汽車風洞;汽車風洞實驗室

汽車空氣動力學的研究一般是采用理論分析、數值模擬和風洞試驗相結合的方法。其中風洞試驗是最普遍、有效的方法，在汽車外形設計、整車熱管理開發過程中是必不可少的環節。同時風洞試驗也是發現新的流動現象、驗證數值模擬和理論研究的重要手段。

汽車風洞就是在按照一定要求設計的管道系統內，使用動力裝置驅動一股可控制的氣流，根據運動的相對性和相似性原理進行空氣動力學試驗的設備。

其實說的簡單一點，風洞就是一個人工造風的管道。接下來我們看一下真正的汽車風洞是什么樣子的。

一、汽車風洞的類型

1、汽車模型風洞

模型風洞主要用于進行汽車比例模型(模型比例通常有：1:2、1:2.5、3:8、1:4、1:5、1:10)的風洞試驗和大量氣動造型前期“空氣動力學調諧”階段的試驗，具有投資低，運行經濟、測量方便等優點。

但由于流場一般不能與實車運行時的流場完全相似，且模型難以真實模擬汽車表面細節、汽車內流以及車輪轉動等，難以獲得與實車相一致的試驗數據，必須對試驗結果進行校準和修正。

2、汽車空氣動力學整車風洞

空氣動力學整車風洞可對汽車整車或1:1整車比例模型進行空氣動力學試驗。

整車風洞基本可以滿足試驗所要求的各種條件，其流場與實際情況具有較好的相似性。所獲取的數據也十分可靠準確，基本可以不考慮雷諾數的影響，在小阻塞比的情況下，其試驗結果也不必做過多的修正。但造價較昂貴、運行維護費用高。

3、汽車氣動-聲學風洞

相比空氣動力學整車風洞，氣動-聲學風洞對風洞的噪聲源進行了消聲處理，對試驗區域的背景噪聲有嚴格的要求，其駐室一般為半消聲室設計，具備汽車聲學測量的條件。但其造價和試驗成本也是最高的。

4、汽車環境風洞

汽車環境風洞又叫氣候風洞，可模擬各種實際氣候環境，如降雨、降雪、高溫、低溫、日照、結冰等，可用于汽車整車發動機熱管理、空調系統、汽車水管理等汽車熱力學開發任務。

環境風洞中一般安裝有雨雪高低溫陽光模擬等設備，其噴口一般可調節，以滿足不同車型的測試要求。

5、氣候風洞

氣候風洞是汽車風洞的一種，用于進行汽車的環境適應性試驗。

氣候風洞主要是模擬氣候環境，用來測定汽車的一般性能(如空動性能等)的風洞。比如奔馳公司的汽車風洞，其風扇直徑就達8.5m，驅動風扇的電動功率高達4000kW，風洞內用來進行實車試驗段的空氣流速達270km／h。建造一個這樣規模的汽車風洞往往需要耗資數億美元，甚至10多億，而且每做一次汽車風洞試驗的費用也是相當大的。

二、汽車風洞的基本結構形式

汽車空氣動力學的許多理論和概念都是從航空動力學延續過來，早期的汽車風洞也大多是從航空風洞改造過來的，因此汽車風洞的結構形式也與航空風洞類似。一般可分為：直流式、回流式、立式風洞等幾種形式。

1、直流閉式風洞

直流式風洞直接從大氣中吸入空氣，氣流通過試驗段后，直接排到大氣中去。其試驗段為封閉式試驗段。這種風洞結構簡單，制造成本較低。

當真實汽車在其中試驗時，也不需要專門抽除發動機所排出的廢氣，但是這種風洞所用風扇電機功率大，不易保持恒定的空氣溫度和濕度，風洞內的氣流流場品質較差，噪聲高。

2、直流開式風洞

其與直流閉式風洞的區別就是其試驗段為半開式的空間，其在一定程度上可保持氣流的穩定性。

3、回流閉式風洞

相比直流式風洞，回流式風洞中的空氣基本上是在閉合的回路中運行，因而其能量損失小，風機所需功率小，容易保持恒定的空氣溫度和濕度，運行成本相對較低，噪聲小。

但是其結構復雜，建造成本高，當運行時間較長時，需要裝置冷卻系統降溫。其試驗段為封閉的，一般常見于汽車模型風洞中。

4、回流3/4開口式風洞

相比閉口式風洞，3/4開口式風洞由于其風洞的阻塞比較小，能夠比較好的模擬試驗汽車周圍的流場，從而獲得較為準確的試驗結果。

回流3/4開口式汽車風洞是目前新近建設的汽車整車風洞中最常見的結構。但由于在駐室內噴口射流會與駐室內周圍氣流混合，會帶來一些能量損失和渦流，對風洞運行帶來不利的影響。

