我們推出的“世界先進(jìn)汽車風(fēng)洞”系列文章，給大家介紹了一些先進(jìn)汽車風(fēng)洞所具備的試驗(yàn)?zāi)芰图夹g(shù)指標(biāo)。但你了解汽車風(fēng)洞都有哪些部件嗎？它們的作用是什么？它們有哪些分類？本期，“汽車風(fēng)洞技術(shù)”科普系列就帶您全面了解汽車風(fēng)洞。

汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究一般是采用理論分析、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法。其中風(fēng)洞試驗(yàn)是最普遍、有效的方法，在汽車外形設(shè)計(jì)、整車熱管理開發(fā)過程中是必不可少的環(huán)節(jié)。同時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)也是發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象、驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論研究的重要手段。

FKFS汽車風(fēng)洞中對(duì)車輪附近流場(chǎng)進(jìn)行研究

汽車風(fēng)洞就是在按照一定要求設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)內(nèi)，使用動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)一股可控制的氣流，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和相似性原理進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的設(shè)備。

其實(shí)說的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，風(fēng)洞就是一個(gè)人工造風(fēng)的管道。如果你愿意，你完全可以在家里手工DIY一個(gè)小型風(fēng)洞，就如下圖：

家庭教學(xué)風(fēng)洞

或者更簡(jiǎn)單一點(diǎn)，使用家庭電風(fēng)扇和幾個(gè)廢紙箱：

手工風(fēng)洞步驟1：材料準(zhǔn)備

手工風(fēng)洞步驟2：大功告成

只是這樣搭建的風(fēng)洞估計(jì)是不能夠保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的。那么我們就來(lái)看一下真正的汽車風(fēng)洞是什么樣子的。

一、汽車風(fēng)洞的類型

1、汽車模型風(fēng)洞

模型風(fēng)洞主要用于進(jìn)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(fēng)洞試驗(yàn)和大量氣動(dòng)造型前期“空氣動(dòng)力學(xué)調(diào)諧”階段的試驗(yàn)，具有投資低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)。

但由于流場(chǎng)一般不能與實(shí)車運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)完全相似，且模型難以真實(shí)模擬汽車表面細(xì)節(jié)、汽車內(nèi)流以及車輪轉(zhuǎn)動(dòng)等，難以獲得與實(shí)車相一致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)和修正。

2、汽車空氣動(dòng)力學(xué)整車風(fēng)洞 
空氣動(dòng)力學(xué)整車風(fēng)洞可對(duì)汽車整車或1:1整車比例模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。
整車風(fēng)洞基本可以滿足試驗(yàn)所要求的各種條件，其流場(chǎng)與實(shí)際情況具有較好的相似性。所獲取的數(shù)據(jù)也十分可靠準(zhǔn)確，基本可以不考慮雷諾數(shù)的影響，在小阻塞比的情況下，其試驗(yàn)結(jié)果也不必做過多的修正。但造價(jià)較昂貴、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。

3、汽車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞
相比空氣動(dòng)力學(xué)整車風(fēng)洞，氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞對(duì)風(fēng)洞的噪聲源進(jìn)行了消聲處理，對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的背景噪聲有嚴(yán)格的要求，其駐室一般為半消聲室設(shè)計(jì)，具備汽車聲學(xué)測(cè)量的條件。但其造價(jià)和試驗(yàn)成本也是最高的。

4、汽車環(huán)境風(fēng)洞
汽車環(huán)境風(fēng)洞又叫氣候風(fēng)洞，可模擬各種實(shí)際氣候環(huán)境，如降雨、降雪、高溫、低溫、日照、結(jié)冰等，可用于汽車整車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理、空調(diào)系統(tǒng)、汽車水管理等汽車熱力學(xué)開發(fā)任務(wù)。
環(huán)境風(fēng)洞中一般安裝有雨雪高低溫陽(yáng)光模擬等設(shè)備，其噴口一般可調(diào)節(jié)，以滿足不同車型的測(cè)試要求。

