国内外汽车风动实验的发展现状

1、华南农业大学国内外汽车风动试验的发展现状姓名：班级：车辆一班学号：引言空气动力学在汽车的发展过程中一直起着重要的作用。以轿车外形为例，从本世纪初的福特T型箱式车身到30年代中型的甲虫型车身，到50年代的船型车身，到80年代的楔型车身，直到今天的轿车车身模式，每一种车身外形的出现，都不是某一时期单纯的工业设计的产物，而是伴随着现代空气动力学技术的进步而发展的。了解汽车与空气动力学的关系，有助于改善汽车以下一些性能：燃料经济性、高速操纵稳定性、车速、侧风稳定性、发动机制动器冷却、气动噪声、舒适性、车身表面清洁等。空气动力学的主要研究方式包括风洞试验、数值计算、实车路试。其中，风洞试验是目前汽车空气

2、动力学最主要的研究手段。美国、日本以及欧洲的德、法、意、英等国的知名汽车公司都有许多汽车风洞，许多企业和赛车队还依托学校和研究所进行风洞试验研究。近年法国在巴黎郊区法国国家科技研究院空气动力技术研究所附近新建两座汽车风洞，用于汽车空气声学研究。可见即使在汽车产业已经相当发达的国家，对风洞试验仍是相当重视的。近年来，经济的高速发展促使国内汽车市场急剧膨胀，带动了汽车产业的增长，汽车生产厂家众多，竞争激烈。国内各汽车企业在引进、消化外来技术的周时，开始逐步发展独立的开发能力。不过，由于国内各生产厂家几乎没有风洞以及类似的设备，风洞试验主要依托院校和研究所进行。北京空气动力研究所低速风洞，同济大学的

3、TJ一2风洞，南京航空航天大学的3米低速风洞，气动中心的4米X3米风洞、吉林大学的汽车风洞等都能进行较大比例（174左右）的汽车模型试验，配套设备齐全，有各种天平、压力传感器、地板装置、流场显示和测量装置等。不过，目前国内只有中国空气动力研究与发展中心（以下简称气动中心）的12mX16m/SraX6m大型低速风洞能进行全尺寸汽车风洞试验。笔者参加了近八年来在气动中心进行的二十余种车型的实车风洞试验研究，本文对实车风洞试验的特点以及其对汽车行业发挥的作用进行了探讨。由于气动中心是中立的研究单位，本文不标明所引用的型号报告名称，不引用具体的试验数据。实车风洞试验结果的主要特点国内的风洞试验只有两类

4、：正常环境条件下的模型试验和实车试验。通过对一些型号模型试验和实车试验数据对比分析，发现存在一些比较明显的差异，仔细分析居，可以找到一些原因，这也反映出实车试验的特点。（1）实车试验阻力系数结果通常比缩比模型的结果大。这主要是因为缩比模型无法模拟实车的细节，这些细节的重要性可以通过奥迪100一III型的设计来说明。最初以1/4比例模型做风洞试验，所得到的阻力系数为0。17。进行细部最佳化试验时，由于模型太小，无法反映出细节的改变，所以用1/1油泥模型在全尺寸风洞内试验得到的阻力系数为025。工艺化后才到0.30。奥迪100-M型采用的大部分减阻措施都无法在缩比模型中得到准确反映，而这些措施的效

5、果是相当明显的。例如，侧窗周围表面平齐后，阻力系数减小了0014：减小冷却空气入口减阻0005，车身底部设计减阻0005这些措施总的减阻效果在006左右，约占最终总阻力系数的20。当然，如果是足够精细的11模型，这种差异可以忽略。这些细节对其他几个分量也有明显的影响，但不如阻力有规律性。在气动中心试验过的一些未定型生产、部分手工制作的样车和工艺较差的试验车上，可以看到发动机舱盖关闭不严，窗、门密封胶条不规则突出，一些重要部件不对称或安装不对称等现象。由于难以在试验现场进行处理，得到的试验结果很可能就不具备代表性。实车结构特性的影响。实车是弹性体，其减震系统会随空气动力进行自身姿态的被动适应。一

6、些弹性系统较好的实车在风洞试验时，通过车身表面的反光可以观察到其车身攻角发生微小变化，有顺流的趋势。由于车的重量很大只要弹性系统无法约束车体萤0的略微移动，就会对测垂结果造成较明显的影响。因此，也不难理解实车试验的精度低于模型试验。国际上通常在实车实验时要求将脚刹车刹死，很可能就是为了尽可能地抛开结构的影响，单独考察外形设计的效果。因此，车身的安装状态就很重要了。刹死脚刹后，车身姿态应当与行使过程中一致；否则，没有了弹性系统的姿态调节作用，测到的结果就与实际有偏差。但是，行使过程中的姿态难以了解，所以一般的做法是，试验车初始姿态与静止姿态一致，在刹死脚刹的条件下测量攻角变化的影响，根据一个攻角

