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小型车1：5模拟风洞试验室设计,小型车,模拟,风洞,试验室,设计
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SY-025-BY-2 毕业设计（论文）任务书学生姓名陆川系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-11班指导教师姓名齐晓杰职称教授从事专业车辆工程是否外聘否题目名称小型车1：5模拟风洞试验室设计一、设计目的、意义全面训练资料查询能力和专业知识综合运用能力，综合训练独立设计能力和工程设计软件的应用能力，提高独立工作能力和素质。进行汽车研究，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，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展。而汽车风洞的主要任务是正确模拟气流流经汽车车体表面的流态以获得准确的实验数据，实验数据的精确与否决定了汽车气动外形设计的成败。因此，汽车风洞实验能促进汽车空气动力学研究，进行汽车空气动力学研究将能够给我国带来巨大的燃油节省，具有非常大的经济效益和社会效益。因此，本课题设计研究内容对于全面提高学生工程设计能力和素质，研究风洞试验室设计问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。二、设计内容、技术要求（研究方法）主要技术指标、要求或生产纲领：测试仓截面尺寸：宽1200高1000(mm)；环状风道截面尺寸：宽800高600(mm)；最大稳定风速60m/s；采用P型循环风洞；前后仓栅稳速；弯道内半径400 mm；材料选用镀锌铁皮；测试台面高度600 mm；测试车模固定方便，现场风速可测，多点压力测试。风力利用系数为0.8。除风速外，以上参数为初定。根据实际而定。设计主要内容及分析、校核：1、 进行1：5小型车模拟风洞试验室平面布局设计；2、 进行风机选择和校核，前后稳速仓栅设计，测试仓设计，测试台设计，环状风道设计，P型引风口设计等；3、 根据设计系统进行校核；4、 绘制设计系统总图和上述部分的结构装配图、部件图；三、设计完成后应提交的成果1、设计完整的整体装配图，零、部件图，折合 A0图纸至少3.5张；2、设计计算说明书：1.52.0万字；3、相关设计资料应齐全。 四、设计进度安排（1）第1周：领取任务、资料收集，进行调研 ；（2）第2周：继续调研，撰写开题报告，制定方案；（3）第3周：开题答辩、设计任务、总体方案草图设计与计算；（4）第4周：总体设计方案草图审核与修改；（5）第5-10周：完成图纸各总成、所有零件图的设计、计算与校核； （6）第11-12周：总图的修订、部件修订、校核、完成计算、修订说明书 ； （7）第13周：毕业设计（论文）修改、完善； （8）第14周：毕业设计（论文）委员会小组审核、预审； （9）第15周：毕业设计（论文）修改、完善； （10）第16周：毕业设计（论文）指导教师总审核 ；（11）第17周：毕业设计（论文）答辩准备及答辩。五、主要参考资料【1】傅立敏.汽车空气动力学.机械工业出版社，1998.【2】伍荣林，王振羽.风洞设计原理.北京航空学院出版社，1985.【3】谷正气.汽车空气动力学.人民交通出版社，2005.【4】傅立敏.FD-09风洞改造为汽车模型风洞的技术研究.第一汽车集团建厂四十周年优秀论文集，1992.【5】何克敏，屠兴.低湍流度风洞及其设计.西北工业大学，1988（02）【6】庞加斌，林志兴，余卓平，王宏雁.TJ-2风洞汽车试验的修正方法.汽车工程，第24卷第5期.2002【7】傅立敏，靳春宁.汽车风洞试验地板边界层控制技术.汽车工程，1998，20( 1)【8】傅立敏.关于改造航空风洞为汽车试验风洞的技术探讨.汽车技术，1991，9. 六、备注指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日SY-025-BY-1毕业设计（论文）题目审定表指导教师姓名齐 晓 杰职称教 授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称小型车1：5模拟风洞实验室设计课题适用专业车 辆 工 程课题类型Y 课题简介：（主要内容、意义、现有条件、预期成果及表现形式。）进行汽车研究，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，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展。而汽车风洞的主要任务是正确模拟气流流经汽车车体表面的流态以获得准确的实验数据，实验数据的精确与否决定了汽车气动外形设计的成败。因此，汽车风洞实验能促进汽车空气动力学研究，进行汽车空气动力学研究将能够给我国带来巨大的燃油节省，具有非常大的经济效益和社会效益。因此，本课题设计研究风洞试验室设计问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。所研究的风洞实验室除了能满足模型的测压、测速、流态观测等教学外，还可以利用该风洞进行从事桥梁、环境污染等工业空气动力学研究工作。 