二、汽車風(fēng)洞的基本結(jié)構(gòu)形式
汽車空氣動(dòng)力學(xué)的許多理論和概念都是從航空動(dòng)力學(xué)延續(xù)過來(lái)，早期的汽車風(fēng)洞也大多是從航空風(fēng)洞改造過來(lái)的，因此汽車風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)形式也與航空風(fēng)洞類似。一般可分為：直流式、回流式、立式風(fēng)洞等幾種形式。
1、直流閉式風(fēng)洞 
直流式風(fēng)洞直接從大氣中吸入空氣，氣流通過試驗(yàn)段后，直接排到大氣中去。其試驗(yàn)段為封閉式試驗(yàn)段。這種風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低。
當(dāng)真實(shí)汽車在其中試驗(yàn)時(shí)，也不需要專門抽除發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的廢氣，但是這種風(fēng)洞所用風(fēng)扇電機(jī)功率大，不易保持恒定的空氣溫度和濕度，風(fēng)洞內(nèi)的氣流流場(chǎng)品質(zhì)較差，噪聲高。

2、直流開式風(fēng)洞 
其與直流閉式風(fēng)洞的區(qū)別就是其試驗(yàn)段為半開式的空間，其在一定程度上可保持氣流的穩(wěn)定性。

3、回流閉式風(fēng)洞
相比直流式風(fēng)洞，回流式風(fēng)洞中的空氣基本上是在閉合的回路中運(yùn)行，因而其能量損失小，風(fēng)機(jī)所需功率小，容易保持恒定的空氣溫度和濕度，運(yùn)行成本相對(duì)較低，噪聲小。
但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造成本高，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，需要裝置冷卻系統(tǒng)降溫。其試驗(yàn)段為封閉的，一般常見于汽車模型風(fēng)洞中。

4、回流3/4開口式風(fēng)洞 
相比閉口式風(fēng)洞，3/4開口式風(fēng)洞由于其風(fēng)洞的阻塞比較小，能夠比較好的模擬試驗(yàn)汽車周圍的流場(chǎng)，從而獲得較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。
回流3/4開口式汽車風(fēng)洞是目前新近建設(shè)的汽車整車風(fēng)洞中最常見的結(jié)構(gòu)。但由于在駐室內(nèi)噴口射流會(huì)與駐室內(nèi)周圍氣流混合，會(huì)帶來(lái)一些能量損失和渦流，對(duì)風(fēng)洞運(yùn)行帶來(lái)不利的影響。

5、回流槽壁式風(fēng)洞
回流槽壁式風(fēng)洞是介于閉式風(fēng)洞和3/4開口風(fēng)洞的一種風(fēng)洞，它在試驗(yàn)段上壁和兩側(cè)壁上開出若干條平行槽，減小了試驗(yàn)段的阻塞效應(yīng)以及洞壁對(duì)模型的干擾。
試驗(yàn)段的通氣特性取決于開閉比（開槽面積與試驗(yàn)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(huì)不同，因此要求風(fēng)洞有可變開閉比的系統(tǒng)，因此使得風(fēng)洞的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)較復(fù)雜。

6、立式風(fēng)洞
立式風(fēng)洞一般在常見于汽車環(huán)境風(fēng)洞中，其具有占地面積小的特點(diǎn)。另外由于環(huán)境風(fēng)洞需要模擬降雨和降雪等環(huán)境條件，采用立式風(fēng)洞布局，可防止試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的雨雪沿風(fēng)洞流道，流到下游的風(fēng)機(jī)等部件，對(duì)風(fēng)機(jī)等帶來(lái)?yè)p傷。在這一點(diǎn)上，立式風(fēng)洞具有先天的優(yōu)勢(shì)。

三、汽車風(fēng)洞的部件構(gòu)成
汽車風(fēng)洞洞體主要由收縮段、試驗(yàn)段（駐室）、收集口、擴(kuò)散段、動(dòng)力段、拐角段、穩(wěn)定段、蜂窩器、阻尼網(wǎng)、換熱器、拐角導(dǎo)流片、風(fēng)機(jī)、整流罩、預(yù)扭導(dǎo)流片、反扭導(dǎo)流片等部件組成。
下面我們將幾個(gè)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(chǎng)品質(zhì)，降低湍流度。
收縮段的性能主要取決于兩個(gè)因素，一個(gè)是收縮比，即收縮段進(jìn)口面積與收縮段出口面積的比值，一個(gè)是收縮曲線形狀。一般汽車風(fēng)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(yàn)段（駐室）
試驗(yàn)段是風(fēng)洞的核心部位，試驗(yàn)對(duì)象、模擬的環(huán)境條件、測(cè)量?jī)x器等都設(shè)置在這里。試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：橫截面大小、橫截面形狀、試驗(yàn)段長(zhǎng)度。

