《汽车试验技术》-第8章

8.1汽车风洞8.1.1汽车风洞特性1.风洞形式汽车风洞分回流式和直流式，见图8一1。回流式风洞又分单回流式风洞(见图8一2)和双回流式风洞(见图8-3)，其特点是空气沿封闭路线循环流动，气流不受自然风的影响，流态稳定;直流式风洞的特点是气流从大气中吸进而后从风洞的后部排到大气中去，风洞里的气流受自然风的影响较大，噪声很高。2.风洞试验段试验段分闭口试验段、开槽壁试验段和开口试验段，见图8-4。实车风洞闭口试验段横截面积大多选择在20耐以上;开口或开槽壁试验段阻塞的影响小，试验段横截面积为12-20m2，模型风洞多采用闭口试验段形式，试验段横截面积在12m2左右。下一页返回8.1汽车风洞采用闭口试验段风洞进行试验，模型的高度不超过模型支撑地板到风洞顶壁高度的1/3，模型在最大侧偏角下的正投影宽度不超过风洞试验段宽度的1/3，阻塞度控制在5%以内，这样试验数据不用进行洞壁阻塞修正;否则，需进行阻塞修正。风洞试验段的长度一般为模型长度的2一5倍，全尺寸风洞试验段长度为10}25m，而一般轿车的实际长度约为5m。试验段长度直接影响到空气特性的测定值。3.风洞最大风速实车风洞的最大试验风速要求不低于汽车的最高车速，现代汽车的最高车速已超过200km/h，奔驰和日产(新)汽车风洞的最大风速为270km/h。随着轿车的空气阻力越来越小，其空气动力特性对风速愈加敏感。上一页下一页返回8.1汽车风洞4.风洞收缩比风洞收缩比的大小直接影响到风洞试验段气流的紊流度、均匀度等，目前风洞的收缩比分布很广，从1.45:1一12:1。为将风洞试验段气流的紊流度降低到一定水平，风洞收缩比最低选用4:105.地面附面层风洞试验中试验段下洞壁会产生地面附面层，影响了试验数据的准确性，因此通常采取措施消除或减小其影响，使下洞壁气流接近于实际流动状态。通常采用附面层吸除装置、吹气装置、移动地板等，见图8一5。对于最小离地间隙较小的车型，进行风洞试验时必须采取措施控制地面附面层。汽车支撑一般为四轮支撑，支撑板与风洞下洞壁或地板平齐，以消除支架干扰等带来的影响。〕上一页下一页返回8.1汽车风洞8.1.2风洞类型1.空气动力风洞空气动力风洞分实车风洞和模型风洞，实车风洞主要用于进行实车或全尺寸模型的空气动力试验，而模型风洞用于进行缩尺模型的空气动力试验，与实车风洞试验相比，缩尺模型的试验费用低，改动方便，其试验量是实车试验的几倍。随着综合性风洞的日益增多以及对原有实车风洞进行改造，实车风洞中也进行缩尺模型的试验。汽车缩尺模型采用的缩尺比通常为3/8,1/3,1/4,1/5，模型风洞的风速为30一70m/s。模型风洞汽车试验要求雷诺数相似，但实际应用中，以车宽为特征长度的雷诺数大于2.4x106时，对于多数模型气动力的测量结果可用，所以模型试验不要求雷诺数必须一致。另外，汽车风洞里可安装一些附加设备以提高风洞的试验能力，如加置底盘测功机进行发动机冷却系统冷却能力性能试验，加置降雨装置模拟降雨条件等。上一页下一页返回8.1汽车风洞2.噪声风洞噪声风洞用于研究气流造成的车体噪声，如风噪声、漏风噪声等。噪声风洞的风道盖顶和围墙加吸声材料和装置、转角叶片加吸声材料并整形，试验段成为无回声室，大大降低了风洞背景噪声，从而可以测量汽车的风噪声。3.气候风洞气候风洞用于进行汽车的环境适应性试验。其合理的试验横截面积为10一12耐，气候风洞的阻塞度修正因子需要先在大型风洞或道路上进行校测来确定，并据此对风洞中的来流速度进行调整，对气流的调整还可采用缓冲板等辅助设备，以使汽车表面上的压力分布尽可能与道路上的表面压力分布一致。上一页下一页返回8.1汽车风洞4.气候风室气候风室又叫空调室，其试验段横截面积不大于5mZ。在气候风室中，轿车前部的压力分布能够趋近真实情况，并通过修正风速得到，能满足发动机冷却系统性能试验要求。气候风室内有日照模拟装置，室内温度可以调节，能进行汽车空调试验。目前，气候风洞和气候风室的最大风速能达到180km/h，温度调节范围通常在一50℃-+500C之间。5.小型全尺寸风洞小型全尺寸风洞的试验段横截面积为10-20m2，其试验段可以为3/4开口或开槽壁。通过对试验数据进行修正，结果能满足要求。上一页下一页返回8.1汽车风洞6.