利于我国汽车工业的发展。为了在我国更好开展汽车空气动力学研究,需要对国内的汽车风洞试验设备进行充分掌握,改进试验设备，完善试验技术，修正试验结果,提高试验精度。下面列举了我国汽车风洞的发展历史：（1）FL13风洞1971年中国空气动力研究与发展中心建成了当时国内最大的4m3m低速风洞（FL13风洞），并于1981年首次进行了汽车风洞试验,先后对三个车（S001，S003两个小轿车和S002小客车）进行了测力和流态观察试验，从而拉开了我国汽车空气动力学试验研究的序幕。（2）总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群位于四川省绵阳市安县的中国空气动力学研究与发展中心是我国最大的空气动力学研究、试验机构。中心建有一个总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群。其中2.4米跨声速风洞等8座为世界领先量级，可开展从低速到24倍超高声速，从水下、地面到94公里高空范围的气动试验研究。（3）HD-2风洞2004年10月，湖南大学风工程试验研究中心（HD-2风洞）成立并投入运行，该风洞气动轮廓全长53m、宽18m，为低速、单回流、串列双试验段的边界层风洞，汽车模型试验区横截面宽3m、高2.5m。调速系统采用西门子6RA7090 型直流调速装置，试验段风速058m/s连续可调。风洞风速控制、数据采集与试验监视基本全部集中在主控制室以实现全自动化计算机系统控制，是当今国内气动数据最准确的汽车模型风洞之一。（4）吉林大学汽车风洞2008年吉林大学汽车风洞建设完成，该汽车风洞为低速回流开式单试验段风洞，试验段尺寸为8m4m2.2m，最高风速为60m/s。该风洞收缩比为5.17，主电机功率为1000kW，配有六分力天平测力系统、转盘系统等。中国结束了没有专业汽车风洞的历史。但我国汽车风洞技术刚刚起步，还非常不成熟。4 国外汽车风洞的发展现状国外，汽车风洞建设较早。1939 年，德国的斯图加特大学建立了第一座全尺寸汽车空气动力学试验的风洞，后转给奔驰公司管理。它的最高速度高达 270km/h，可以进行高速赛车空气动力学的研究。随后，不少汽车企业和研究机构陆续开始建设汽车风洞。近年来，不断有新的专业汽车风洞落成,如Audi汽车公司风洞和Pininfarina汽车风洞。汽车风洞建设初期，大量借鉴了航空空气动力学的研究经验和理论。航空空气动力学试验规定风洞试验的阻塞比(Blockage ratio)：=A/AN。其中，A是试验模型的正投影面积，AN是风洞的喷口截面面积虽然航空风洞规定风洞试验时， 要小于0.05，但是现在的汽车风洞阻塞比已经越来越大，甚至有阻塞比达到0.2左右的汽车风洞。在风洞试验段上，汽车风洞不同于航空风洞。更多汽车风洞采用了回流式汽车风洞形式，并且采用开式试验段的形式。由于试验段的变化,汽车风洞试验就更多的影响因素。多年来，各国学者一直在探索汽车风洞的试验数据处理与对比修正问题，对于汽车风洞洞壁的阻塞干扰修正，汽车道路试验和汽车风洞试验的差别，风洞气室对汽车风洞流动特性的影响等内容进行了深入的研究。Audi汽车公司，Ford汽车公司等都进行了汽车风洞修正研究，Chrysler,Ford,General Motors还在现有汽车风洞结果基础上完成了三个风洞的对比，并再次进行了修正，使三个风洞的数据相当。移动地板是重要的风洞地面效应模拟设备，主要功能是实现地面和汽车的相对运动，消除风洞地面边界层对汽车底部流场的影响。英国汽车空气动力学家 Bearman教授对有无移动地板时汽车标准模型的气动阻力系数及升力系数进行了研究。有移动地板时，汽车阻力系数偏大，负升力系数也偏大。两个系数的差值都不小，而这个差值并没有规律可循。为了使汽车风洞试验结果更加精确，国外陆续有专业的汽车风洞装备地面效应模设备。现在几乎所有的汽车风洞都引入地面效应模拟设备，特别是移动带地面效应模拟系统。Audi风洞和 Pininfarina风洞,都采用了窄带式移动带地面效应模拟系统。窄带式的缺点是不能完整模拟地面效应,但其优点也非常明显：可以很好解决实车的天平和模型支撑的布置问题,试验安装更加简单方便，并且可以很好实现车轮的转动到目前为止，Audi和Pininfarina对有车轮旋转和移动带地面效应模拟的风洞试验进行了深入研究，积累了非常丰富的数据，能够很好控制地面边界层厚度，使汽车风洞试验结果更加精确。 有些风洞，主要是赛车风洞和汽车模型风洞，如Swift工程公司的风洞，采用了宽带式移动带地面效应模拟系统，同时采用顶部支撑的天平与模型支撑方式。宽带式的优点是能更好实现地面效应的模拟，但同时带来的问题是模型安装及车轮旋转更加复杂。不同的风洞结构形式，带来了风洞试验结果的不确定。