7、范围内得到的气动力，确定一个值或以平均值作为结果。如果对攻角变化灵敏，可以结合阻力和俯仰力矩的结果判断车的行使姿态。在气动中心测试过的车型中，只有极个别对攻角比较灵敏的。所以一般可以只在初始攻角下试验。附面层对实车试验和缩比模型试验的影响。如果将行使中车辆的底部和路面看做两个粗糙平面，两者相对运动，车底表面会出现附面层，路面附面层厚度为零；风洞中车底和风洞底壁相对静止，而都和气流有相对运动，车底和风洞底壁都会产生附面层。所以，在汽车风洞中设计的不同地板装置如移动地板、附面层抽吸装置等，都是为了消除风洞底壁附面层的影响，模拟车的路面行使条件。现在除吉林工大的风洞有移动地板外，国内其他风洞都很难将

8、地板附面层消除到可以忽略其影响的地步，所以试验时必须考虑本风洞地板附面层厚度和车身离地间隙的关系，否女0对结果的真实性有一定的影响。根据对多期试验结果的分析发现：如果车辆离地间隙相对于附面层厚度较高，那么即使没有移动地板或附面层抽吸装置，结果也是逼近真实的；如果离地间隙只略大于附面层厚度，那么由于附面层阻碍了车底的顺畅流动，阻力结果一般会偏大，升力和俯仰力矩也会受到明显影响；如果离地间隙小于附面层厚度，一部分本应在主流中的车身却淹没在附面层内，车底流动受到的影响也更大了，其综合效果使阻力可能偏大也可能偏小。同样的地板附面层厚度下，模型车由于离地间隙小，受到的影响更大，所以模型汽车风洞的附面层应

9、当控制得更加严格。气动中心的实车风洞试验研究概况12rexl6m/SmX6m风洞是一座开路式、闭口、串列双试验段大型低速航空风洞。实车试验在安装了车辆试验地板之后的第二试验段中进行，常用风速20m/s75m/s。20世纪80年代初，在该风洞中成功地完成了SH760A轿车、Yb（-200小客车和TOYOTA-Crow5R轿车实车的空气动力特性研究；随后，在协助长春汽车研究所、湖北十堰东风汽车工程研究院等单位进行空气动力研究的过程中，进一步发展了实车试验技术。迄今为止，已与国内多家骨干单位合作，进行了三十多个车型的实车风洞试验研究。该风洞配有西台盒式应变天平和一台外式应变天平，可用双天平前、后桥测

10、力和革台外式天平测力两种方案，对自重在5吨以内的实车进行试验。由VXI系统承担风洞测力试验的数据采集。测压设备方面，除机械扫描阀外，还配有美国Scanivalve公司出产的Hyscan2004和Bsm3200电子扫描润压力测量系统。其中Bsm3200可以一次实现约500个测压点的准同步测量，在电源改造后可用于在路试条件下进行压力测量。采集压力信号时，根据车身表面曲率，采用车身打孔和贴拍式压力感受器结合的方法。已经对这两种信号采集方式的差异进行过研究，而且减小管路干扰方面有成熟经验。除可以用丝线网格显示尾流外，还自行研制了排管式和单管式两种烟流发生器，效果很好。在对某车型后视镜进行流场显示时，拍

11、摄的照片清晰地显示出后视镜后的倒卷涡流和在后部流场拖曳出的波状轨迹（附图）。此外，还进行了其他一些试验技术研究。如用七孔探针、热线等测量进气口、翼子板内、刹车片附近、驾驶室内的速度或方向场，用单分量天平测量发动机舱盖气动力，用三摄像头图象分析系统测量车体或发动机舱盖位移量等等。试验装置方面，在航空地板的基础上改造而成的车辆试验地扳，在地板调节缝处采用涡吸除方式，在满足支撑系统使用要求的前提下，明显降低了地板附面层；支撑系统可以满足轴距在45米以内，轮距在2米以内的实车试验要求。近期国内实车试验需求分析和主要技术问题目前各企业的研究院以及泛亚、佳景、同捷等设计研究机构完成的新设计或大的改型设计在

12、国内现有车型中只是少数，多数直接由外方在国外完成。而且，据了解，国内设计工作实际上多属于对来自外方的已经规模化生产的车型进行改进设计。众所周知，国外大公司的新车型研发是相当科学和成熟的，来自这些公司的车型在空气动力设计方面也比较成功，并经历了市场的考验，改进的余地本就有限。此外，即使有诸多方面可进一步改进，对已规模化生产的型号做的改动一般也不能太大，否则将投入巨额经费用于模具、生产线等的改造。所以，国内的外形改进工作内容并不多。汽车空气动力学发展到今天，一般改进措施的基本效果已成为业内常识。因此，在这不多的改进设计工作中，只有部分是需要风洞试验进行准确验证的。也就是说，现阶段国内汽车行业对汽车