5、回流槽壁式風洞

回流槽壁式風洞是介于閉式風洞和3/4開口風洞的一種風洞，它在試驗段上壁和兩側壁上開出若干條平行槽，減小了試驗段的阻塞效應以及洞壁對模型的干擾。

試驗段的通氣特性取決于開閉比（開槽面積與試驗段壁面總面積之比）。隨著模型大小的變化，所要求的開閉比也會不同，因此要求風洞有可變開閉比的系統，因此使得風洞的設計和加工技術較復雜。

6、立式風洞

立式風洞一般在常見于汽車環境風洞中，其具有占地面積小的特點。另外由于環境風洞需要模擬降雨和降雪等環境條件，采用立式風洞布局，可防止試驗區域內的雨雪沿風洞流道，流到下游的風機等部件，對風機等帶來損傷。在這一點上，立式風洞具有先天的優勢。

三、汽車風洞的部件構成

汽車風洞洞體主要由收縮段、試驗段（駐室）、收集口、擴散段、動力段、拐角段、穩定段、蜂窩器、阻尼網、換熱器、拐角導流片、風機、整流罩、預扭導流片、反扭導流片等部件組成。

下面我們將幾個主要的部件給大家介紹下：

1、收縮段

收縮段的主要作用一是加速氣流，二是提高氣流的流場品質，降低湍流度。

收縮段的性能主要取決于兩個因素，一個是收縮比，即收縮段進口面積與收縮段出口面積的比值，一個是收縮曲線形狀。一般汽車風洞的收縮比為K=2～4。收縮曲線一般有維氏曲線、三次方曲線、雙三次方曲線、五次方曲線等。

2、試驗段（駐室）

試驗段是風洞的核心部位，試驗對象、模擬的環境條件、測量儀器等都設置在這里。試驗段的結構參數為：橫截面大小、橫截面形狀、試驗段長度。

試驗段橫截面積的大小，決定了所能進行試驗的汽車模型的大小。為了盡量減少“阻塞效應”的影響，準確模擬自由大氣中路面車輛的實際情況，要求試驗段有效面積盡量大。對汽車模型風洞而言，試驗段的阻塞比一般要≦7%。

在閉口試驗段中橫截面的形狀一般有矩形、切角矩形等。

汽車風洞的試驗段的外形通常有開口、閉口、流線型洞壁和開槽四種類型。

四種型式的試驗段

另外在閉口試驗段中，由于氣流的邊界層影響，導致沿氣流方向壁面邊界層厚度逐漸增加，這就使得氣流有效截面積逐漸減小，流速增加，會產生一個負向的軸向靜壓梯度，使得試驗模型受到一個額外的方向向前的水平浮力作用。因此在閉口試驗段都會有約0.5°的擴散角。

3、擴散段

擴散段的作用是通過風道橫截面積的增加，降低風洞中氣流的速度，將試驗段出口處的動能最有效的轉變成壓力能，從而降低能量損失。它一般位于試驗段的后面，其擴散角一般不超過5°～6°。

4、穩定段

穩定段的作用主要是消除旋渦、穩定氣流狀態。在穩定段中通常安裝有阻尼網和蜂窩器。

阻尼網一般采用直徑0.3mm的金屬絲編織而成，相鄰鋼絲之間的距離為1.27mm。阻尼網主要用以將氣流旋渦轉換成大量的能迅速衰減的小旋渦，因此雖然在離網很近的距離內，會增加紊流度，但離開網一定距離后，氣流的紊流度會大大降低。

蜂窩器一般由一定寬度的金屬薄片制成用以消除氣流的低頻脈動以及和阻尼網一起消除空間的不均勻性。由于蜂窩器在沿風洞軸線方面有一定的寬度，故而可以減少氣流速度對于風洞軸線的傾斜脈動。

5、動力段

動力段是風洞的動力源。它的作用是不斷為風洞中的氣流補充能量，以保證氣流以一定的速度恒定地在風洞中流動。

動力段內一般有電機、風扇、整流罩、預扭導流片、止旋片。安裝在風扇前的導流片和裝在風扇后的止旋片都是用于消除風扇所造成的旋流，從而改善氣流的狀態，提高流場品質。

6、拐角段

在回流式風洞中，由于氣流沿洞體循環360°，因此需要在設置四個拐角段。一般氣流在流經拐角時會發生氣流分離，形成渦流，帶來能量損失，一般來說，四個拐角的能量損失約占風洞總損失的40-60%。

因此在拐角內一般安裝有拐角導流片，以避免氣流分離，降低能量損失。另外在聲學風洞中，還會對導流片進行消聲處理。

7換熱器

在汽車風洞進行氣動力測量試驗時，需要對風洞內溫度進行控制，這就需要使用換熱器。其作用為保持風洞內部溫度在恒定的范圍內，保證試驗測量結果的準確性和可重復性。一般汽車風洞內溫度要求穩定在25℃附近。

北京易盛泰和可以根據用戶需求研發汽車風洞設備，該設備就是用來產生人造氣流(人造風)的管道。在這種管道中能造成一段氣流均勻流，就在這段風洞中進行。

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