試驗(yàn)段橫截面積的大小，決定了所能進(jìn)行試驗(yàn)的汽車模型的大小。為了盡量減少“阻塞效應(yīng)”的影響，準(zhǔn)確模擬自由大氣中路面車輛的實(shí)際情況，要求試驗(yàn)段有效面積盡量大。對(duì)汽車模型風(fēng)洞而言，試驗(yàn)段的阻塞比一般要≤7%。
在閉口試驗(yàn)段中橫截面的形狀一般有矩形、切角矩形等。

汽車風(fēng)洞的試驗(yàn)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(yàn)段
另外在閉口試驗(yàn)段中，由于氣流的邊界層影響，導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的軸向靜壓梯度，使得試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪艿揭粋€(gè)額外的方向向前的水平浮力作用。因此在閉口試驗(yàn)段都會(huì)有約0.5°的擴(kuò)散角。
3、擴(kuò)散段
擴(kuò)散段的作用是通過風(fēng)道橫截面積的增加，降低風(fēng)洞中氣流的速度，將試驗(yàn)段出口處的動(dòng)能最有效的轉(zhuǎn)變成壓力能，從而降低能量損失。它一般位于試驗(yàn)段的后面，其擴(kuò)散角一般不超過5°～6°。

4、穩(wěn)定段 
穩(wěn)定段的作用主要是消除旋渦、穩(wěn)定氣流狀態(tài)。在穩(wěn)定段中通常安裝有阻尼網(wǎng)和蜂窩器。
阻尼網(wǎng)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(wǎng)主要用以將氣流旋渦轉(zhuǎn)換成大量的能迅速衰減的小旋渦，因此雖然在離網(wǎng)很近的距離內(nèi)，會(huì)增加紊流度，但離開網(wǎng)一定距離后，氣流的紊流度會(huì)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(dòng)以及和阻尼網(wǎng)一起消除空間的不均勻性。由于蜂窩器在沿風(fēng)洞軸線方面有一定的寬度，故而可以減少氣流速度對(duì)于風(fēng)洞軸線的傾斜脈動(dòng)。

5、動(dòng)力段 
動(dòng)力段是風(fēng)洞的動(dòng)力源。它的作用是不斷為風(fēng)洞中的氣流補(bǔ)充能量，以保證氣流以一定的速度恒定地在風(fēng)洞中流動(dòng)。
動(dòng)力段內(nèi)一般有電機(jī)、風(fēng)扇、整流罩、預(yù)扭導(dǎo)流片、止旋片。安裝在風(fēng)扇前的導(dǎo)流片和裝在風(fēng)扇后的止旋片都是用于消除風(fēng)扇所造成的旋流，從而改善氣流的狀態(tài)，提高流場(chǎng)品質(zhì)。

6、拐角段 
在回流式風(fēng)洞中，由于氣流沿洞體循環(huán)360°，因此需要在設(shè)置四個(gè)拐角段。一般氣流在流經(jīng)拐角時(shí)會(huì)發(fā)生氣流分離，形成渦流，帶來(lái)能量損失，一般來(lái)說，四個(gè)拐角的能量損失約占風(fēng)洞總損失的40-60%。
因此在拐角內(nèi)一般安裝有拐角導(dǎo)流片，以避免氣流分離，降低能量損失。另外在聲學(xué)風(fēng)洞中，還會(huì)對(duì)導(dǎo)流片進(jìn)行消聲處理。

7換熱器 
在汽車風(fēng)洞進(jìn)行氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)風(fēng)洞內(nèi)溫度進(jìn)行控制，這就需要使用換熱器。其作用為保持風(fēng)洞內(nèi)部溫度在恒定的范圍內(nèi)，保證試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。一般汽車風(fēng)洞內(nèi)溫度要求穩(wěn)定在25℃附近。