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汽车风洞测试是怎样进行的？
2020-10-10 21:32:17· 来源：经纬恒润
风洞组成风洞洞体由动力段、扩散段、收缩段、低速试验段、高速试验段、拐角导流片、稳定段、蜂窝器等部分组成。风洞动力系统由大功率直流电机驱动，风扇系统由玻
风洞组成
风洞洞体由动力段、扩散段、收缩段、低速试验段、高速试验段、拐角导流片、稳定段、蜂窝器等部分组成。风洞动力系统由大功率直流电机驱动，风扇系统由玻璃钢桨叶组成。
第一，收缩段
收缩段位于试验段的前面，随着其横截面积的不断缩小，气流从入口被逐渐加速到试验段所需要的流动参数值。收缩段的一个重要特性参数是收缩比，通常用K表示：
K=收缩段进口面积／收缩段出口面积
收缩段的形状和收缩比对流场的品质和风洞消耗功率有很大的关系。希望所选择的收缩段形状能在出口处得到一种速度分布均匀和平行于风洞轴线的气流，从而保证试验段中的气流速度均匀而平直。收缩比大的风洞所消耗的能量大，但可得到紊流度较低的气流，一般汽车风洞的收缩比建议为K=2-4。
第二，试验段
收缩段位于试验段的前面，随着其横截面积的不断缩小，气流从入口被逐渐加速到试验段所需要的流动参数值。收缩段的一个重要特性参数是收缩比，通常用K表示：
K=收缩段进口面积／收缩段出口面积
收缩段的形状和收缩比对流场的品质和风洞消耗功率有很大的关系。希望所选择的收缩段形状能在出口处得到一种速度分布均匀和平行于风洞轴线的气流，从而保证试验段中的气流速度均匀而平直。收缩比大的风洞所消耗的能量大，但可得到紊流度较低的气流，一般汽车风洞的收缩比建议为K=2-4。
下图：宝马实车风洞试验段：
第三，扩散段
扩散段的作用是通过风道横截面积的增加，降低风洞中气流的速度，从而降低能量损失。它一般位于试验段的后面。扩散段管道的横截面积通常采取逐渐增大的方法，从而将试验段出口处的动能最有效的转变成压力能。另外，扩散段应有适当的长度，其扩散角一般不超过50～60。
第四，动力段
动力段一般包括电机、风扇、整流罩、等流计、止旋片。它的作用是不断为风洞中的气流补充量，以保证气流以一定的速度恒稳地在风洞中流动。调节风洞中风速的方法通常有两种：一是加大电机的功率；二是调节风扇的浆叶角度。装在风扇前的导流片和装在风扇后的止旋片都是用于消除风扇所造成的旋流，从而改善气流的状态，提高流场品质。
下图：动力段风扇
第五，稳定段
动力段一般包括电机、风扇、整流罩、等流计、止旋片。它的作用是不断为风洞中的气流补充量，以保证气流以一定的速度恒稳地在风洞中流动。调节风洞中风速的方法通常有两种：一是加大电机的功率；二是调节风扇的浆叶角度。装在风扇前的导流片和装在风扇后的止旋片都是用于消除风扇所造成的旋流，从而改善气流的状态，提高流场品质。
下图：风洞整体图
下图：风洞实验室内外景下图，风洞实验室内外景
下图：实验现场图（分别是侧偏6度，0度，15度的情况）
风洞试验设备
第一，气动力天平
气动力天平是用来测量模型的气动力和力矩的测量仪器。图示天平为六分量应变式汽车专用天平，可以用来测量 汽车的阻力、升力、侧力、横摆力矩、侧倾力矩和俯仰力矩。这个是最基本的测量，一般的企业做这个测量可以验证CFD仿真的准确性。
下图：六分量具体内容
第二，地面抽吸设备
汽车模拟风洞对模拟地面的边界层具有较高的要求，其地面厚度不应超过地面间隙的1%~8%。否则将影响试验结果。地面效应模拟使由于气流相对于地板运动而产生的附面层尽量的小。模拟地面效应一可以采用以下几种方法：
第三，流场显示设备
流场显示试验，主要用于观测车辆内外的空气流动、车身表面的尘土污染以及车窗上的水滴流动等现象。流场定量测量可以测得流场中待测点的流场数值(一般为与速度有关的数值)，主要用于分析流场特性，如汽车尾部流场特性等。目前，流场显示试验常用的方法有丝带法、烟流法、油膜法，粒子图像测速法(PIV)等。
① 丝带法
丝带法是用于观察表面流场的常用方法。通过观察粘贴在模型表面上的丝带的运动状况来确定模型表面的流谱。通过长飘绸带来显示连续的气流流况。
丝带的飘动方向和范围即为模型表面该点处的气流速度和方向变动范围。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，长度一般在50-100 mm之间，间距一般在5-10 mm之间。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。丝带法丝带法简单易行，各点流态清晰可见。但因丝带本身的重量和惯性，与真实的流态略有差异。
