汽車風洞空氣動力學性能影響因素

陳軍，王勇，石鋒，周龍

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

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汽車風洞空氣動力學性能影響因素

陳軍，王勇，石鋒，周龍

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

摘 要：汽車風洞在汽車氣動造型設計、減小風阻、降低能耗等方面起著關鍵作用。由于汽車風洞的有限尺寸，其空氣動力學性能受多種因素的影響，影響因素主要有阻塞、邊界層、壓力梯度、壓力脈動等。其中有些因素必須進行合理設計；有些因素影響風速的確定，需要對風速的進行標定；有些因素對車輛空氣動力學性能測量有較大影響，需要對測量結果進行修正；有些影響因素雖然不能物理消除，但是通過調試校準可以獲得更理想的結果。其中合理設計、正確的標定和校準是確保測量結果準確性的前提，必須在風洞設計、建造和調試階段充分考慮，是對風洞使用過程中測量結果的提前修正；對測量結果進行經驗修正，可提高準確度。

關鍵詞：空氣動力學；汽車風洞；風洞設計；標定；修正；阻塞；邊界層

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.002

CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-03-05

前言

汽車空氣動力學-聲學風洞主要用于車輛的空氣動力學參數及風噪聲測量，在車型開發(fā)過程中起著非常重要的作用。由于汽車風洞的尺寸限制，必然導致阻塞效應、邊界層效應的產生，同時不可避免地出現(xiàn)壓力梯度、側洗流與測試段邊界相互作用以及壓力脈動、氣流偏角等現(xiàn)象，從而造成汽車風洞中模擬出的風環(huán)境與自然界的真實風環(huán)境存在一定的差別，影響汽車風洞的空氣動力學性能并導致測量結果的偏差。對影響汽車風洞空氣動力學性能的因素進行合理的設計及其相關的標定、校準和修正是風洞設計、建造、調試、驗收和使用過程中必不可少的重要工作。

1、阻塞效應

阻塞效應是在車輛置于風洞中時，由于噴口和測試段的有限尺寸而產生的氣流效應。其量化指標可用阻塞比來表征，阻塞比是車輛正投影面積和噴口面積的比值。

阻塞效應是汽車風洞最主要的物理負面效應，它很大程度上決定了汽車空氣阻力系數的測量誤差的大小。因此，為了提高汽車風洞的空氣動力學性能，首先要解決好阻塞問題。

汽車風洞中的阻塞效應可以通過勢流模型[1]來表示。見圖1。對于測量結果存在著噴口阻塞、收集口阻塞和射流邊界阻塞三種阻塞效應[6]。噴口阻塞是由于噴口有限尺寸造成的。收集口阻塞是由于收集口的有限尺寸造成的。射流邊界阻塞是因為風洞測試段的有限尺寸造成的。

圖1　汽車風洞的阻塞效應勢流模型Figure1　Automotive wind tunnel blockage effect potential flow model

因此，如果要得出準確的測量值，需對風洞噴口、測試段、收集口、天平與噴口之間的距離等進行合理的設計以及在使用風洞的過程中進行適當的阻塞修正。同時，建造時還應重點考慮噴口、收集口和測試段等關鍵點的尺寸精度和位置精度。

1.1 通過風洞設計減少阻塞效應

風洞噴口面積越大，阻塞比相應越小。因此可以通過合理設計風洞噴口大小來進行減少阻塞引起的測量誤差。

車輛在實際路面上行駛，其阻塞比趨向于0。因此我們希望噴口尺寸越大越好，但是從建設的角度來考慮，汽車風洞設計阻塞比一般不高于15%。噴口尺寸一般設計為25m2以上。

風洞阻塞效應是風洞多種硬件和測試車輛組合的原因造成的[14,32]，這可以在風洞的設計階段通過綜合考慮噴口收縮比、收集口幾何和尺寸、駐室尺寸、測試段長度以及天平中心距離噴口距離等因素的影響，最小化阻塞效應。其中，測試段的長度是由噴口出口平面至測試車輛尾端長度Lme、壓力梯度范圍的長度LG、尾流區(qū)域長度Lmw這三個長度決定，見公式（1）。

