汽车风洞试验

汽车气动-声学风洞试验号称是汽车试验中最高大上的一项试验，每小时2.5万元的试验费用，也让汽车风洞吹出的风成为了最昂贵的风。本期“汽车风洞技术”科普系列，就来为你讲下空气动力学-声学风洞中可开展的主要试验。

汽车风洞是在按照一定要求设计的管道系统内，使用动力装置驱动一股可控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行空气动力学试验的设备。

在气动-声学风洞内开展气动力测量、声学测量、流场信息测量和表面压力测量等汽车空气动力学试验。
 

一、气动六分力测量试验

气动六分力测量是在风洞中使用气动力天平测定汽车在某一风速下气动力变化的试验。一般在试验中会将气动力和气动力矩转化成气动力系数和气动力矩系数，以对汽车的空气动力学特性进行定量的评价。
 

奔驰汽车风洞气动力测量试验
 

在气动力测量中，气动阻力系数、气动升力系数（包括前后轴升力系数）的测量是较为重要的测试项目。它们对汽车的燃油经济性和汽车的高速行驶稳定性有较大影响。
 

在进行气动力测量时，一般还需要根据风洞结构尺寸和模型安装情况等进行试验结果修正。如对风洞阻塞比修正、喷口干扰修正、轴向静压梯度修正、支架干扰修正、地面边界层修正等，以尽量获得精确的试验结果。

在气动六分力测量试验中，主要的测量设备包含了测力天平、转台、移动带系统、边界层抽吸系统等。在现代汽车风洞中，这些测量设备一般都会集成在转台中。

FKFS汽车风洞天平何移动带设备

在风洞中还可通过转台旋转、侧风发生器等方法开展汽车侧风稳定性的试验，研究汽车在侧风工况下的行驶稳定性。

FKFS汽车风洞中的Swing侧风发生器
 

二、声学测量试验
 

汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域，风噪性能成为了影响汽车驾乘体验的重要因素。
 

在气动-声学风洞中，主要使用人工头声学测量设备和麦克风阵列测量汽车的声学特性。以对车外气动噪声以及车外附件对车内噪声的影响进行测量分析。

人工头声学测量设备
 

奔驰使用麦克风阵列测量车内噪声
 

保时捷风洞框架式麦克风阵列

保时捷风洞麦克风阵列声学测量结果

三、流场信息测量试验
 

流场信息测量试验可分为定性的流场显示试验和定量的流场气流参数测量试验。
 

1、流场显示测量试验
 

流场显示测量试验用于观察车辆周围和表面的空气流动。主要有四种方法：丝带法、油膜法、烟流法和粒子图像测速法（PIV）。
 

a、丝带法 
 

丝带法是用于观察汽车表面流动的常用方法。通过观察粘贴在车身表面上的丝带的运动状况来确定车身表面的流谱。

通常选用轻柔的绸带和细小的丝线。丝带的长度和间距根据模型部位和流场的复杂情况等确定，在流场较复杂的部位，如前侧窗附近，采用较短的丝线，间距也较小些。反之，在一些结构变化较小、流动较简单的表面上布置的丝带较长，间距也较大。

丝带法也可用于显示空间流谱。把丝带粘在模型周围用细金属丝织成的空间框架上，可以清晰地看见模型周围的气流状态，尤其是模型尾流区的气流流动情况。

b、油膜法
 

油膜法是将混有一定颜色的不易挥发、粘度较大的油液均匀地喷涂在汽车表面。根据油膜上的风纹可看出气流的方向和流速大小。

使用油膜法可使表面流谱图像一目了然，并可在风洞停止吹风后一段时间内保持其表面流谱。但是油易流淌，模型及风洞容易被污染。

保时捷911模型在进行油膜试验
 

c、烟流法 
 

烟流法是使用烟流发生器，并由梳状管排出烟丝，观察汽车周围流场和细节流动状态的试验。烟流试验风速通常选择在10～20m/s之间。

奔驰IAA概念车在进行流场显示试验
 

观察尾部细节气流形态
 

在风洞流态显示试验中，烟流法是采用较多的试验方法，可方便快速的观察车身分离流、尾部涡流等细节部位的流场信息。
 

d、粒子图像测速法 
 

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry）技术是一种基于流场图像互相关分析的流场测量新技术，具有全场性、瞬时性、定量性、无干扰等优点，适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构。

