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世界先進(jìn)汽車風(fēng)洞系列之FKFS氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞

2018-02-26 11:57:51·  
　
德國斯圖加特內(nèi)燃機(jī)與車輛研究所（FKFS）的空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞處于世界領(lǐng)先水平。該風(fēng)洞建成于1988年，前后經(jīng)過了3次升級(jí)改造。本文將為您介紹FKFS空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞的歷史和3次升級(jí)改造的情況。一、FKFS風(fēng)洞簡(jiǎn)介FKFS是一家專注于汽車技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)，其在風(fēng)洞測(cè)試和研發(fā)領(lǐng)域處于世界最前沿水平，不斷引領(lǐng)者汽車風(fēng)洞技術(shù)
德國斯圖加特內(nèi)燃機(jī)與車輛研究所（FKFS）的空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞處于世界領(lǐng)先水平。該風(fēng)洞建成于1988年，前后經(jīng)過了3次升級(jí)改造。本文將為您介紹FKFS空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞的歷史和3次升級(jí)改造的情況。
 
一、FKFS風(fēng)洞簡(jiǎn)介
FKFS是一家專注于汽車技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)，其在風(fēng)洞測(cè)試和研發(fā)領(lǐng)域處于世界最前沿水平，不斷引領(lǐng)者汽車風(fēng)洞技術(shù)的革新。
FKFS在1930年成立，并很快成為當(dāng)時(shí)最大和最前沿的汽車技術(shù)研究所。1936年在其老區(qū)（與戴姆勒-奔馳公司相鄰）先是修建了一個(gè)小的開放式模型風(fēng)洞，1954年又修建了大型的開放式全尺寸風(fēng)洞，二者均是單回路通道的哥廷根式風(fēng)洞。
為了迫切地需要擴(kuò)展研究所的規(guī)模，F(xiàn)KFS將老區(qū)賣給了奔馳公司，隨后全尺寸風(fēng)洞也賣給了奔馳公司。1978年FKFS整體搬遷至斯圖加特大學(xué)校內(nèi)，老區(qū)的模型風(fēng)洞運(yùn)行到1987年后拆分捐給了德國曼海姆技術(shù)博物館。在新區(qū)內(nèi)，F(xiàn)KFS又重新修建了模型風(fēng)洞和全尺寸風(fēng)洞，于1988年開始運(yùn)行。
新建全尺寸風(fēng)洞的噴口面積22.45平米（寬5.8米，高3.87米），收縮比4.41，測(cè)試段長(zhǎng)度9.5米，其最大風(fēng)速可達(dá)80米每秒。
二、第一次升級(jí)
隨著汽車的發(fā)展，人們對(duì)車速的要求不斷提高，而當(dāng)汽車車速逐漸增大時(shí)，氣動(dòng)噪音也會(huì)越來越大。為了降低汽車的氣動(dòng)噪音，F(xiàn)KFS于1993年對(duì)著新建的風(fēng)洞進(jìn)行了一次升級(jí)，將空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞改造為空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞。
為滿足風(fēng)洞的聲學(xué)測(cè)量，需要降低風(fēng)洞的背景噪音，F(xiàn)KFS首次采用了創(chuàng)新的U彎消聲器和膜式消聲器設(shè)計(jì)。并對(duì)風(fēng)洞包括風(fēng)道、駐室、收集口等位置增加了吸音材料和吸音裝置。經(jīng)過這次升級(jí)，風(fēng)洞的背景噪音從升級(jí)前的91.1分貝降到了71分貝（風(fēng)速150km/h）,另外，測(cè)試段的長(zhǎng)度由9.5米增加到9.95米。
三、第二次升級(jí)
為了能夠更加真實(shí)地模擬汽車在道路上行駛的環(huán)境，在2001年，F(xiàn)KFS對(duì)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞進(jìn)行了第2次升級(jí)改造——全新的5帶路面模擬系統(tǒng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)。增大了轉(zhuǎn)臺(tái)，增加了中心移動(dòng)帶、車輪旋轉(zhuǎn)裝置、汽車固定系統(tǒng)、邊界層控制系統(tǒng)等。這使得風(fēng)洞對(duì)汽車真實(shí)道路模擬更進(jìn)一步。
四、第三次升級(jí)
2014年，F(xiàn)KFS對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行了第三次升級(jí)。在這次升級(jí)中，F(xiàn)KFS采用了多種最新研發(fā)的技術(shù)，將風(fēng)洞的試驗(yàn)性能進(jìn)行了全方位的提升。FKFS開發(fā)并應(yīng)用了4項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)專利：FKFS first、FKFS besst、FKFS swing、FKFS pace。這些創(chuàng)新將在下面分別介紹，附加的提升措施也會(huì)簡(jiǎn)單介紹到。