1.2 阻塞對阻力系數的影響及修正

在風洞使用過程中，可以進行測量結果的阻塞修正，提高準確度。

根據伯努利方程[2]（見公式22）和汽車阻力系數的計算方法得知（見公式14-15），對阻力系數的修正實際上是對動態(tài)壓力的修正[6]。

根據圖1所示的模型，動態(tài)壓力的經驗修正公式為：

公式2適用于噴口法”（The nozzle method）[2]，公式3適用于“駐室法”（The plenum method）[2]，其中，qc分別是修正后的動態(tài)壓力；q∞為測量得出的參考動態(tài)壓力；εS為射流邊界的阻塞系數；εN為噴口的阻塞系數；εC為收集口的阻塞系數；εQN和εQP為風壓系數[1]，分別對應“噴口”和“駐室”。εS與風洞截面的形狀、模型（車輛）的體積、投影面積、長度和噴口面積及風壓系數有關。其計算公式為：

其中：

AN為噴口面積，VM為模型體積，LM為模型長度，AM為模型正投影面積，B為測試段寬度，H為測試段高度。而風壓系數又與噴口面積、模型投影面積、模型中心距噴口的距離XM以及噴口及其鏡像的等效半徑RN有關。

εN的計算公式[6]為：

式中，XM為模型中心距離噴口的距離。

εC的計算公式為：

式中，RC為收集口及其鏡像的等效半徑，LTS為風洞測試段的長度，εw為尾流阻塞系數。尾流阻塞包含氣流分離誘導的阻力和氣流與收集口的固壁表面摩擦產生的阻力。εw與模型（車輛）的尺寸、風洞測試段的截面積ATS、橫擺角為零時的阻力系數測量值CD（0）uw以及橫擺角β有關[8]。

根據公式10-13可以得出阻塞修正后的阻力系數CDc。式中：FD為測量得出的阻力，ρ為空氣密度，CDm為測量得出的阻力系數，ΔCDB阻力系數阻塞修正量。

則：

1.3 由于阻塞引起的噴口壓力梯度對阻力系數的影響及修正

由于風洞的有限尺寸，當車輛被置于風洞中時，與噴口相互作用形成了阻塞，在車輛位置處產生了附加的噴口壓力梯度[9]，在趨勢上增加了阻力。進行噴口壓力梯度對阻力系數測量影響的修正非常必要。在汽車風洞中對阻力的實際測量中，“駐室法”（The plenum method）和“噴口法”（The nozzle method）均可采用，但必須加以修正[9]。關于這兩種方法的異同詳見2.4節(jié)。

對于“駐室法”，阻力修正量經驗公式為：

對于“噴口法”，阻力修正量經驗公式為：

公式中U∞為參考風速，UN為噴口處風速，UP為駐室中風速，AN為噴口面積。

2、邊界層效應

由于風洞的有限尺寸和氣流的粘性，氣流產生分離導致一定厚度的邊界層，而邊界層效應的存在會導致通過車底的氣流通量減少，為了補償這個氣流通量的減少，勢必造成作用在邊界層內的車輪等車輛部件的力矩的損失，從而造成空氣動力學測量的誤差[7]。

2.1 邊界層控制系統(tǒng)的應用

汽車空氣動力學風洞中采用的邊界層控制系統(tǒng)一般情況下，可分為三級，第一級是位于噴口出口處氣流的下游位置的水平抽吸系統(tǒng)，第二級是位于轉臺前端的垂直抽吸系統(tǒng)，第三級是位于移動帶前端氣流上游位置處的切向射流系統(tǒng)。而在環(huán)境風洞中由于對空氣動力學性能要求不高，通常只采用一級邊界層控制系統(tǒng)，即位于噴口出口處氣流下游位置的水平抽吸系統(tǒng)。