高温室高温室用于研究日照引起的高温下的发动机性能和空调性能，可在室内模拟炎热沙漠等一切高温条件。高温室由数百个模拟日照的红外线灯、模拟来自路面反射热的热源以及吹送恒温恒湿空气的大型鼓风机组成，还可在高温室内设置底盘测功机，用以模拟汽车在高温条件下的各种行驶工况。7.低温室低温室用于研究在极寒地区的发动机性能和暖风机性能，不单纯再现低温环境，而且还能再现降雪，模拟极寒地区的所有气象条件。配置底盘测功机时，可模拟汽车在低温条件下的各种行驶工况。8.低压室低压室用于模拟高原地区的低气压条件，由抽吸室内空气的真空泵、温度调节装置和底盘测功机组成，可模拟所有的高原山路环境。上一页返回8.2汽车风洞常规试验8.2.1空气动力测量1.汽车空气动力分析汽车行驶时受到的空气动力可分解为3个力和3个力矩，见图8一6，图中，Fx一气动阻力，平行于汽车行驶方向的空气动力，向后为正。Fy一气动侧向力，垂直于汽车纵向中心平面的空气动力，向右为正。Fz一气动升力，垂直于地面方向的空气动力，向上为正。Mx一侧倾力矩，绕汽车纵向中心平面内的水平轴线(X轴)的气动力矩，诱使车身右部降低为正。My一纵倾力矩，绕垂直于汽车纵向中心平面的水平轴线(Y轴)的气动力矩，诱使汽车抬头为正。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验Mz一横摆力矩，绕汽车纵向中心平面内的垂直轴线(Z轴)的气动力矩，诱使车头向右为正。V一相对汽车的来流流速。β一气流侧偏角，来流与汽车纵向中心平面内的水平轴线(X轴)之间的夹角，图示方向为正。6个分量的空气动力坐标系一般取汽车质心作为原点，通常将空气动力转换成无量纲系数形式。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验2.测力天平测力天平可以测量作用在汽车上的空气动力，见图8一7。该天平共有7个测力元件，其中4个垂直方向(Z向)感受升力，1个水平方向(X向)感受阻力，2个Y方向感受侧向力。升力、侧倾力矩和纵倾力矩由感受升力的Z1、Z2、Z3、Z4计算出;侧向力、横摆力矩由Y1，、Y2计算出。实车测力时，由于升力相对于汽车自重是一个小量，有的风洞为了更准确地测定升力，采用“自重抵消”的天平。也可以在前后桥各装一台天平，甚至前后4个车轮下各装一台天平，以分解汽车自重并能测出汽车前后桥的升力分布。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验3.天平及模型安装风洞试验时，天平系统不要暴露在气流中，以避免对汽车或模型周围的流场产生干扰。如果支撑系统暴露在气流中，则需对试验数据进行修正。(1)四轮支撑式，见图8一8。天平及支撑系统安装在风洞试验段底壁转盘下面，连接汽车车轮的4块平板与风洞底壁上表面平齐。该方式对车身周围流场几乎没有干扰，被广泛应用。(2)尾支撑式，见图8-9。采用内式应变天平，将天平安装在模型内部，并用尾支撑杆固定，该方式可确保一定的离地间隙，尤其适用于带有移动地板的试验。(3)杆支撑式。采用杆式应变天平，支撑系统与汽车或模型的底盘固定。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验4.试验影响因素分析由于风洞试验中模拟的气流与汽车在道路上行驶时所处的真实气流不能完全一致，风洞试验尚需进行修正。风洞试验影响因素有以下几个:(1)流场品质。来流风速不均匀或紊流度大，会导致测量结果变小。(2)模型模拟真实度。包括模型安装正确性。(3)天平精度。(4)支架干扰。尽量不对汽车周围流场产生干扰。(5)雷诺数效应。模型试验时，试验雷诺数与实际雷诺数相差很大，因此须先做雷诺数效应试验以确定试验风速，再进行测力试验。(6)地板附面层影响。为消除其影响，可采用移动地板、切向吹气及切向吸气等措施。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验(7)洞壁阻塞。风洞洞壁使试验车周围的气流产生偏移，通常开口试验段气流打一张，导致来流流速减小，测量值减小;闭口试验段气流受挤压，导致来流流速增大，测量值增大。由于不同风洞各有其不同的特点，以上这些影响因素对不同风洞影响程度也不一样，所以每个风洞通常是在实践中不断总结适合自己风洞的试验方法和修正方法。