1、模塊化移動(dòng)系統(tǒng)
為了改善量產(chǎn)車和賽車的地面模擬效果，能夠測(cè)量非穩(wěn)定氣動(dòng)力對(duì)汽車的影響，以及提高運(yùn)營(yíng)效率，F(xiàn)KFS開發(fā)了新的滾動(dòng)道路系統(tǒng)并申請(qǐng)了專利FKFS first，即可完全互換的地面模擬技術(shù)。它結(jié)合新的轉(zhuǎn)臺(tái)和天平，使系統(tǒng)與風(fēng)洞中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。移動(dòng)帶系統(tǒng)提供移動(dòng)地面模擬和轉(zhuǎn)動(dòng)車輪。汽車保持在風(fēng)洞中的固定位置并使汽車姿態(tài)定位和進(jìn)行受力測(cè)量。
新的不銹鋼移動(dòng)帶滾動(dòng)道路系統(tǒng)是5帶/3帶可完全互換的配置。5帶配置包括一長(zhǎng)的中心帶和4個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)裝置，車輪驅(qū)動(dòng)裝置位于每個(gè)車輪下面。而3帶的配置包括一個(gè)長(zhǎng)的中心帶和兩個(gè)邊帶單元。邊帶位于汽車左右兩邊車輪之下以對(duì)需要高性能地面效應(yīng)和速度的車輛提供更真實(shí)的移動(dòng)地面模擬。也大大地全尺寸氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞滾動(dòng)道路模擬的精確性和可靠性。
2、天平系統(tǒng)
氣動(dòng)天平用于作用在測(cè)試車輛上氣動(dòng)力的力和力矩和靜態(tài)測(cè)量。天平的頂架集成了滾動(dòng)道路裝置，這樣5帶模式下作用在縱梁約束系統(tǒng)和車輪驅(qū)動(dòng)裝置上的力、3帶模式下作用在邊帶和支柱約束的力都可以被天平測(cè)量。滾動(dòng)道路系統(tǒng)的附加組件如轉(zhuǎn)臺(tái)和中心帶都不接觸連接到汽車的組件，這樣可以使只作用在汽車的氣動(dòng)力被測(cè)量到。
至于非穩(wěn)定氣動(dòng)效應(yīng)的研究，天平系統(tǒng)也適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。對(duì)這個(gè)研究，在天平中激活了一個(gè)鎖定機(jī)制。這個(gè)鎖定增加了天平的剛度和整個(gè)系統(tǒng)（包括固定汽車）的諧振頻率性能超過了10Hz，而這個(gè)頻率要超出氣動(dòng)研究的考慮范圍。
對(duì)于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量，專業(yè)的載荷傳感器集成在縱梁約束系統(tǒng)上。適配器安裝在其頂上的執(zhí)行器基座上以便給測(cè)壓元件提供剛性連接。簡(jiǎn)而言之，在載荷傳感器和汽車之間需要安裝剛性汽車適配器。
3、寄生力消除
車輪驅(qū)動(dòng)裝置在風(fēng)洞的應(yīng)用并不僅止于旋轉(zhuǎn)車輪。它同樣與風(fēng)洞天平相連接，這樣可以測(cè)量輪胎接地面積的受力以及作用在汽車上的橫向力和縱向力。當(dāng)氣流經(jīng)過汽車時(shí)，會(huì)造成汽車和地面間的真空區(qū)，這會(huì)持續(xù)地對(duì)汽車底部產(chǎn)生下壓力。但由于車輪驅(qū)動(dòng)裝置的表面要比輪胎接地面積大，真空區(qū)也會(huì)作用在稱重元件未覆蓋的部分。這會(huì)改變測(cè)量結(jié)果，因?yàn)檫@部分寄生的附加升力在真實(shí)駕駛環(huán)境中不存在也被測(cè)量在內(nèi)了。
因此，F(xiàn)KFS開發(fā)了一種新的解決方法。在這里，經(jīng)過一個(gè)簡(jiǎn)短的修正測(cè)量，通過特殊方法將汽車直接鎖定在風(fēng)洞地板上。這樣，作用在汽車上的所有力不再被天平所檢測(cè)而是被地板截取。這個(gè)配置直接提供了所求升力的襯墊，這個(gè)專利即FKFS pace，即襯墊修正程序。這個(gè)進(jìn)程已經(jīng)在大量的模型風(fēng)洞中的試驗(yàn)得到了證實(shí)，也使得對(duì)升力的測(cè)量更加精確。
4、低頻脈動(dòng)的抑制
閉環(huán)開口式風(fēng)洞易于受到壓力和速度波動(dòng)的影響，特別是在一個(gè)特定風(fēng)速范圍。這些波動(dòng)調(diào)整管道中氣流噪聲并會(huì)影響氣動(dòng)聲學(xué)的測(cè)量結(jié)果。在將來汽車發(fā)展中，像側(cè)向力和表面壓力的非穩(wěn)定測(cè)量會(huì)越來越重要。風(fēng)洞的壓力波動(dòng)越低越好是這種研究的必然要求。而且，壓力脈動(dòng)也會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成損害。風(fēng)洞的低頻波動(dòng)也因此需要被最小化。
在風(fēng)洞的開口式測(cè)試區(qū)由于自由射流在噴口和收集口之間會(huì)產(chǎn)生剪切層。在剪切層內(nèi)氣流在脫落噴口出口后發(fā)生旋渦結(jié)構(gòu)，噴口和收集口之間的額外激勵(lì)可以上升，即所謂的邊棱音回路。在旋渦與收集口碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)引起的壓力波會(huì)傳播到上游并引起新的離散渦的分離。若旋渦脫落頻率和邊棱音頻率都不和流線響應(yīng)頻率相合，在測(cè)試段會(huì)產(chǎn)生諧振。