13、风洞试验的需求不多。尽管需求的数量不多，但种类齐全。根据国内现状，将这些需求的主要技术问题按照轻重缓急排列如下：（1）风洞的相关性研究。由于风洞和配套设备的差别，常常造成试验结果的系统性偏差。为能方便地对世界范围内的不同车型的气动性能进行比较，就要尽量去掉这种差别，进行风洞的相关性研究（实际上是以风洞为标志的试验平台的相关性研究）。这需要在不同风洞中对相同的试验对象进行测试，并对不同试验平台下的结果比较分析国内好几家合资企业都可以提供车辆，却得不到相应的国外风洞的实车试验数据（据了解，合资外方普遍只“授人以鱼”）。所以，实车试验相关性研究的问题，还需要气动中心和国内汽车行业的共同努力才能得到解

14、决。（2）解决中重型、重型货车风洞试验的难题。如今，货车里重型货车的比重在增加，载货车产品向大吨位、大马力、高效率发展，逐步与国际接轨。相对轿车而言，我国在货运车辆上拥有的自主知识产权多些，对风洞试验的需求也逐步增多。中重型、重型长途货运车由于几何尺寸大（轴距5米以上），自重大（10吨量级），需要新研制合适的车辆支撑装置，以及配套的天平设备（大刚度、大载荷、符合车辆的六分堑气动力匹配规律）。也可以用12或更大的模型进行试验，但必须研究组合模型（可通用的基本骨架十外形模块）才能满足不同型号的要求。汽车内流测量和局部流场的精细测量，如发动机舱内流、驾驶室内流、尾流等的测量。发动机制动器的散热是很重

15、要的问题，但其所处的空间里，布局紧凑，流动复杂，使用常规仪器设备测量了解流动情况就很困难，更谈不上对流动进行准确的引导。一些单独测试冷却风扇流量的类似小风洞的设备无法模拟使用条件，实用性有限。透明舱盖和在舱内产生示踪介质的方法可以直观显示流动情况，却还需解决定量问题。已经有一些方法可用于内流和尾流的测量，但难以为数值分析提供足够的数据。发展相应的测试方法和设备是解决这一问题的关键。气动噪声测量及降噪研究。在气动中心进行某车型实车风洞试验时，车内人员发现在某车速区问出现噪声激增伴随后视镜振动的现象并得到路试人员的证实；一些厂家无法对气动噪声较大的车型进行测试和改进。实际上，包括航空界在内，目前国

16、内没有一座能够真正用于型号试验的声学风洞，填补这一空白是必然的趋势。建立系列试验结果的数据库，以完善数值计算的工程或经验修正方法。目前除国内发展起来的一些计算方法外，FLUENT等商业软件得到了广泛的应用，加上硬件升级换代，数值计算能力不断提高。数值计算有周期短，成本低，易于进行的优点，有好的经验修正公式或方法才能提高其实用性。发展前景和技术协作模式探讨对于企业而言，修建风洞、添置专业设备、发展技术，需要的周期太长，而且独自拥有完整配套的研究机构是否必要也是个问题，所以近期内仍将依托科研单位，但在投入经费时会很慎重；对于企业外的科研院所而言，已经有了风洞和多数的必要设备，再添置一些设备或进行技

17、术改造，在短期内就可以满足除特种试验外的多数需求，但不可能在没有明确经费支持或必然回报的情况下自行投入太多进行预研。这样，试验设备和技术将迟迟发展不起来。重庆市政府牵头组建汽车学院，上海市政府投资汽车风洞，就是发挥政府宏观调控的作用就是为打破这种僵局，也引发了关于汽车行业格局和公共试验平台的讨论，实际上就是最合理的投资方式的讨论。无论是按地域形成北方、东南、西部的产业格局，还是在公司发展兼并之后形成少数寡头的局面，国内最终将相应出现几个汽车风洞试验中心。同济大学在有实车和特种风洞后，将与大众试车场、机动车检测中心、新能源汽车工程中心一起，首先成为国内完善的汽车研发服务公共平台。但由于地域背景和

18、大量的研究需求，不可能成为国内唯一的中心。气动中心有很好的条件继续并始终成为另一个国内前矛的汽车研发服务公共平台。它有亚洲最大的风洞群和最完备的设备和技术，现有多种设置等做改进并进行相关性研究后就可以完全满足实车测力、测压试验要求，使试验数据实用性进一步提高。近年来设计、修建了中24米跨声速风洞、由5米立式风洞等亚洲之最的风洞，证明其有设计、修建、运行汽车特种试验风洞的实力。它还有很有利的地理条件：位于山区，便于新车型保密；与重庆、西安等有汽车工业发展潜力的城市很靠近，来往交流方便，有产业地域化的优势。引言中提及的两座法国汽车风洞，投资高达3600万欧元，其中三分之二由法国标志一一雪铁龙PSA公司及雷诺汽车集团公司投资，三分之一由法国工业部、研究部、巴黎大区议会等政府机构投资。这种主要由企业投资、政府牵头并部分投资的模式可以作为借鉴。可以设想这样一种技术协作模式：由企业、政府、研究单位共同投资建立起硬件平台，该平台的研究工作优先满足企业的需要。研究单位成为企业的长期定向合作者，企业成为研究单位的主要客户。政府根