指导教师签字： 年 月 日教研室意见1选题与专业培养目标的符合度好较好一般较差2对学生能力培养及全面训练的程度好较好一般较差3选题与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度好较好一般较差4论文选题的理论意义或实际价值好较好一般较差5课题预计工作量较大适中较小6课题预计难易程度较难一般较易 教研室主任签字： 年 月 日系（部）教学指导委员会意见： 负责人签字： 年 月 日注：课题类型填写 W.科研项目；X.生产（社会）实际；Y.实验室建设；Z.其它。本科学生毕业设计小型车1：5模拟风洞实验室设计系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程07-11班 学生姓名： 陆 川 指导教师： 齐 晓 杰 职 称： 教 授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeCompact 1:5 Simulation Laboratory Design Wind TunnelCandidate： Lu ChuanSpecialty： Vehicle EngineeringClass： 07-11Supervisor： Professor Qi Xiaojie Heilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要 本设计是在市场的需求下，通过对国内外现有的汽车风洞进行调研和分析，设计一座具有低湍流、可变湍流度、低噪声等特色的小型车1：5风洞实验室。在风洞的设计过程中，对其主要部件进行了详细的计算。风洞建成后，结合实验室内先进的测量手段，除了能满足模型的测压、测速、流态观测等教学外，还可以利用该风洞进行从事桥梁、环境污染等工业空气动力学研究工作。 进行汽车研究，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，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展。而汽车风洞的主要任务是正确模拟气流流经汽车车体表面的流态以获得准确的实验数据，实验数据的精确与否决定了汽车气动外形设计的成败。因此，汽车风洞实验能促进汽车空气动力学研究，进行汽车空气动力学研究将能够给我国带来巨大的燃油节省，具有非常大的经济效益和社会效益。关键词：1：5；小型车；风洞；低湍流；实验ABSTRACT This design is in the demand of the market , Through the domestic and international existing automobile wind tunnel research and analysis , Design with a low turbulence, variable turbulence intensity, low noise characteristic of small cars 1:5 wind tunnel laboratory . The design process in wind tunnel , Its main parts made detailed calculation. Wind tunnel after the completion of the , Combining the indoor advanced measuring method , Besides can satisfy model of speed, measure pressure, flow pattern observation on teaching outside , Still can use on the wind tunnel in Bridges, environmental pollution and other industrial air dynamics research work。 For vehicle research，Car wind tunnel is an indispensable test equipment。Car of automotive aerodynamics wind tunnel construction development is of great significance，No cars wind tunnel，Also cant very well put the national automobile industry of forward development。And car wind tunnel is the main task of the air flowing through the body right simulation of the surface flow pattern to get accurate experimental data，Experimental data accurate or not decided the aerodynamic shape design of success or failure。So，Car in wind tunnel experiments can promote the air dynamics research，For automotive aerodynamics research will be able to give our country to bring the huge fuel savings，Has the very big economic benefit and social benefit。