為抑制這種低頻脈動(dòng)，F(xiàn)KFS開發(fā)出氣流導(dǎo)流單元這項(xiàng)專利FKFS besst，即在噴口位置置下游氣流一個(gè)確定的角度將氣流偏轉(zhuǎn)部分角度。由于在有無這種氣流導(dǎo)流單元的區(qū)域的靜壓差的不同，縱向的旋渦會(huì)在噴口的墻面和頂上產(chǎn)生。這兩種機(jī)理擾亂了噴口平面遠(yuǎn)端下游的連續(xù)旋渦鏈的形成，因此很有效地減小了風(fēng)道響應(yīng)頻率的激勵(lì)。
風(fēng)洞中的另一種共振現(xiàn)象被稱為駐室亥姆赫茲共振，它是由另一種不同的激勵(lì)機(jī)制引起，因此不能被氣流引導(dǎo)單元消除。駐室亥姆赫茲頻率表征駐室充當(dāng)亥姆赫茲共振器時(shí)的頻率。一種有效抑制這種共振激勵(lì)的方法是采用調(diào)諧的亥姆赫茲諧振器。在升級(jí)風(fēng)洞的時(shí)候采用了這種方式，諧振器的空間近220立方米，諧振頻率2Hz并且合并到了駐室的一角。
5、非穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)研究
近年來空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)中非定常效應(yīng)得到了越來越多的關(guān)注。這些非定常效應(yīng)可以是陣風(fēng)、不同側(cè)風(fēng)、大氣湍流或者汽車前緣湍流等引起的。為了能夠最靈活地在大范圍地模擬湍流的長(zhǎng)度尺度和頻率，F(xiàn)KFS開發(fā)了一套新的系統(tǒng)在全尺寸氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中模擬非定常效應(yīng)。名為FKFS swing(側(cè)風(fēng)發(fā)生器)。
相比于常見的穩(wěn)定方法和類似的湍流發(fā)生器，F(xiàn)KFS swing自身模擬真實(shí)來流的陣風(fēng)和側(cè)風(fēng)，而不需要旋轉(zhuǎn)汽車。氣流的偏轉(zhuǎn)是靠噴口平面處的垂直翼的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。每片垂直翼都靠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)具有獨(dú)立的陣風(fēng)和湍流發(fā)生器的主動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)垂直翼并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)KFS swing產(chǎn)生一個(gè)垂向和橫向一致的流場(chǎng)。這樣的流場(chǎng)所提供的與道路上普遍的流動(dòng)特性是和非定常效應(yīng)相關(guān)的。其對(duì)車的流動(dòng)偏離角度可達(dá)10°，頻率可達(dá)10Hz。
五、結(jié)語
作為世界上最著名的汽車技術(shù)研究機(jī)構(gòu)之一，F(xiàn)KFS在風(fēng)洞測(cè)試和研發(fā)領(lǐng)域處于世界最前沿水平，其對(duì)技術(shù)的不懈追求促進(jìn)了風(fēng)洞測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步。FKFS與國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)和中國汽車工程研究院（位于重慶，簡(jiǎn)稱“中國汽研”）均建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系，其中，F(xiàn)KFS風(fēng)洞中心主任Jochen Wiedemann教授擔(dān)任同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心技術(shù)總顧問，為同濟(jì)大學(xué)汽車風(fēng)洞的立項(xiàng)及可行性評(píng)估發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在Wiedemann教授的支持下，同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)和建設(shè)了1:15氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞模型，開展風(fēng)洞設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的科研。目前，此模型風(fēng)洞仍然是教學(xué)和基礎(chǔ)科研的重要工具。
2015年，位于重慶的國內(nèi)第三方獨(dú)立汽車研究機(jī)構(gòu)－中國汽研與FKFS簽訂了無限期戰(zhàn)略合作協(xié)議，F(xiàn)KFS將在中國汽研兩座風(fēng)洞建設(shè)過程中，提供技術(shù)咨詢、風(fēng)洞對(duì)標(biāo)和人員培訓(xùn)。相信在FKFS這類國際領(lǐng)先技術(shù)機(jī)構(gòu)的支持和幫助下，中國汽車風(fēng)洞測(cè)試技術(shù)和空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)技術(shù)必將得到快速的發(fā)展。
                                       作者：重慶中汽研彭超 
 
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