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

2018-02-26 12:32:18·  
　
2013年12月位于德國(guó)辛德爾芬根的戴姆勒-奔馳新風(fēng)洞中心正式投入運(yùn)行。該風(fēng)洞中心包含一座氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞、兩座環(huán)境風(fēng)洞、工作間和辦公區(qū)域等。其中氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞安裝有五帶路面模擬系統(tǒng)、邊界層抽吸系統(tǒng)、汽車專用天平、移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備。本期世界先進(jìn)汽車風(fēng)洞將帶您了解奔馳這座全新的空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞。早在1974
2013年12月位于德國(guó)辛德爾芬根的戴姆勒-奔馳新風(fēng)洞中心正式投入運(yùn)行。該風(fēng)洞中心包含一座氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞、兩座環(huán)境風(fēng)洞、工作間和辦公區(qū)域等。其中氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞安裝有五帶路面模擬系統(tǒng)、邊界層抽吸系統(tǒng)、汽車專用天平、移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備。本期“世界先進(jìn)汽車風(fēng)洞”將帶您了解奔馳這座全新的空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞。
 
早在1974年奔馳便開始使用位于斯圖加特的風(fēng)洞開展空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試，1993年開始使用FKFS的風(fēng)洞進(jìn)行氣動(dòng)測(cè)量，到了2002年聲學(xué)測(cè)量也轉(zhuǎn)到了FKFS風(fēng)洞進(jìn)行。由于奔馳擁有的這座位于斯圖加特的風(fēng)洞建設(shè)于20世紀(jì)30年代，技術(shù)上的升級(jí)已經(jīng)比較困難，同時(shí)奔馳車型系列越來越多，空氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)的要求也越來越高，因此單靠原有的風(fēng)洞和FKFS的風(fēng)洞已經(jīng)難以滿足奔馳的車型開發(fā)需求，鑒于此，奔馳決定建造一座全新的空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞。
奔馳S-Class 126在原風(fēng)洞中測(cè)試場(chǎng)景
奔馳位于斯圖加特的風(fēng)洞
一、全新風(fēng)洞項(xiàng)目規(guī)劃
戴姆勒-奔馳全新氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞項(xiàng)目在2008年啟動(dòng)，以便提前識(shí)別項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和機(jī)會(huì)點(diǎn)以及預(yù)估建設(shè)費(fèi)用，整個(gè)項(xiàng)目預(yù)算確定為7500萬(wàn)歐元。在確定德國(guó)WBI公司為風(fēng)洞設(shè)計(jì)商后，正式設(shè)計(jì)工作在2009年開始，奔馳公司有4名工程師參與在項(xiàng)目組中，以確保WBI的設(shè)計(jì)能夠最終完全滿足奔馳的要求。
奔馳氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞布局（來源：奔馳官網(wǎng)）
整個(gè)氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞長(zhǎng)90m，寬47m。兩個(gè)單獨(dú)的控制室分別用于空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)量和聲學(xué)測(cè)量。車輛通過準(zhǔn)備間直接進(jìn)入風(fēng)洞駐室，準(zhǔn)備間內(nèi)的舉升機(jī)朝向轉(zhuǎn)臺(tái)中心，這樣車輛可以直接轉(zhuǎn)運(yùn)到天平上。所有的這些設(shè)計(jì)都高效的支撐風(fēng)洞的工作，但是必須要在設(shè)計(jì)的早期階段做出說明。
 
二、風(fēng)洞設(shè)計(jì)指標(biāo)
在項(xiàng)目啟動(dòng)階段奔馳就對(duì)氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞的技術(shù)指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求，這主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：
1）非常低的軸向靜壓梯度；
2）非常低的湍流強(qiáng)度；
3）駐室內(nèi)很小的靜壓脈動(dòng)頻率；
4）非常低的風(fēng)洞背景噪聲；
因此WBI在風(fēng)洞設(shè)計(jì)階段，預(yù)先建立了一座1:10的比例模型風(fēng)洞，模型風(fēng)洞由玻璃鋼、木材和鋼材制成。在比例模型風(fēng)洞中WBI對(duì)噴口、收集口等部件進(jìn)行了優(yōu)化處理，以滿足奔馳對(duì)風(fēng)洞靜壓分布和流場(chǎng)品質(zhì)的要求。同時(shí)WBI還使用了CFD仿真技術(shù)優(yōu)化了試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)尺寸。
CFD獲得的試驗(yàn)段速度場(chǎng)分布
奔馳氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞主要的空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)如下：