Key words：1：5；Small car；Wind tunnel；Low turbulent；ExperimentII目 录摘 要IAbstract II第1章 概述11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 本课题设计研究内容、研究技术路线2第2章 汽车风洞设计研究基础42.1 汽车风洞实验的目的42.2 汽车风洞功能类型及设备42.3 汽车风洞实验模型72.4 汽车风洞实验的准则与规范82.5 本课题采用的模型尺寸102.6 本章小结 11第3章 1：5小型汽车风洞设计123.1 风洞的类型结构确定123.2 风洞试验段几何参数的确定133.3 扩压段153.4 拐角及其拐角导流片173.5 迴流段183.6 稳定段及整流装置193.7 收缩段203.8 风洞能量比、电机功率及风扇的确定203.9 风洞结构设计校核253.10 本章小结26第4章 计算机仿真风洞模型建立274.1 概述274.2 各部件建模274.3 模型总装图384.4 本章小结39第5章 结 论40参考文献41致 谢43第1章 概 述1.1 研究目的及意义汽车作为人类交通工具，它的出现和发展给人类社会带来了无可估量的经济效益和社会效益。伴随着汽车日益走向成熟，汽车产品的开发、设计生产等相关领域的发展也日臻完善，并不断推陈出新，而这一切都与汽车的实验研究密不可分。随着汽车工业的发展，中国汽车工业走自主研发设计之路，迫切需要建立起自己的汽车风洞实验室，掌握和发展自己的汽车风洞实验技术。这样既可以节约开发成本，又可以快速完成风洞技术的发展和积累。同时也可以促进我国汽车空气动力学的研究。为人类、为社会、为中国汽车工业自主研发设计作贡献在当前形势下，国家提出了“节能减排”的政策，号召大力开展推动提高能源利用效率的科技创新。对于交通工具来说，改善汽车等交通工具的空气动力学特性，将是降低汽车燃油消耗，节省能源的重要方式。进行汽车研究，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，既不可能很好地设计出最优的汽车，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展因此，此次研究就是为了设计模拟汽车风洞实验室设计，以最少的费用，最优化的方法对汽车风洞实验室设计。这主要从两方面考虑：一是经济角度出发；二是社会角度出发。首先从经济角度出发：达到节约成本，用最简单的方法去做最复杂的实验。降低了昂贵的费用。为企业创造了更好地经济效益。同时也促进了老百姓的买车能力。为整个社会经济腾飞作贡献。其次从社会角度出发：为了满足行业的需要、为了汽车工业的发展、为了科学研究技术作贡献。1.2 国内外研究现状1、 国外研究国外，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。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。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。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拟设备。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。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。这标志世界汽车研究又进入一个崭新的阶段。2、国内研究目前，我国汽车风洞建设较晚。2002年，吉林大学汽车风洞开工建设。2005年，同济大学上海地面交通工具风洞中心开工建设。现在，两座风洞的建设完成，标志着中国汽车研究进入一个新的阶段。在国内，虽然建设了国内专业的汽车风洞，但是在汽车风洞实验技术上还存在很多不足，国内还不能提供准确可靠的实验方法，制约了汽车技术的提升，不利于我国汽车工业的发展。为了我国汽车工业更好地发展，就必须对国内的汽车风洞实验设备进行充分掌握，改进试验设备，完善试验技术，提高试验精度。1.3 本课题设计研究内容、研究技术路线1、本课题设计研究内容：1）进行1:5小型车模拟风洞实验室平面布局设计；2）进行风机选择和校核，前后稳速仓栅设计，测试仓设计，测试台设计，环状风道设计，P型引风口设计，台架支撑结构设计；3）根据设计系统进行校核；4）绘制设计系统总图和上述部分的结构装配图、零件图。2、研究技术路数： 调查研究、收集资料总体布局设计各环节布局、设计 N 各环节技术的校核 Y总体修订 总体校核 N Y研究成果图1.1 技术路线图第2章 汽车风洞设计研究基础2.1 汽车风洞实验的目的汽车风洞实验的目的在于得到准确的反映汽车行驶状态下的空气动力特性数据。汽车风洞实验研究下述几方面问题：（1）研究汽车空气动力特性，包括汽车的气动阻力特性和操纵稳定性等，即通过风洞实验研究汽车的流场作用在汽车上的力和力矩。（2）通过汽车表面的压力分布与流场性能的分析，研究汽车各部件的流场。如雨水的流动路径、污垢附着的作用原理、风噪声、挡风玻璃上的作用力等。（3）发动机冷却气流的进气和排气特性。（4）驾驶室内的通风、取暖及噪声等特性。