風(fēng)洞最初用于開發(fā)飛行器，航空全尺寸和比例模型已經(jīng)經(jīng)過幾十年的研究，有了長足的發(fā)展。隨著汽車提速，風(fēng)洞自然而然地被引入了汽車工業(yè)。然而汽車風(fēng)洞不同于航空風(fēng)洞，由于車輛接近地面，必然導(dǎo)致一些特有的問題，需要引入新的解決技術(shù)。

收縮段

收縮段位于擴散段之后，有時位于沉降室之后，其目的是將氣流從低功率損失速度加速到試驗段速度。這是流道設(shè)計的一個關(guān)鍵點，因為收縮段的入口和出口處存在不利的壓力梯度，可能導(dǎo)致邊界層分離和矩形截面錐角處的二次回而流干擾試驗段流場，試驗段流場需要盡可能均勻和恒定。

將收縮段做成八角形可以解決二次回流問題，而逆壓梯度需要更仔細(xì)地對流道結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。借助CFD手段可進行設(shè)計優(yōu)化，使收縮比達(dá)到8時，損失和流動擾動都非常小。


收縮段
Racecar Engineer, Dec, 2019

熱量控制

當(dāng)風(fēng)洞運行時，能量以熱的形式從氣流中損失，并不斷被風(fēng)機補充，隨著試驗的進行，氣流的溫度逐漸升高，直到熱增量與對環(huán)境的熱損失相平衡。但對于試驗對象而言，平衡溫度可能過高。由于流體（空氣）特性取決于溫度和壓力，因此保持恒定的環(huán)境對于精確和可重復(fù)的數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要。有時必須在炎熱的環(huán)境中進行多次短時間運行，以避免測量值發(fā)生緩慢變化。

對制冷功率不足的風(fēng)洞來說，在炎熱的夏天甚至可能出現(xiàn)這種尷尬的情況：打開試驗段的門，借助控制室的冷氣給流道內(nèi)的空氣降溫。

為了保持最佳溫度條件，常在流道內(nèi)部設(shè)置自來水冷卻器，或在流道的最大截面段使用水冷旋轉(zhuǎn)葉片或水冷散熱器。另外，使用空氣交換器，將冷的外部空氣替換流道內(nèi)的熱空氣是最常用的解決方案之一，這需要額外的設(shè)備。處于溫帶的風(fēng)洞可以使用這種方法，因為由于當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度變化帶來的應(yīng)力較小。

氣流品質(zhì)

流場氣流品質(zhì)是風(fēng)洞關(guān)鍵指標(biāo)。一般包括氣流的穩(wěn)定性和均勻性，均勻性是指空間空速波動，不應(yīng)超過平均空速的0.2-0.3%，空間角變化最多應(yīng)在0.1度左右。

穩(wěn)定性指的是試驗段內(nèi)流體速度隨時間的變化應(yīng)該是小幅度和低頻率的，流道內(nèi)的流動分離可能造成上述現(xiàn)象。風(fēng)洞需要進行前期大量計算設(shè)計和后期調(diào)試以確保其具有最佳流場質(zhì)量時，這需要花費相當(dāng)多的時間。

轉(zhuǎn)向葉片的形狀不當(dāng)可能導(dǎo)致氣流周期性變化，這就是喘流。湍流可以通過在旋轉(zhuǎn)葉片的末端安裝輪床襟翼來改善。

湍流對流場的影響，和在風(fēng)洞中放入一輛汽車一樣大。這是由尾跡、噪聲、粗糙度等引起的頻率更高的不穩(wěn)定性。通過在收縮段上游安裝蜂窩整流器和篩網(wǎng)，可以減少軸向湍流，蜂窩整流器可以減少橫向速度.


轉(zhuǎn)角葉片
圖片來源 https://cn.omega.com/subsection/benchtop-windtunnels.html?utm_campaign=Baidu%3EFlow%20%26%20Level&utm_media=CPC&utm_source=Baidu&utm_term=%E9%A3%8E%E6%B4%9E&bd_vid=6207106887513492032

力的測量

風(fēng)洞是一種測量車身產(chǎn)生的力的儀器。這些力主要是前軸和后軸上的阻力、升力和分布，縮寫為Cd、CI、Clf和Clr。系數(shù)是無量綱的。若將車輛正投影面積考慮在內(nèi)，可以給出我們計算車輛動力學(xué)所需的力（CdA、ClA）。

風(fēng)洞試驗中常對車輛的部件或局部結(jié)構(gòu)進行快速改型來比較方案的優(yōu)劣，使用煙流、表面壓力測量、空間壓力測量和PIV等使流場更易于可視化、分析和理解。

移動地面

美國航天局曾對移動地面展開研究，調(diào)查的主要目的是確定飛機周圍的邊界層在多大程度上影響模型汽車風(fēng)洞數(shù)據(jù)，以及是否需要或需要移動帶地面。該實驗測試了三個1:8縮比模型在地面帶移動和不移動的情況下的模擬飛行情況（https://ntrs.nasa.gov/citations/19720014685）大部分研究是在29m/s自由流速度下進行的，但有些是以較低的速度運行來檢驗雷諾數(shù)的影響。隨著對移動地面系統(tǒng)重要性的了解不斷加深，移動帶對大多數(shù)風(fēng)洞都是必要設(shè)備。

但是，如何解決氣流對移動帶的抽吸的問題成了一個棘手的問題。汽車受到下壓力也就是移動帶受到升力，對賽車來更容易造成移動帶被吸起。因此天平中集成了抽吸系統(tǒng)來防止移動帶被氣流提起或錯位，并使其以與試驗段中空氣相同的速度移動。


移動帶地下結(jié)構(gòu)
Racecar Engineer, Dec, 2019

虛擬試驗

同其他行業(yè)一樣，計算機被用來進行模擬流體的自由流動和多相流之間的相互作用。然而，軟件仍是實驗驗證之外的輔助手段此，優(yōu)點在于前期可以對對特定問題進行分析和比較。最后的驗證通常是使用全尺寸測試來進行的。盡管CFD已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，但是風(fēng)洞仍然被用作驗證它的必要工具，在被計算機取代之前，風(fēng)洞可能還有至少十年的使用壽命。


CFD計算結(jié)果
Racecar Engineer, Dec, 2019