根据航空风洞的经验和理论，汽车风洞同样需要进行修正与对比，特别是需要对支撑干扰进行修正。 汽车风洞的建设,带来了汽车风洞试验技术的变革和创新为了适应汽车气动噪声的研究,大量的汽车风洞经过改进以便能进行气动噪声试验,部分新建的汽车风洞直接就定位建设低噪声的汽车风洞 近年来，随着汽车风洞试验技术的提高,汽车风洞的试验设备也不断提高。PIV(Partical Image Velocimetry)技术在汽车风洞试验中开始得到应用，航空空气动力学的压敏漆技术也在汽车风洞试验中开始了应用，压敏漆技术为进行无干扰的汽车表面压力测量提供了一种重要的技术手段。国外大型汽车公司大多不惜耗费巨资来兴建大型汽车专用风洞，以作为开发具有良好高速气动性能汽车的重要手段。下面列举各大汽车公司的风洞发展现状：（1）通用汽车公司的全尺寸风洞通用汽车风洞为典型的回流闭式风洞，于 1980 年 8 月建成并启用，是世界上最大的汽车风洞（如图 1.2）。风洞的风扇直径达 13m，气流总行程长达 282m，试验段尺寸为 5.4m10.4m21.3m，最大气流速度达 250km/h。2003 年，该试验室又研制出了世界上最大的动力风洞装置，该装置由 4500 马力的电动马达推动，叶片直径达长达 43 英尺，能够产生飓风般的动力。（2）戴姆勒克莱斯勒公司的风洞建成于 2003 年 7 月的戴姆勒克莱斯勒公司的大型风洞，其试验段尺寸为 21m15m10m（如图 1.3），最大气流速度超过 240km/h。当气流速度为 140km/h时，试验段背景风噪声低于 62dB(A)。该风洞可检测重达 5 吨的汽车，并配备了可阻止背景风噪声的声学仪器，使之成为汽车工业最安静的风洞设施。（3）沃尔沃汽车公司风洞该风洞建成于 1986 年，其试验段尺寸为 6.6m4.1m15.2m，气流速度可达198km/h，气流的可调温度范围为 1555，由 2.7MW 的电动机驱动，风扇直径达 8.15m，可进行各种气候条件的仿真试验。（4）法拉利汽车公司风洞该风洞建成于 1997 年，用于模拟 F1 赛车在赛道上所遇到的真实场景。风洞配有 5 米宽的金属轧制路，功率为 2200kW 的风机，能够生成流场品质极高的气流。风洞还具有世界最先进的数据获取系统和作用力及压力监控系统，可以通过300 多个传感器监控的复杂机构模拟任何一种设置或运动(滚动、侧滑、俯仰和过度转向)。如此先进的试验技术不断提高着法拉利赛车的气动性能，为其车队在 F1赛事中取得优异成绩提供了强有力的保证。（5）奥迪汽车公司风洞1999 年 12 月，德国奥迪汽车公司在英戈尔斯塔特（Ingolstadt）投入巨资建设的气动-声学风洞和热环境整车风洞开始投入使用。其中它的热环境整车风洞，温度设定范围可以从零下 25达到零上 55，能够在低温或者极端温度下进行除水测试、气候试验，在超高速行驶、高温状况下进行引擎冷却试验等。除此之外，还可以进行太阳光暴露模拟和降雨模拟，必要的时候还能够制造降雪，是最早的气候风洞之一。（6）宝马汽车公司风洞该风洞建成于 2009年 6 月，位于德国慕尼黑研发总部旁的空气动力测试中心，是宝马汽车公司投资超过 1.7 亿欧元，耗时 3 年兴建的最新研发设施（如图 1.4）。内部设有 2 组试验段，其中一组是汽车实车试验段，该试验段拥有超过 5 种不同的滚动路面，用以模拟在各式路面行驶状态下汽车的空气动力学性能表现。另外一组试验段尺寸较小，用于汽车模型测试试验。此试验段内具有机械辅具，可以使模型在风洞内的各个方向上移动，模拟汽车各种不同的行驶状况。5 结语20世纪早期为了探索空气动力的机理和流动问题，风洞应运而生。而汽车风洞使人们更好地认识了空气动力学问题，使汽车性能实现了大的跨跃。汽车的发展又对现有风洞性能提出了新的要求，推动风洞技术向更高水平发展。风洞改造、新风洞建设、新概念风洞探索是当今风洞建设发展之路。代表未来发展方向的新概念风洞更具有挑战性，更强调了流动模拟的真实性。现代企业管理模式的引入，为汽车风洞建设和运营带来了活力，提高了汽车风洞试验的效率。国外汽车风洞建设和运营的经验，对我们国内各风洞试验单位的规划建设和发展，具有很强的借鉴作用，值得我们关注、学习和思考。汽车风洞创新发展和高效运营必将促进未来汽车的快速发展。参考文献1 张英朝. 基于仿真与试验的汽车风洞修正研究M. 吉林：吉林大学，2010:2-11 .2 仇健. 基于CFD的汽车风洞收缩段设计及流场品质分析M. 湖南：湖南大学，2011 : 3-5 .3 战培国. 国外风洞发展研究综述R. 中国空气动力研究与发展中心，85-89 .4 陈立. 关于国内汽车实车风洞试验研究现状和发展的探讨R. 中国空气动力研究与发展中心，189-193 .