2.2 汽车风洞实验的类型及设备2.2.1汽车实验风洞汽车风洞是进行汽车空气动力学实验的主要设备，它实际是一个按照一定要求建造的管道，并利用动力装置等设备在管道中产生可以调节的气流，使风洞试验段能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实验的研究。目前世界上的汽车实验风洞很多，按照试验段气流循环形式来分，可以分为回流风洞和直流风洞两种。图2.1为回流型风洞，回流型风洞的特点是通过试验段的气流能经循环系统在返回到试验段，能回收气流的能量，电机的功率小，并且能保持恒定的空气温度和湿度，缺点是构造复杂，设备大，成本高。 (A) （B） （C） (D) 图2.1 回流型风洞图2.2为直流型风洞。其特点是把通过试验段的气流排除在风洞外部。该风洞设备简单，成本低，缺点电机功率大，空气温度难以恒定，流场品质易受外界的干扰。直流型风洞又分为吸入式和吹出式，前者的风机在试验段下游的风洞中，后者的风机设置在试验段上游的风洞中。 （A） （B）图2.2 直流型风洞按照试验段的类型分为开式风洞、闭式风洞及半开式风洞三种。图2.3所示。 （A） （B） （C） 图2.3 风洞试验段形式 A）开式 B)闭式 C)半开式 按照试验段尺寸分类，可分为试验段尺寸几十毫米的微型低速风洞，试验段尺寸为11.5m的小型低速风洞，试验段尺寸为24m的中型低速风洞，试验段尺寸8m以上的大型低速风洞。2.2.2汽车风洞测量设备（1）气动力天平 气动力天平是汽车风洞实验时用来测量模型或汽车的空气动力和力矩的测试仪器。（2）气动力天平的选择原则 1）根据需要测量的模型或实车气动力和力矩数目选择相应的气动力天平。 2）根据需要测量的模型或实车气动力和力矩的大小选择相应测量的范围和量程的气动力天平。 3）要有良好的线性关系，即气动力或力矩的读数随外载荷的变化关系接近或呈线性关系。 4）选择受外界干扰小的气动力天平。 5）选用灵敏度高、强度和刚度的天平。 6）选择精度、准确度较高的气动力天平。（3）气流参数测量仪器 1）压强测量仪器 压强测量仪器主要是压强计、测压传感器及压强传导装置。常用的压强计是液压柱式压强计，有U型管压强计、单管压强计、斜管微压计及多管压强计等。这些压强计大多数是以已知的参考压强作为比较对象进行测量的，参考压强多为大气压强。 目前较多的测压传感器有应变式、压阻式、电容式、电感式及压电式等。压强传递装置主要由压强传递导管和压强扫描阀组成。 2）压强测量 车身表面静压测量 通常在模型表面上沿其法向开小孔，以测量局部静压强。测压小孔直径d应在0.52mm范围内，h/d2，测压孔轴线应尽量垂直壁面，孔内壁光滑，孔口无毛刺，表面五凹坑或凸起。 气流静压测量 在气流场中某一点处放置一静压管，就可以测出该点的静压强。实验前，必须对静压管都进行校准。 气流总压测量 在流场中某一点处放置总压强管，就可以测出气流在该点处的总压强。（4）温度测量仪器 由于雷诺数随温度变化的幅度很大，所以每次实验都要测量并记录风洞的温度。测量温度时通常使用大气温度计，把它放置在没有气流扰动的位置，就能准确地测量。（5）气流速度测量 测量气流速度用风速管。它是由总压强管和静压强管组合在一起而构成的总静压强管。（6）气流方向测量 采用五孔探头和恒温式热线风速仪测量试验段的气流方向。（7）数据采集及处理系统 进行风洞试验时，使用低电平数据采集系统，它由信号调节器、多路开关、低电平放大器、采样保持器、数-模（A/D）转换器、数据记录装置及微型计算机等组成。2.3 汽车风洞实验模型2.3.1 模型尺寸风洞试验模型根据选用的风洞试验段尺寸采用3：8、1：5、1：4、1：10、1：1等比例尺寸。2.3.2 模型的外形和结构 (1) 外形模型 为了保证模型试验的流场与汽车行驶的流场相近，必须保证模型与实车几何相似。根据模型尺寸与实车尺寸之间的比例关系，能够把模型外部尺寸确定下来。对于进气口，驾驶室内流及附面层等还不能用简单的几何相似来模拟，而应采用特殊的模拟方法进行模拟。 1）进气口与驾驶室内流的模拟 汽车行驶时，气流的一部分从前窗底部进入驾驶室，从出口排除，其余气流都均匀地从外表面绕过，通常不发生气流分离。进行风洞实验时，一般不模拟内流，把进、出气口都堵死，仅模拟外部流。如果简单地把进、出气口堵死，实验时气流将在进、出气口处产生分离。为此，在进气口前边加装一个流线型旋转体，既消除了气流分离，又使两个绕流流谱相似。（2）模型结构 模型的结构与汽车结构差异较大，一方面模型结构要尽量简单，另一方面模型除了用于测定整车的空气动力特性外，还用于测定各总成、部件对空气动力特性的影响，因此，模型最好采用可拆卸式的组合结构。模型的结构特点是：其拐角部位、前部和后部以及处于分离区附近的车灯、后视镜、空气进口、空气出口、空调装置、发动机罩和车门缝部位等细部的造型都应特别注意，模型应模拟车底细部，车底部后桥、传动系、排气管等的凸凹应能再现，车轮模拟可转动的状态。 此外，要求组合模型的各部分能方便而准确的安装。为此，要求模型安装系统必须具有足够的刚度，确保偏转力不能引起测量误差；必须在地板上按精确比例装配模型，使模型呈现原型的姿势；安装时，模型与地板以及支架与地板都不能发生干涉；模型连接在气动力天平上时，不得产生太大的气流干扰。2.3.3 模型的材料与加工 风洞实验模型大多采用核桃木、楠木及红松等优质木材制造，对于小而薄的结构，也可以采用铝等金属制造。在风洞实验时，由于模型上承受的载荷较小，优质木材能满足强度要求，并且木材易于加工，便于局部修改，所以优质木材是较理想的制造模型材料。但是木材也存在缺点，易变形，因此加工前应对木材进行干燥处理，并且最好把木条加工成方条，用粘接剂把方条粘接在一起，作为毛胚。