PIV试验获得的尾流场速度信息
 

PIV试验现场图
 

粒子图像测速的基本原理是：在流场中散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域，在某一时间内，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在CCD相机上，摄取该区域粒子图像的帧序列，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，进行图像相关分析，识别示踪粒子图像的位移，根据速度的定义，就可以得到流体的运动速度。

PIV测量原理示意图
 

2、流场气流参数测量试验
 

流场气流参数测量包括气流速度测量、气流方向测量、气流压力测量、气流湍流度测量等。
 

通常使用风速仪、热线风速仪、激光测速仪等设备进行速度测量；使用五孔探头测量气流俯仰和偏航方向。

五孔探头
 

在风洞中一般需要对汽车周围的边界层厚度进行测量，以便调整抽吸系统的抽吸率等参数。在测量时一般采用边界层耙进行，它是将多个风速仪，沿纵向固定在一块翼型板上。

测量边界层厚度的边界层耙
 

四、表面压力测量试验
 

汽车车身表面压力分布与汽车外形有着非常密切的联系，通过表面压力测量可以分析判断气动阻力、气动升力过大的根源，确定车身各部位所承受的载荷，进出风口的最佳位置，以及检查局部造型的合理性。
 

汽车表面压强分布测量按测量方式分一般有表面压力传感器测量和非接触式测量两种。
 

1、接触式表面压力测量 
 

接触式表面压力测量一般采用皮托管或膜片式压力传感器进行。
 

使用皮托管测压时，需要沿模型表面法向开孔，以便将测压管埋入孔内。为了不影响试验数据，一般应尽量使孔径小，并使用砂纸打磨来保证测压孔表面光滑，避免孔周围的毛刺带来测量误差。

皮托管测压布置示意图
 

一般在压强变化剧烈的地方应将测压孔布置得适当密一些，压强变化平缓处则适当的稀一些。各测压孔所感受的压强通过测压管、传导管与压强测量仪器相连接，以获得车身表面压力分布。
 

对于表面不能钻孔的整车测压，目前大多采用片式压力传感器，这样就不需要在汽车表面打孔且方便试验数据采集处理。但是片式传感器的存在会对汽车周围的流场造成一定的干扰。

片式压力传感器
 

2、非接触表面压力测量 
 

非接触表面压力测量包括激光测压装置、压敏漆测压等。
 

其中压敏漆测压是利用氧分子的猝灭效应测量物体表面压力变化的。采用压敏漆测压，可快速的获得整个车身表面的压力情况，克服了布置测点困难的问题；缺点是压敏漆会对风洞带来污染，并且其测量准确性还有待提高。

在气动-声学风洞试验中，对测量设备和测量位置的精确定位是非常重要的，这就需要用到移动测量系统。
 

目前国内还没有专业的汽车风洞移动测量系统，建设中的重庆中国汽研气动-声学风洞安装有与奔驰汽车类似的移动测量系统，将在气动-声学测量试验中发挥重要的作用。

奔驰汽车风洞移动测量系统（图中红圈处）
 

CAER 视点
 

目前在节能减排的大背景下，国外先进汽车公司如奔驰、丰田都投入了巨资建设了全新的气动-声学风洞。可以肯定气动-声学风洞作为开展汽车空气动力学研究的重要试验平台，其开展的测力、声学、测压、流场显示等试验，在汽车低阻低噪车型的开发过程中，将发挥更重要的作用。