但是，不同設計公司設計的汽車風洞，其邊界層控制系統(tǒng)的配置有可能不同，不局限于上述三級配置。邊界層控制系統(tǒng)的采用需要在設計階段就予以重點考慮。而在建造時也要重點考慮邊界層控制系統(tǒng)的安裝空間、維修空間、調試控制的便利性以及與天平移動帶轉臺系統(tǒng)的配合關系。

2.2 路面模擬系統(tǒng)的應用

為了更進一步減少邊界層效應，空氣動力學風洞采用移動路面模擬系統(tǒng)（Moving belt system），用于模擬車輛在路面行駛的路面狀況，從而大大減少采用固定地板而造成的邊界層效應。這樣就使車底的氣流模擬更接近實際狀況，可以提高風洞空氣動力學參數測量的準確度。移動路面系統(tǒng)包括單帶系統(tǒng)、三帶系統(tǒng)和五帶系統(tǒng)。目前應用最多的是五帶系統(tǒng)，帶按材質分為鋼帶和復合材料帶兩種。而單帶系統(tǒng)一般用于模型風洞。三帶系統(tǒng)是最新發(fā)展的移動路面系統(tǒng)，目前在德國FKFS汽車風洞中采用，因其能更精確地模擬移動路面狀況，所以更多地是用于賽車的試驗。對于普通乘用車而言，五帶系統(tǒng)已足夠滿足要求。

2.3 測試段邊界層的校準

風洞調試過程中，我們要進行對測試段邊界層厚度的測量和校準，主要通過調整邊界層控制系統(tǒng)的抽吸率、切向射流的噴射壓力等方法來進行，從而使邊界層厚度滿足風洞設計之初提出的指標要求。邊界層厚度通過測量地板上方速度分布情況來確定，原理見圖2。邊界層厚度δ99為u/U∞等于99%時皮托管的高度，而邊界層位移厚度δ*見公式[7]16。

圖2　邊界層測量原理Figure2　Principle of boundary layer measurement

邊界層厚度的測量和校準過程實際上是去除邊界層的必要的技術手段，是邊界層控制系統(tǒng)和路面模擬系統(tǒng)在建造好后綜合發(fā)揮作用的前提條件。

2.4 噴口內邊界層影響及風速標定

噴口內存在的邊界層，會對風速產生影響[6]，因此在風洞在投入使用之前，需要進行風速標定，從而實現(xiàn)對測量結果的提前修正。這個對于風洞的性能至關重要，因為風速的控制的準確性是決定風洞設計和建造成功的必要條件。

目前的汽車風洞一般是開口風洞，一般采用“駐室法”進行對動態(tài)壓力（風速）進行測量[1,14]，見公式17-20。

公式中：q∞為風洞參考動態(tài)壓力，U∞為參考風速，pSC為穩(wěn)定段中的靜態(tài)壓力，pP為駐室內的靜態(tài)壓力，kP為流道系數，ρ為空氣密度，AN為噴口出口平面面積，ASC為穩(wěn)定段橫截面積。風速由風洞的流道系數和壓力來決定。pSC和pP可直接用皮托靜壓管測出。而流道系數kP雖然與收縮比有關（見公式19），但它由于噴口內的邊界層效應而發(fā)生變化[6]，所以建議采用接近“噴口法”的試驗方法確定準確的流道系數（見公式20），其中PN為噴口內的靜態(tài)壓力，kN為采用“噴口法”得出的流道系數，這個流道系數替代kP代入公式17中可獲得相應風速。

3、壓力梯度影響及“水平浮力”修正

“水平浮力效應”是由于有限的風洞空間尺寸，并且采用邊界層控制系統(tǒng)，造成空風洞測試段內壓力分布不均勻，從而產生壓力梯度，形成“水平浮力”。過大的壓力梯度的存在會影響車輛空氣阻力系數的測量結果，車前端的壓力梯度會造成阻力增加，車后端的壓力梯度會造成阻力減小[33]。“水平浮力”造成的阻力的測量誤差，見公式21[3]。