2.4 汽车风洞实验的准则与规范2.4.1 汽车风洞实验概述 汽车风洞实验是将汽车或者汽车模型安置在汽车风洞中，开启风洞产生固定速度的风，采集固定风速下汽车受到的气动六分力数据，进过数据处理得到六分力系数；也可以采集汽车车身表面气动力等数据，获得车身表面压力分布；或者借助某些流动显示和测量手段，对汽车周围流动进行显示和测量。 汽车风洞实验，有定量实验和定性实验。定量实验和定性实验相结合，是汽车空气动力学研究的有效方法。定量实验是指天平测力实验和压力分布实验等，可以直接测定作用在车身上的气动力、力矩和压力值。定性实验是指流态显示实验，如烟流法、丝带法、油膜法、激光流态显示法等。通过流态显示实验能直接观察流场，对流场进行定性分析，再结合六分力测量和压力分布测量等定量实验结果，就能够了解流场的流动机理，如涡流、分离现象等。判断流场的气动特性。2.4.2 汽车风洞实验准则（1） 实验风洞应产生足够的均匀流场，其中包括均匀的风速分布和流向分布、低紊流度以及模拟路面的薄的边界层厚度。（2） 实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。（3） 雷诺数模拟。雷诺数主要影响模型表面的附面层状态，即影响附面层的层流、紊流、转捩点的位置以及分离点的位置，从而影响模型的最小气动阻力系数Cdmin及最大升力系数Clmax，因此要求实验时的雷诺数尽量接近实车行驶时的雷诺数。 雷诺数是表征流体粘性对其气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： (2.1)式中 流体密度； 流体粘性； 物体特征长度； 速度； 由于风洞中的工作介质是空气，其温度与大气相差不大，因此空气密度p、粘性u与大气也相差不多。由式(2.1)可知，要使实验时的雷诺数与实车行驶时相等，应使v、L相等，即模型的尺寸比实车缩小多少倍，应使实验风速增大增大多少倍。但是，由于风速的提高受到压缩性的限制，这就限制了雷诺数的提高。又由于风速的提高，气流的能量损失迅速增大，消耗的功率也急骤增大，因此一般的实验风洞很难做到实验时的雷诺数与实车行驶时的雷诺数相等。 为了满足雷诺数相似要求，通常要求基于汽车模型长度的雷诺数不小于，该值被称为临界雷诺数。除雷诺数效应外，在高速气流试验的情况下，还存在压缩性的问题，但对汽车风洞实验可认为不存在压缩性的影响，因此可在此条件下进行汽车空气动力学实验。（4） 尽量排除风洞实验中的支架及洞壁的干扰。为了限制洞壁干扰的影响，一般汽车模型在横摆角为零时的正面投影面积不超过试验段横截面积的5，高度不超过试验段高度的30，在有横摆角的情况下，模型的宽度应小于风洞宽度的30。如果超过其上述数值，则要对其洞壁干扰修正，以达到消除洞壁干扰的目的。 （5） 风洞流场的动态校准。模型放置在风洞之前，应对空风洞进行流场的动态校准。要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、横向气流偏角、纵向气流偏角、气流均匀性等流场特性以及放置模型前缘位置的地板边界层厚度。2.5 本课题采用的模型尺寸根据实验需求，模型尺寸1：5比例尺寸，实验车型选择长安轿车“志翔”作为试验车，该车的基本参数如下表2.1、图3.2所示； 基本参数长/宽/高（mm)4600/1800/1475轴距（mm）2650轮距（前后）（mm)1500/1487最小离地间隙（mm)138油箱容积（L)58 表2.1 图3.2 对于本文的研究，空气密度,大气压力为标准大气压，试验风速v=60ms,模型特征长度L=920mm,空气粘度,则对应的雷诺数为： （2.2）2.6 本章小结 本章主要介绍了风洞实验的类型及其设备，风洞实验的准则与规范，汽车风洞试验模型。为以后的研究奠定了良好的基础。第3章 1：5小型汽车风洞设计3.1 风洞的类型结构确定1、类型结构确定 本文主要对汽车风洞实验室结构进行设计，经过前面的介绍及其对比，本课题采用1：5模型结构，风洞的结构形式采用单回流闭式风洞实验室。采用该结构的风洞其特点比较优越。布局如图（3.1）所示： 图3.1 风洞的各部件下面对风洞的各个部件进行介绍：（1） 试验段。风洞中进行模型试验的部件，是整个风洞的中心；（2） 扩压段，又称扩散段。是把气流的动能转变为压力能，以减小风洞的损失；（3） 拐角。共四个拐角，扩压段后为第一个拐角，依次是二、三、四拐角；（4） 拐角导流片。为了保证气流经过拐角时改变流动方向而不出现分离，四个拐角都必须安置拐角导流片；（5） 风扇；（6） 电机。电机一般装在整流罩内，但是也可以装在风洞外，用长轴传入而带动风扇旋转；（7） 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；（8） 迴路段。把空气导回到试验段上游的管道；（9） 稳定段。使气流保持均匀的稳定的管道。内装蜂窝器整流设备；（10） 蜂窝器。主要对气流起导直的作用；（11） 收缩段。使气流均匀加速的收缩管道；2、对汽车风洞性能的基本要求：（1） 气流的主流品质 要求纵、侧向速度的均匀性、紊流度和尺寸要模拟真实道路状况。（2） 限制试验段洞壁对流场的干扰 为了限制洞壁的干扰影响，美国汽车工程师协会制订了“汽车风洞试验准则规范”。 （3） 实验雷诺数与实际雷诺数相似。 （4） 试验模型与实车的几何形状相似。3.2 风洞试验段几何参数的确定1、试验段设计的基本要求 （1） 试验段的气流品质要达到要求。