 
三、風(fēng)洞關(guān)鍵設(shè)備
1）天平和路面模擬系統(tǒng)
在直徑12m的轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝有德國(guó)MAHA生產(chǎn)的氣動(dòng)六分力汽車天平和五帶路面模擬系統(tǒng)。六分力天平為了達(dá)到較高的精度，一方面天平框架與轉(zhuǎn)臺(tái)是分離的，另一方面力傳感器也有著非常高的溫度和濕度要求。
奔馳全新氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞全貌
路面模擬系統(tǒng)由9m長(zhǎng)，1.1m寬的中央移動(dòng)帶和4條車輪驅(qū)動(dòng)單元移動(dòng)帶組成，移動(dòng)帶最大速度可達(dá)265km/h。其中車輪驅(qū)動(dòng)單元移動(dòng)帶外露面只有240mm，這大大減小了其帶來的附加升力（Parasitic Forces）。
奔馳風(fēng)洞轉(zhuǎn)臺(tái)和移動(dòng)帶
裙邊約束系統(tǒng)能將車輛舉升400mm，同時(shí)附加的車輛舉升裝置可以將車輛在轉(zhuǎn)臺(tái)上舉升1.9m，以便試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行車輛狀態(tài)的調(diào)整。
裙邊約束系統(tǒng)（紅色圈內(nèi)）
同時(shí)在轉(zhuǎn)臺(tái)上留有一個(gè)2m×2m的玻璃窗口，可以借助激光偏振儀或攝像機(jī)對(duì)汽車底部氣流進(jìn)行觀察和測(cè)量。下圖紅色方框內(nèi)區(qū)域。
車底氣流觀察區(qū)域（紅色框內(nèi)）
2）邊界層控制系統(tǒng)
為減小邊界層對(duì)氣動(dòng)力測(cè)量的影響，奔馳風(fēng)洞安裝有邊界層抽吸系統(tǒng)，包括：中央移動(dòng)帶上游抽吸、中央移動(dòng)帶側(cè)面抽吸、切向吹氣和縫隙吸氣。抽吸系統(tǒng)吸出的空氣，將會(huì)通過管道重新回到駐室內(nèi)。
此圖可清晰辨認(rèn)出邊界層抽吸措施
通過抽吸系統(tǒng)奔馳風(fēng)洞的邊界層控制達(dá)到了很高的水平，其中央移動(dòng)帶縱向和側(cè)面位置的邊界層剖面如下圖：
中央移動(dòng)帶縱向位置和側(cè)面的邊界層剖面圖
三、移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)
駐室內(nèi)安裝的7軸（3軸移動(dòng)，4軸旋轉(zhuǎn)）移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可允許工程師在測(cè)試車輛周圍布置高精度的傳感器和麥克風(fēng)，進(jìn)行壓力、聲學(xué)和速度測(cè)量。該系統(tǒng)重約26噸，系統(tǒng)主要部件由碳纖維制成，可確保傳感器在最大風(fēng)速下的穩(wěn)定測(cè)量。
奔馳風(fēng)洞移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（紅色方框內(nèi)）
注：同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞沒有此設(shè)備，位于重慶的中國(guó)汽研氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞將安裝中國(guó)首臺(tái)汽車風(fēng)洞移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，位移控制精度高達(dá)0.01mm。
四、風(fēng)機(jī)
奔馳氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞安裝有直徑9m的風(fēng)機(jī)，最大功率為5300 kw，有18片碳纖維制成的葉片和23片定子葉片，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)242rpm，可滿足試驗(yàn)段265km/h的風(fēng)速要求。
奔馳風(fēng)洞風(fēng)機(jī)（注意看葉片中間站立的人的高度）
為減小風(fēng)機(jī)噪聲，在風(fēng)機(jī)周圍進(jìn)行了消聲處理，在13.8m長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器上也安裝有消聲器，以進(jìn)一步降低風(fēng)洞背景噪聲。
五、聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)
為快速詳細(xì)的對(duì)氣動(dòng)噪聲源進(jìn)行測(cè)量分析，奔馳風(fēng)洞中安裝有360通道的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)，包含有3個(gè)獨(dú)立的麥克風(fēng)陣列，兩側(cè)各100通道，頂面160通道。
奔馳風(fēng)洞麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)
在奔馳風(fēng)洞中進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí)，移動(dòng)帶和邊界層抽吸系統(tǒng)都是關(guān)閉的，并且會(huì)使用泡沫板將移動(dòng)帶和車輪驅(qū)動(dòng)單元遮蓋，以減少對(duì)聲學(xué)測(cè)量的影響。
聲學(xué)試驗(yàn)時(shí)駐室狀態(tài)
CAERI 視點(diǎn)
在奔馳氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，奔馳工程師在風(fēng)洞試驗(yàn)操作中積累的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，在風(fēng)洞設(shè)計(jì)階段發(fā)揮了重要作用，在風(fēng)洞投入使用后，其試驗(yàn)操作時(shí)間和流程均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化，但在這一方面國(guó)內(nèi)目前還缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)積累?？上驳氖?，目前國(guó)內(nèi)建設(shè)中的重慶中國(guó)汽研氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞設(shè)計(jì)商同樣為德國(guó)WBI公司，我們相信這座風(fēng)洞在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段定會(huì)吸收奔馳汽車風(fēng)洞的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)點(diǎn)，站在巨人的肩膀上，更進(jìn)一步，為中國(guó)汽車工業(yè)提供強(qiáng)大的試驗(yàn)科研支撐。  
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