② 烟流法
烟流法显示周围的气流流场以及模型表面的分离流和尾部涡流等。试验时，烟流发生器产生烟，并由梳状管排出烟丝。烟流试验风速通常选择在10-20 m/s之间。
③ 油膜法
油膜法主要用于汽车表面污染的研究，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模型或汽车表面。根据模型表面的油膜上的风纹可看出气流的方向和流速大小。油的常用原料是液体石蜡、油酸和氧化钛、氧化钦、氧化铝或石墨按一定重量比的混合物。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。但是需长时间吹风，油易流淌，模型及风洞易脏。
④ PIV法
PIV(Particle Image Velocimetry),即粒子图像测速法，是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如LDV）的局限性，在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。
PIV基本原理：在流场中撒布大量示踪粒子跟随流场运动，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到的前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布，进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。
PIV系统组成：
下图：部分组件图
下图：PIV实验现场图：
PIV实验结果：美国GTS卡车的尾部流场状况
再用专业后处理软件可以得到涡流状况：再用专业后处理软件可以得到涡流状况：
第四，压力测试
汽车表面压强分布对于汽车的气动阻力、风噪声、面板振颤、通风换气以及各装置的合理布置都有密切的关系。汽车表面压强分布测量按测量方式分一般有接触式测量和非接触式测量两种。
① 接触式测量
试验前，首先确定模型上的测压部位、测压点数及点位坐标，然后在这些点位处开孔。为了不影响试验数据，一般应尽量使孔径小，将测压管埋入孔内，用砂纸打磨来保证车身表面的光滑。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。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。下图为车身表面局部静压测量，在模型被测表面的法向开一小孔来感受该处的静压。小孔直径一般为0.5-2 mm，h／d>2，测压孔的轴线应与壁面垂直，孔内壁要求光滑，孔口无毛刺，孔口附近物面光滑。这种方法对气流的扰动小、操作简便、可以得到较准确的车身表面局部静压值，应用广泛。对于表面不能钻孔的实车测压，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。
汽车表面压强分布对于汽车的气动阻力、风噪声、面板振颤、通风换气以及各装置的合理布置都有密切的关系。汽车表面压强分布测量按测量方式分一般有接触式测量和非接触式测量两种。
下图：车身表面局部静压测量：
下图：测压管下图：测压管
下图：布点图下图：布点图
在模型上布置直径为1~1.1mm的测压钢管，且测压钢管轴线垂直于模型表面，测压钢管通过软管与压力扫描阀的管咀连接，实现对测点风压的传递与测量。
下图：风压系统示意图
② 非接触式测量
光学压敏漆测压方法是近年来比较成熟的非接触式测压方法。美国华盛顿大学化学部首先于1987年研制了压敏漆，1989年1月首次用于风洞实验，同时在美国宇航局Ames研究中心流体机械实验中得到实验演示。在光的照射下，处于基态的分子会吸收某种特定频率的光子，并转变为不稳定的激发态分子。当激发态分子回复到基态时，随之而产生具有极少量热量的光辐射——荧光。通过对大量发光分子的观察，发现在有氧气存在时，这些辐射光在发光过程中碰撞钝化而导致发光衰弱即被氧猝灭。压敏漆测压就是基于发光分子的光致发光和氧猝灭原理。将播有发光分子的压敏漆用适当方式涂在被测模型表面，选用适当波长的激发光照射时，压敏漆瞬时发出某一波段的可见光，当气流经过模型表面时，各处所受压力不一样，则氧分压也不同，造成对压敏漆中发光分子的猝灭程度不一样。故模型表面的氧分压(即当地静压)越大，发光光强就越小。通过发光强度的测量，就可计算出压力的定量值，从而得到表面压力特性。
下图：压敏漆测压示意图
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