最基本的是气流必须是均匀的稳定的。 （2） 试验段的口径与截面形状。试验段的口径对圆截面是指它的直径，对非圆截面是指其截面特征长度。但是在满足试验要求的前提下，口径应尽量小。 （3） 试验段风速。对风速的要求主要来自雷诺数。风速大一些，风扇的效率比较高，风洞的能量比也高。但是驱动功率是与风速的三次方成比例。 （4） 装卸模型方便。 （5） 安装有关设备方便。 （6） 试验段必须安装门窗，一方面是为了实验人员和模型的出入；另一方面是为了观测和摄像等。在可能的情况下，门窗尽量大些。2、试验段截面气动外形的选择 对于汽车实验风洞，选择试验段截面气动外形的原则是：在满足试验要求的前提下，采用最小的截面面积，以减小风机驱动功率；在给定截面积的情况下，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。以下是可供选择的风洞试验段截面形状，如图3.3所示。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。后者是参照汽车截面的轮廓线按照比例放大的，其截面面积与截面B的截面面积相等。这三种截面形状中，B、C两种截面形状较适宜汽车风洞实验。 图3.3 试验段的截面形状 3、试验段几何参数的确定（1） 截面的高宽比 考虑到实壁边界对汽车模型试验的影响，以Br/Hr=1/3作为实壁试验段中参数选择的依据（Br=BL/B0,BL为垂直风洞中心线测得的模型水平方向的最大宽度，B0为试验段两侧壁间距；Hr=HL/H0，HL为模型最高点距地板的距离，H0为地板与风洞顶壁间的距离，如图3.4所示） 图3.4 试验段的截面尺寸（2） 试验段长度 进行汽车风洞实验时，要将试验模型置于实验地板上，该地板的长度除了能容纳模型及其前方的流动均匀流场外，还应留出边界层控制装置所需要的长度。此外，在模型的下游，还要留有足够的长度，使气流在进入扩散段前，其尾流获得充分的发展。这样对提高风洞运转效率有利。一般地板的长度为模型长度的57倍，宽度至少为模型宽度的2倍。（3） 非对称切角尺寸 汽车实验风洞多采用沿轴向呈线性变化的切角填块来消除洞壁边界层位移厚度对流场轴向压力梯度的影响。入口截面切角高度和出口截面下截角高度是固定的，出口截面上切角高度是可以调节的，以便在流场校测中，根据不同的实验条件与要求来调节高度，直到获得满意的静压分布为止。（4） 实验地板在试验段中的垂直位置 选择实验地板在试验段中的垂直位置的原则是：有用实验截面面积应尽可能大，以减弱顶壁的干扰；地板下部流动阻力应减至最小，以防止地板前缘流线弯曲；保证不同缩尺比例的模型均可置于试验段中心区进行试验。 所以根据第（3.2）、（3.3）章节，就可以确定试验段的几何参数。已知试验车长L=4600mm,宽B=1800mm，高H=1475mm，比例尺寸1：5，所以则有模型尺寸长L1=920mm，宽B1=360mm，高H1=295mm。 根据Br/Hr=1/3，Br=BL/B0，Hr=HL/H0得： (3.1)所以有： （3.2） 一般地：地板长度应为模型长度的57倍；宽度至少为模型宽度的2倍。所以取地板长度为模型长度的5倍，宽度为模型宽度的5倍。所以有： ； ； （3.3） ；3.3 扩压段 扩压段也称扩压器或扩散段。扩压段的作用是把气流的动能变成压力能。在没有分离的情况下，气流在扩压段的损失主要有两种，一是摩擦损失。另一种是扩压损失，但本质是摩擦损失。 设扩压段的入口截面积的参数为P1,V1,D1,出口截面的参数为P2,V2,D2。扩压段的几何特性如图3.5所示： 图3.5 扩压段入口截面参数流经扩压段的总损失为： (3.4) 摩擦损失为： (3.5) 扩压损失为： (3.6) 所以总的损失为： (3.7)压力损失系数为： (3.8)从以上公式可知，当扩散比一定时，随扩散角a的增大，扩压损失增加而摩擦损失减少。总损失先减小后增大（如图3.6）所示：有一个最小值。即最佳扩散角： （3.9） 图3.6 扩压段损失系数 （）影响扩压效率的主要因素是扩散角。管道的截面形状、扩散比以及壁面粗糙度等也有影响。如果扩散角过大，虽然可以缩短扩压段长度，但在洞壁上容易发生气流分离，造成很大的气流损失，不仅使扩压效率降低，而且会影响气流品质。但是扩散角又不能过小，小了会使整个风洞的造价提高。所以要选择适当的扩散角。3.4 拐角及其拐角导流片 在回流风洞中，气流沿洞体循环一次转360，在单回流风洞中，气流需要通过四个90拐角。在有些高压的环形回路风洞中，气流通过二个180的拐角。 拐角是风洞的一个重要部件。气流在四个拐角的全部损失可以占风洞总损失的4060。气流经过拐角是容易发生分离，出现很多漩涡，因而使流动不均匀或发生脉动。因此必须装拐角导流片，目的是防止分离和改善流动。 沿风洞转角对称线上布置一排垂直的导流片，称为拐角导流片，是减少损失的一个很有效的措施。加导流片后，相当于保持当地的转弯半径R，以及风洞高度W不变，从而大大的减少流动的宽度D。从物理意义上看，加导流片后，气流转弯的离心力作用于导流片上，避免了气流的压力增加，同时也是流动更加顺畅。 单回流风洞的每个90拐角都必须设置拐角导流片，每排导流片的数量为1020个，有时多至40个左右，导流片之间的相互位置应保持以下的关系：设导流片的弦长为C，间距为D1。D1/C值常在0.30.6之间。W/D1值大于6。 