5.数据修正风洞试验结果主要进行阻塞修正。开口试验段阻塞影响较小，一般不用修正。闭口试验段阻塞通常采用以下3种方法进行修正:上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验8.2.2压力测量测压试验通过测量车身局部及整体的气流流态，反映车身表面压力分布，对改善汽车空气动力性能、减少车身表面污染、确定通风换气进出门位置、避免废气及灰尘进入等提供参考。1.流场压力测量空间流场某一点静压可用静压管测量，见图8-10空间流场某一点总压可用总压管测量，见图8-112.车身表面静压测量测量车身表面的静压，可用测压贴片(见图8一12(a))或在车身表面打测压孔(见图8一12(b))。测压贴片是一个既小又薄的圆片状的压力受感探头，贴片中心与径向有一直径约0.8mm的连通孔与一侧焊接的小斜管相通。测压贴片应尽量贴在平表面上，其产生的测量误差可忽略不计，但如果贴于弧面测压，可能会产生较大误差。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验3.测压传感器常见的测压传感器为电子式，即被测压力作用于测压元件上产生形变，并将物理变形转化为电信号输出。由于电子式测压传感器频率响应范围很宽，因此在多数风洞试验中有必要对信号加以衰减。在压力探头与传感器之间连一根小直径(如1mm或更小)的长塑料管，塑料管的长度可对压力信号进行缓冲、衰减。在某些试验中(如气流诱导噪声测量)，需要测量压力的振荡和波动，此时压力信号最好不被衰减。该试验可直接将高灵敏度的小压力传感器安装在被测点处，而不连通任何管道。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验4.机械扫描阀和电子扫描测压系统汽车风洞试验中，对于测量车身表面压力分布试验，测压点非常多，为了适时、快速进行测量，需要用到机械扫描阀或电子扫描测压系统。机械扫描阀见图8一13。一个压力传感器对应几十个压力通道(一般为48个)，靠机械转动将多通道压力逐一顺序切换到公用传感器上，再用计算机进行数据处理。但该方法压力平衡时间长、滞后大，扫描速率低，因此机械扫描阀测得的各点压力并不同时，且试验时间相对较长。电子扫描测压系统能弥补机械扫描测压阀的不足，见图8一14。系统包括多个传感器模块(可根据需要选取)，每个模块有多达几十个测压传感器，传感器与测试通道一一对应，由计算机控制对传感器输出电信号扫描，大大提高了扫描速率。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验5.数据处理压力试验数据最后转换为无量纲的压力系数，即压力测量需要进行洞壁阻塞修正，等压图见图8一15。8.2.3风速测量风洞中的风速测量主要包括风洞试验风速的确定、汽车内部和外部气流速度和方向的测量，以及一些特殊试验中的湍流强度测量，风速测量的仪器主要有皮托管、翼式风速仪、热线风速仪、测向计及激光流速计等。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验8.2.4流态显示流态显示用于研究车辆内外的空气流动、车窗上的水滴流动以及车辆上的灰尘沉积等流动现象。流态显示方法有烟流法、丝线法和油流法。流态显示试验通常在风洞中进行，也可在道路上进行，采用的方法应对人无害，且不损伤洞体和仪器。1.烟流法烟流法将烟雾注入空气流中显示空气的流动状态，烟流试验风速通常选择为10-20m/s，原因是试验时试验人员常在风洞内工作，而超过20m/s的试验风速通常使人承受不了。2.丝线法丝线法采用生丝或毛线观察气流的状态。上一页下一页返回8.2汽车风洞常规试验丝线或睛纶毛线用于缩尺模型，粗的毛线用于全尺寸观察。毛线长度，对于1/5模型车通常采用30mm，实车采用100mm，相对长的毛线置于气流变化小处以便于毛线附着，短毛线置于气流变化大处。丝线的固定常采用表面丝线法和丝线网格法，表面丝线法分析附着流以及气流分离线非常有效，丝线网格法对于判定涡流的方向分布有效，对于车体下气流和气道内气流方向的判别也有效。3.油流法油流法通过分析模型表面所涂油膜在气流中留下的痕迹来分析气流状态，对于分析附着流以及气流分离线非常有