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行业 | 世界先进汽车风洞系列之FKFS缩比模型风洞

2019-01-18 10:24:27·  来源：中国汽研汽车风洞技术  
　
现阶段国内在车辆早期开发阶段的空气动力学设计多通过CFD手段来实现。虽然各大车企在CFD计算方面的能力逐年增强，但是由于很多车辆部件的设计（比如下车体、后视
现阶段国内在车辆早期开发阶段的空气动力学设计多通过CFD手段来实现。虽然各大车企在CFD计算方面的能力逐年增强，但是由于很多车辆部件的设计（比如下车体、后视镜、附加扰流板）以及冷却气流的模拟等都对计算机配置提出较高要求，因此对于车辆的早期开发优化，模型风洞试验仍然是目前最有效且经济的方法。本期将为您介绍坐落在德国FKFS（斯图加特内燃机与车辆研究所）的一座汽车缩比模型风洞。
1988年建成的FKFS缩比模型风洞为其全尺寸风洞的缩小版本，缩比为25%，在2001年和2016年先后进行过两次较大的升级，占地面积为19.25 m*5.75 m。
FKFS缩比模型风洞试验段（1988年）
 
FKFS缩比模型风洞试验段（2001年升级后）
 
 FKFS缩比模型风洞试验段（2016年升级后）
 
FKFS缩比模型风洞测试模型比例一般为20%-25%，最大可达30%，测试段长度2.585 m，喷口面积为1.6 平方米，最大风速为288 km/h；测试段安装有天平、五带移动路面系统、移动测量系统、模型转运等设备，其转台横摆角度为±95°，喷口和转台安装有两级地面边界层抽吸系统，中央移动带长度为1.75 m；风机功率为350 kw；测试段温度可恒定在23℃，以降低温度对测试结果的影响。
 
在FKFS模型风洞中，每天可能会测试50种以上不同的模型配置，因此为提高测试效率，测试段内安装了模型转运系统，这样每次测试可使用两个模型，一个在测试段内进行测试，另一个在准备间内进行修改，测试和模型修改可以同步进行以提高测试效率。
 
FKFS模型风洞的应用领域主要为高校教学、科研、全尺寸风洞技术验证等方面，面向主机厂的技术服务所占比例并不是太大。
 
FKFS模型风洞的设计比例
 
FKFS缩比模型风洞测试段的设计比例为1：4，但是该模型风洞的部件（流道，风机，风机室，拐角叶片，沉降室等）却采用了不同的设计比例。这是因为该模型风洞不是为声学测试而设计的，在这种情况下，只要保证模型和测试段的几何特性按要求比例进行匹配，并保持测试段的流体力学特性，这样就可以实现模型风洞测试的高精度。
 
虽然常常认为FKFS缩比模型风洞是其全尺寸风洞的缩小版，但是，两者间部分设计是不同的。首先，模型风洞测试段的驻室没有完全复制全尺寸风洞；其次，模型风洞收集口的设计也与全尺寸风洞的设计不同。这是因为模型风洞中空测试段的静压梯度几乎可以忽略不计，而且模型风洞中近无限大的驻室对测量结果的影响微不足道，因此在模型风洞设计时，对于全尺寸风洞中的这些部位省去了精确的复制。
FKFS模型风洞中的测试模型
 
“FKFS swing”系统
 
FKFS缩比模型风洞喷口处配置了名为“FKFS swing”的可拆卸系统，主要用于模拟非定常流动的气流。
FKFS swing系统中可移动的翼片可以在不同频率下改变迎面气流的角度，可以模拟被测车辆在另一车辆后面行驶或者存在不稳定侧风的情况。
FKFS swing系统目前也配置在FKFS全尺寸风洞中，而这种系统最早是在模型风洞中开发的。 
FKFS模型风洞中的“FKFS swing”系统
FKFS全尺寸风洞中的“FKFS swing”系统
 
5带式移动路面系统
 
为了实现对车辆实际道路行驶的真实模拟，车辆在风洞中的运动边界条件必须与道路上相同。这意味着必须在风洞中保持车辆与地面之间的相对运动，而且车轮必须模拟真实行驶速度旋转。
 
因此，在模型风洞中建立地面模拟系统是非常重要的。FKFS缩比模型风洞中配置了5带式移动路面系统，包括一个中心钢带，以及4个可以实现车轮旋转的聚合物材质的驱动装置。
 
事实上，在汽车风洞发展的早期阶段，车辆与地面的相对运动（包括车轮旋转特性）的重要性并未被风洞开发者和使用者所意识到。然而，随着研究的进一步深入，全尺寸风洞的测试显示，如果不考虑车辆与地面的相对运动，会对测试精度造成很大的影响，尤其是影响车辆下车体开发以及车辆冷却气流入口设计、刹车冷却性能评估以及车轮扰流器的设计等方面的精度。
车辆前端中心钢带的特写
后轮驱动装置（聚合物移动带和裙边约束系统）
 
其他先进系统
 
为了尽量减小移动带和车轮驱动装置前侧的迎面流边界层，FKFS缩比模型风洞中配置了边界层抽吸系统。该系统可以将地面边界层的滞流逐渐吸走，从而使边界层的流动动量损失降至最小。
 
为了进行尾迹测量，FKFS缩比模型风洞还配备了移动测量系统。通过这个系统，喷口和收集口之间的测量体积可以直接延伸到试验段外的风洞控制室。
 
在2016年升级后，FKFS缩比模型风洞中开始使用新的WTCS控制系统，在这个控制系统的支撑下，目前模型风洞中的所有子系统都可以由单个系统控制，这使得模型风洞的操作更容易，更高效。
FKFS模型风洞控制间
 
结语
 
作为世界上最著名的汽车技术研究机构之一，FKFS在风洞测试和研发领域处于世界最前沿水平，不断引领着汽车风洞技术的革新。
 
2015年，位于重庆的国内第三方汽车测试研发机构——中国汽研与FKFS签订了无限期战略合作协议，FKFS将结合自身在风洞领域的研究成果，对中国汽研汽车风洞的建设以及建设完成后的运行和发展提供全方位的技术支持。
 
2019年，具备国内领先、国际一流技术指标的中国汽研汽车整车风洞即将在万众瞩目中落成。相信在FKFS等知名技术机构的支持下，中国汽研汽车风洞中心将为客户提供更专业、更优质的技术服务，敬请期待！ 
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