下图为导流片改善流动状态的情况如图3.7所示： （a）没有导流片 （b）有导流片 图3.7 拐角流动的速度分布 下图为导流片的剖面形状及其导流片的性能如图3.8、表3.1 所示： （a）圆弧型 （b）圆弧带直线型 （c）翼剖面型 图 3.8 导流片的剖面形状 表 3.1 各种导流片的性能剖面形状最佳间距比（）损失系数KRe（C为特征长度）圆弧型0.3左右0.2040000左右圆弧带直线型0.5左右0.13840000左右翼剖面型0.4左右0.1140000左右 此外，在选择导流片时，要根据实际情况选择相应的导流片。3.5 迴流段 在风洞管道中，风扇系统后至第三拐角和第一二拐角之间的迴流段，经常仍采用扩张管道，因此也是一个扩压段。之所以要继续扩张：一是为了继续把动能转变成压力能，减少气流损失，尤其是经过拐角和整流装置的损失；而是增加管道面积，以得到比较大的收缩比。迴流段的平均速度比较低了，因而损失不会大，若为了缩短风洞的总长度，可以采用比较大的扩散角，如a=89。但是也可以采用6的扩散角，以减少气流分离的可能性。3.6 稳定段及整流装置 稳定段又称安定段。整流装置为蜂窝器，目的是使气流均匀或降低紊流度，所以为整流装置。收缩段的设计，以均匀来流为前提。如果来流不均匀，则收缩段出口的气流也是不均匀的，紊流度也比较高，甚至可能存在大的漩涡。因此，气流进入收缩段之前，必须经过一个稳定段，以及蜂窝器等，使气流变得均匀，从而保证试验段流场的品质（1） 稳定段 稳定段通常是一个等截面管道。稳定段对气流的影响是由于它的长度。相当长度的等截面管道对气流有稳定作用。如果稳定段中不设置任何整流装置，它就必须足够长，使得气流在流动的过程中有足够的时间调整运动方向、速度分布并衰减紊流度。实际上一般稳定段都设有整流装置。 稳定段的长度首先要保证安装蜂窝器，其次还必须要有一段长度，使气流经过后逐渐稳定。因此为满足要求，稳定段的长度一般按一下数据确定：收缩比小于5，稳定段的长度为直径的1.01.5倍；如果大于5，则长度为直径的0.51.0倍。收缩比定义为收缩段入口面积与出口面积之比，即稳定段与试验段面积之比。这样有利于改善气流性能有好处。（2） 蜂窝器 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，蜂窝器的作用是是在于导直气流，使其平行于风洞轴线。同时，蜂窝器对气流的摩擦还有利于改善气流的速度分布。 蜂窝尺寸一口径M和长度l表示，如图3.9所示，图3.10是几种比较常见的蜂窝格子以及长径比l/M=6时，各种蜂窝格子的损失系数K。 图3.9蜂窝器尺寸 图3.10常见的蜂窝器格子及其损失系数 影响蜂窝器性能的主要参数是蜂窝器长度l和口径M。长度l越大，整流效果越好，但损失增加。M值越大，蜂窝器对降低紊流度的效果越显著。一般的参数范围为 l/M=510；M=530CM。具体尺寸应该根据稳定段大小及气流的性能要求而确定。3.7 收缩段 收缩段是风洞中至关重要的部分。收缩段的作用是加速气流，使其达到实验所需要的速度。收缩段应满足以下要求。（1） 气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离。一般说来，气流在加速过程中是不易分离的。只要壁面收缩不太剧烈，分离是可以避免的。（2） 收缩段出口的气流要求均匀、平直而且稳定。（3） 收缩段不宜过长。收缩段过长，会使风洞建设投资增加，而且能量损失也增大。收缩段的性能主要取决于收缩比。即收缩段进口面积与出口面积之比。 此外，收缩段长度一般可采用进口直径的0.51.0倍。收缩比越大，长度与进口直径的比值越小。3.8 风洞能量比、电机功率及风扇的确定气流在风洞管道内流动时必然会有能量损失。这种损失来自几个方面。一是气流与固体边界包括洞壁、拐角导流片、蜂窝器以及各段等的摩擦；一是物体表面的气流分离，引起漩涡，紊流等。在相同的试验段流动条件下，气流经过风洞的回路的损失越小，则需要风扇补充的能量就越低。风扇和电机的效率就越高，消耗的电能就越低。因而存在一个风洞效率问题，而度量风洞效率的参数就是能量比。 能量比定义为试验段气流的动能流率（即单位时间通过的动能）与通过动力系统输入风洞的功率之比。由于计量输入功率的范围不同，可以有三种不同的能量比。(1) 以电网输给风洞电机的功率作为输入功率，包括电机在内的能量比： (3.10)式中，p,v0和F分别为气流的密度，速度和试验段截面积。E和I为输入电机的电压和电流。（2） 以电机输给风扇的功率作为输入功率，包括风扇在内的能量比： （3.11）式中，N为电机的输出功率，即输给风扇的功率。,为电机功率。（3） 以风扇输给气流的功率为输入功率的风洞能量比： （3.12）式中为风扇系统的效率。由以上定义可得下式： （3.13） 由于电机和风扇效率都小于1，所以必有 （3.14） 风扇系统前后的压力增量为P,风扇系统输给气流的功率等于压力增量乘以流量。在风洞稳定运转时，这个压力增量就是整个风洞的回路中的气流的全部压力损失，它等于气流经过各个部件的损失总和。所以 (3.15)式中K0为气流经过各个部件的当量损失系数。当量损失系数定义为压力损失除以试验段动压。将（3.15）代入（3.12）式，考虑到 则有 （3.16）可见，风洞的能量比是风洞损失系数的倒数。各个部件的损失越小，则最终的能量比就越大。 风洞由于设计的不同，以及风扇、电机的效率差别很大，能量比的变化范围比较大。其值如下： 开路风洞 0.50.6 单回流开口风洞 1.54.5 单回流闭口风洞 37 在设计风洞过程中，必须对风洞的能量比进行估算。一方面是检验设计的质量，更重要的是确定风洞的功率，由此选择电机。估算能量比的方法有三种：（1） 将设计的风洞与现成的类似风洞比较，粗略估计。