我們可以看出，由“水平浮力”產生的阻力誤差ΔCD|HB除了跟車輛尺寸有關之外（公式21中VM為車輛體積，AM為車輛正投影面積），還跟壓力梯度有直接的關系，其中dcp/dx為沿x軸向上的靜態(tài)壓力梯度因數。G為格勞厄特系數（Glauert factor），對于地面車輛取G=1.75[3]，但這會造成過度修正。根據WICKERN的文章[4]，對于量產汽車，取G=1.14。

空風洞壓力梯度問題在較早時間就被關注和研究，“水平浮力”對阻力系數的測量影響較大，但是可以通過合理設計測試段長度、風洞調試時調節(jié)邊界層控制系統(tǒng)抽吸率或吹氣壓力，使風洞測試段具有良好的壓力梯度指標，尤其是車輛長度范圍內的壓力梯度，從而提高測量準確度。目前風洞技術發(fā)展水平來看，這個問題解決的很好，目前大多數新建的汽車空氣動力學-聲學風洞都具有很好的壓力梯度指標，其測試段內壓力系數曲線[10]在車輛長度范圍內非常平緩，其值接近于0，如圖3。因此“水平浮力”的修正值在車輛總CD值修正[5]中占比重較小。

圖3　歐洲風洞測試段壓力系數曲線Figure3　Cp Curves in test sections of European wind tunnels

4、壓力脈動

壓力脈動是由于氣流的紊動而產生的圍繞時均壓強上下波動的隨機動壓，它產生的根本原因是有限的風洞尺寸，是物理現(xiàn)象，是不可消除的。對于具有開放式測試段的汽車風洞，由于收集口、駐室側壁和頂棚等的存在，氣流會被反射，從而在風洞中產生低頻顫振現(xiàn)象（即壓力脈動），其頻率與風洞固有頻率接近或相同時會產生共振，見圖4。

壓力脈動現(xiàn)象不僅影響風洞的空氣動力學和聲學品質，而且影響整個設施建筑的結構安全。因此必須采取措施予以減弱，這對于汽車風洞非常重要。

壓力脈動水平高低用壓力脈動系數的均方根值Cprms來表示，見公式22，它直接影響著風洞的流場質量和測試段聲場，從而影響測量的準確性。

式中fi為頻率，Cpfi為fi頻率下的壓力脈動系數。

雖然壓力脈動現(xiàn)象是不可消除的，但是可以通過在風洞設計和建造階段采取相應措施減少其影響。采取的主要措施是設計和安裝赫爾姆茲共振腔（Helmholtz resonator）或與其類似作用的結構。

在風洞調試階段，在空風洞中進行一定頻率段內的聲壓級掃描，得到風洞共振頻率。可以通過調節(jié)赫爾姆茲共振腔的共振頻率與風洞共振頻率一致，降低壓力脈動水平，提高流場質量，降低背景噪聲。赫爾姆茲共振腔模型見圖5。共振腔的共振頻率為：

式中，c為聲速，V為赫爾姆茲共振腔的體積，A為頸口的橫截面積，L為頸口的長度（可調）。

圖4　駐室壓力脈動產生機理模型Figure4　Pressure pulsation modelin the plenum

圖5　赫爾姆茲共振腔模型Figure5　Helmholtz resonator model

降低壓力脈動的另外一種方法是在不影響有效流場的前提下合理設計駐室的部分結構參數，比如收集口喉部的間隙。有研究證明，采用合理的收集口間隙可以一定程度上抑制測試段內的低頻顫振現(xiàn)象[9]。這種方法可以和赫爾姆茲共振腔聯(lián)合使用，可以取得更好的效果。

與赫爾姆茲共振腔作用相似，目前降低壓力脈動水平的另外一種主要手段是采用主動阻尼系統(tǒng)，例如在Audi的空氣動力學-聲學風洞中就采用了一種所謂的“主動共振控制系統(tǒng)（ARC）”[10]的主動阻尼系統(tǒng)，它能夠減弱在所有風速下的共振。但是這種主動式的共振控制系統(tǒng)非常昂貴，汽車風洞較少采用這種方式。

目前豐田在日本的空氣動力學-聲學風洞采用一種稱之為“伴流”的技術[11]，即在噴口周圍引入外界空氣流，伴隨主氣流一起流動，這也可以有效減少壓力脈動。它的原理根本上是赫爾姆茲共振腔（Helmholtz resonator）的原理。

5、總結及結論

阻塞效應、邊界層效應和壓力梯度是影響汽車風洞空氣動力學性能的主要因素。阻塞效應是不可避免的，但是可以通過對噴口、測試段和收集口的合理設計得到先進的技術指標；后期可以通過風洞使用過程中的數學修正來進一步降低阻塞效應。汽車風洞的近年來采用的先進技術，比如移動帶系統(tǒng)、邊界層控制系統(tǒng)等均與邊界層效應有關。壓力梯度是不可回避的問題，歷來汽車風洞技術專家及工程師都將其納入車輛總CD值修正方法中。

壓力脈動主要影響風洞的測試段流場質量、聲學品質和結構安全，對汽車風洞來講非常重要，主要通過合理設計和精確建造并通過高水平的調試來達到目標。

對于汽車風洞這四個方面的因素，目前在設計技術上是比較成熟的，但主要指北美和歐洲的技術，國內相對非常落后。在建造和調試方面，國內雖然已經有成功案例，但也是在國外設計公司主導下完成的，國內技術力量還很欠缺。因此，中國在汽車風洞設計、建造和調試技術方面尤其是在如何減少阻塞效應和壓力梯度效應以及降低壓力脈動水平等方面還沒有很好的發(fā)展。

此外，在數學經驗修正方面，雖然國外經過半個多世紀的發(fā)展，已經有相當成熟的修正方法，但是仍然需要繼續(xù)不斷地完善和改進。

通過上述研究可知，可以選取恰當的措施降低汽車風洞中測量誤差源的影響。因此在風洞設計、建造以及調試階段從技術方面應重點考慮以下三個問題：

1）風洞概念設計階段，合理選取空氣動力學指標，保證風洞性能的先進性。

2）風洞設計和建造時，采取相應措施確保設計目標的實現(xiàn)和施工質量，盡量降低上述各因素對風洞性能的不良影響。

3）對風洞空氣動力學指標進行標定或校準，以保證測量結果的準確性。

合理設計、正確標定和校準均為風洞設計、建造和調試階段進行的提前修正，以保證獲得準確的測量結果。對測量結果還可進行相應的數學修正，以提高測量準確度，但其應用有一定的條件，應根據具體的風洞、測試車輛和測試規(guī)范來調整模型或參數。

參考文獻

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Influence Factors on Automotive Wind Tunnel Aerodynamic Performance

Chen Jun, Wang Yong, Shi Feng, Zhou Long
（China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd., Chongqing 401122）

Abstract：Automotive wind tunnel plays key roles in the aspects of vehicle styling design, decreasing drag, reducing energy consumption, etc.For the limited size of an automotive wind tunnel, its aerodynamic performance is influenced by many factors, such as blockage, boundary layer, pressure gradient, pressure pulsation, etc..Some of them must be designed properly.Some factors influence the wind speed determination, and the wind speed should be calibrated.Some factors influence the measurements of vehicle aerodynamic forces and moments, and the measurements should be corrected.And the others are inevitable, but can be adjusted to gain better results during the course of commissioning.Proper design, correct calibration and adjustment are preconditions to gain accurate measurement results and should be fully considered in the phases of wind tunnel design, construction and commissioning.Empirical corrections of the measurement results should be taken to improve the accuracy.

Keywords:Aerodynamics; Automotive Wind Tunnel; Wind Tunnel design; Calibration; Correction; Blockage; Boundary layer

作者簡介：陳軍，高級工程師，就職于中國汽車工程研究院股份有限公司汽車風洞中心。研究方向：汽車空氣動力學、汽車風洞及其測試技術、汽車底盤試驗研究（懸架方向）、汽車車身試驗研究。

中圖分類號：U461.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-03-05