（2） 测定模型风洞的损失系数，进而求出能量比。（3） 运用理论和经验公式，逐段计算风洞的各部件的损失，从而得到风洞的总损失，由此确定风洞的能量比。 由式（3.16）推出风洞所需要的功率： (3.17) 现只要求出风洞每一段的当量损失系数，就可以求出风洞的能量比。下面分别计算每段的当量损失系数：（1） 试验段损失 试验段损失系数就是当量损失系数，对于试验段为非圆截面，则以水力直径代入。管道的水力直径为 (3.18)式中，S为截面积，C为截面积周长。 试验段的损失系数为当量损失系数： （3.19） 已知 l=920mm Re由（2.2）得 所以试验段损失系数由式3.18、3.19得 =0.0555（2） 扩压段损失 气流经过扩压段的损失，由式（3.8）、（3.9）可得， 所以 = =0.0441 所以 因为 所以 =0.0496（3） 迴流段 迴流段也有扩散角，实际上也是一个扩压段，仍按照式（3.8）计算损失系数，其当量损失值为 式中F1为迴流段入口截面积。所以迴流段的损失系数为：(4) 拐角(1、2) 气流经过的拐角由两部分组成。一部分是气流经过拐角导流片的摩擦损失，另一部分是气流拐弯时出现的分离而导致的损失。拐角损失由经验公式计算得： = =0.0477（5） 同理，拐角（3、4）的损失系数为： （6） 蜂窝器采用长径比等于6的方形蜂窝器其当量损失系数为 K由图（3.10）得K=0.22，所以当量损失系数为： =0.01375所以总损失系数为 =0.25045所以风洞能量比为 所以符合单回流闭口风洞能量比 = 37的要求。计算正确。根据式（3.17）得风洞所需要的功率为 取=0.6 =0.7，则有 =所以风扇的功率为 所以电机的功率为 =（6） 风机的风量 选定的风机的风量应该与通过试验段的风量相等，即 (7) 风机的选取 根据前面已经求得的风机的功率N及风机的风量，选择一台合适的标准的轴流式风机。经过广泛调研、查风机手册，确定风机的型号为2K604 DS2NO.18。其风量为72000324000，全风压2943491Pa,叶片数量14个。根据风机的型号，就可以确定风机叶轮直径：NO.18=18100=1800mm,叶轮轮毂直径为：叶轮直径乘以轮毂比。即叶轮轮毂直径=18000.6=1080mm。由风机的内径就可以确定风洞动力段的内径，并由此确定风洞的总的气动轮廓图。3.9 风洞结构设计校核 1、 材料的选取 根据前面的计算，风洞结构采用全钢结构。查机械设计手册，风洞所需的钢采用Q235NH钢(GB/T41722000、GB/T41712000)。风洞由厚度为20mm钢板焊接而成。查机械设计手册，该型号钢板的力学性能为、。 风洞地基为钢筋混凝土结构，动力段用螺栓直接固定在地基上，其余部分全部采用槽钢立柱支撑。 2、 各部分尺寸计算 （1） 稳定段长度 由前面得知，结合实际情况得稳定段长度为3600mm。 （2） 收缩段长度 由前面得知，收缩段长度为1800mm。 （3） 其余部分由实际情况而定。其它部分的参数及其细节前面已经论证。由此不再叙述。 3、 校核 根据前面的计算结果及其满足实验的要求，以下对材料进行验算。根据压力公式可得，所以有： 又因为,则有： 由于风洞洞体近似容器，在理想状态下，容器内所受压力处处相等。所以则有： 在整个风洞中，试验段的截面积最小，因此所受的压力最大，所以有： 符合要求，校核结果正确。所以所选材料符合要求。3.10 本章小结 本章主要对汽车风洞实验室的各个部件进行了设计计算、汽车模型的确定以及风洞所需要的材料进行了确定。对整个风洞实验室的设计结构进行了校核，最终满足实际要求。达到了设计目的。 第4章 计算机仿真风洞模型建立4.1 概述 本设计运用Pro/Engineer软件建模。Pro/E是美国PTC（Paramatria Technology Corporation）公司开发的机械设计自动化软件，也是最早实现参数化技术商品化的软件，在全球拥有广泛的影响。它的功能齐全、强大，如特征建模、装配建模、有限元分析、曲面造型、产品数据管理等。所以运用该软件完成对本设计的建造。4.2 各部件建模 该风洞由试验段、扩压段、拐角、动力段、迴流段、稳定段、收缩段、地基、连接件构成。下面对各个部段进行建模。1、试验段建模图 4.1 试验段模型2、扩压段建模 图 4.2 扩压段模型 图 4.3 扩压段模型3、拐角建模拐角包括第一拐角、第二拐角、第三拐角、第四拐角及其拐角导流片。（1） 第一拐角模型 图 4.4 第一拐角模型（2） 第二拐角模型 图 4.5 第二拐角模型（3） 第三四拐角模型 图 4.6 第三四拐角模型（4）拐角导流片模型 图 4.7 导流片模型4、动力段建模图 4.8 动力段模型 图 4.9 动力段模型5、迴流段建模 图 4.10 迴流段模型6、稳定段建模（稳定段包括蜂窝器部件）图 4.11 稳定段模型 图 4.12 蜂窝器模型7、收缩段建模 图 4.13 收缩段模型8、地基模型 图 4.14 地基模型9、连接件模型 图 4.15 连接件模型 图 4.16 连接件模型4.3 模型总装图 图 4.17 模型总装图 图 4.18 模型轮廓线图4.4 本章小结 本章利用Pro/Engineer软件建模，完成了对整个汽车风洞实验室的整个布局，经过反复验证，符合试验要求。第5章 结论本文运用有所学知识，根据相关资料对汽车风洞的结构进行设计，同时运用Pro/Engineer软件建模、C
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