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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
本設計是在市場的需求下，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的汽車風洞進行調(diào)研和分析，設計一座具有低湍流、可變湍流度、低噪聲等特色的小型車1：5風洞實驗室。在風洞的設計過程中，對其主要部件進行了詳細的計算。風洞建成后，結(jié)合實驗室內(nèi)先進的測量手段，除了能滿足模型的測壓、測速、流態(tài)觀測等教學外，還可以利用該風洞進行從事橋梁、環(huán)境污染等工業(yè)空氣動力學研究工作。
進行汽車研究，汽車風洞是必不可少的試驗設備。汽車風洞建設對汽車空氣動力學發(fā)展意義重大，沒有汽車風洞，也不能很好推動整個國家的汽車工業(yè)向前發(fā)展。而汽車風洞的主要任務是正確模擬氣流流經(jīng)汽車車體表面的流態(tài)以獲得準確的實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)的精確與否決定了汽車氣動外形設計的成敗。因此，汽車風洞實驗能促進汽車空氣動力學研究，進行汽車空氣動力學研究將能夠給我國帶來巨大的燃油節(jié)省，具有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益。
關(guān)鍵詞：1：5；小型車；風洞；低湍流；實驗
ABSTRACT
This design is in the demand of the market , Through the domestic and international existing automobile wind tunnel research and analysis , Design with a low turbulence, variable turbulence intensity, low noise characteristic of small cars 1:5 wind tunnel laboratory . The design process in wind tunnel , Its main parts made detailed calculation. Wind tunnel after the completion of the , Combining the indoor advanced measuring method , Besides can satisfy model of speed, measure pressure, flow pattern observation on teaching outside , Still can use on the wind tunnel in Bridges, environmental pollution and other industrial air dynamics research work。
For vehicle research，Car wind tunnel is an indispensable test equipment。Car of automotive aerodynamics wind tunnel construction development is of great significance，No cars wind tunnel，Also can't very well put the national automobile industry of forward development。And car wind tunnel is the main task of the air flowing through the body right simulation of the surface flow pattern to get accurate experimental data，Experimental data accurate or not decided the aerodynamic shape design of success or failure。So，Car in wind tunnel experiments can promote the air dynamics research，F(xiàn)or automotive aerodynamics research will be able to give our country to bring the huge fuel savings，Has the very big economic benefit and social benefit。
Key words：1：5；Small car；Wind tunnel；Low turbulent；Experiment
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 概述 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 本課題設計研究內(nèi)容、研究技術(shù)路線 2
第2章 汽車風洞設計研究基礎 4
2.1 汽車風洞實驗的目的 4
2.2 汽車風洞功能類型及設備 4
2.3 汽車風洞實驗模型 7
2.4 汽車風洞實驗的準則與規(guī)范 8
2.5 本課題采用的模型尺寸 10
2.6 本章小結(jié) 11
第3章 1：5小型汽車風洞設計 12
3.1 風洞的類型結(jié)構(gòu)確定 12
3.2 風洞試驗段幾何參數(shù)的確定 13
3.3 擴壓段 15
3.4 拐角及其拐角導流片 17
3.5 迴流段 18
3.6 穩(wěn)定段及整流裝置 19
3.7 收縮段 20
3.8 風洞能量比、電機功率及風扇的確定 20
3.9 風洞結(jié)構(gòu)設計校核 25
3.10 本章小結(jié) 26
第4章 計算機仿真風洞模型建立 27
4.1 概述 27
4.2 各部件建模 27
4.3 模型總裝圖 38
4.4 本章小結(jié) 39
第5章 結(jié) 論 40
參考文獻 41
致 謝 43
第1章 概 述
1.1 研究目的及意義
汽車作為人類交通工具，它的出現(xiàn)和發(fā)展給人類社會帶來了無可估量的經(jīng)濟效益和社會效益。伴隨著汽車日益走向成熟，汽車產(chǎn)品的開發(fā)、設計生產(chǎn)等相關(guān)領域的發(fā)展也日臻完善，并不斷推陳出新，而這一切都與汽車的實驗研究密不可分。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，中國汽車工業(yè)走自主研發(fā)設計之路，迫切需要建立起自己的汽車風洞實驗室，掌握和發(fā)展自己的汽車風洞實驗技術(shù)。這樣既可以節(jié)約開發(fā)成本，又可以快速完成風洞技術(shù)的發(fā)展和積累。同時也可以促進我國汽車空氣動力學的研究。為人類、為社會、為中國汽車工業(yè)自主研發(fā)設計作貢獻
在當前形勢下，國家提出了“節(jié)能減排”的政策，號召大力開展推動提高能源利用效率的科技創(chuàng)新。對于交通工具來說，改善汽車等交通工具的空氣動力學特性，將是降低汽車燃油消耗，節(jié)省能源的重要方式。進行汽車研究，汽車風洞是必不可少的試驗設備。汽車風洞建設對汽車空氣動力學發(fā)展意義重大，沒有汽車風洞，既不可能很好地設計出最優(yōu)的汽車，也不能很好推動整個國家的汽車工業(yè)向前發(fā)展
因此，此次研究就是為了設計模擬汽車風洞實驗室設計，以最少的費用，最優(yōu)化的方法對汽車風洞實驗室設計。這主要從兩方面考慮：一是經(jīng)濟角度出發(fā)；二是社會角度出發(fā)。首先從經(jīng)濟角度出發(fā)：達到節(jié)約成本，用最簡單的方法去做最復雜的實驗。降低了昂貴的費用。為企業(yè)創(chuàng)造了更好地經(jīng)濟效益。同時也促進了老百姓的買車能力。為整個社會經(jīng)濟騰飛作貢獻。其次從社會角度出發(fā)：為了滿足行業(yè)的需要、為了汽車工業(yè)的發(fā)展、為了科學研究技術(shù)作貢獻。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1、 國外研究
國外，汽車風洞建設較早。1939年，德國的斯圖加特大學建立了第一座全尺寸汽車空氣動力學試驗的風洞。它的最高速度高達270km/h，可以進行高速賽車空氣動力學的研究。隨后，不少汽車企業(yè)和研究機構(gòu)陸續(xù)開始建設汽車風洞。近年來，不斷有新的專業(yè)汽車風洞落成，如 Audi 汽車公司風洞。
汽車風洞建設初期，大量借鑒了航空空氣動力學的研究經(jīng)驗和理論。航空空氣動力學試驗規(guī)定風洞試驗的阻塞比（Blockage ratio）：￠ =A/AN。其中，A 是試驗模型的正投影面積，AN是風洞的噴口截面面積。雖然航空風洞規(guī)定風洞試驗時, ￠要小于 0.05，但是現(xiàn)在的汽車風洞阻塞比已經(jīng)越來越大，甚至有阻塞比達到 0.2 左右的汽車風洞。
為了使汽車風洞試驗結(jié)果更加精確，國外陸續(xù)有專業(yè)的汽車風洞裝備地面效應模擬設備?，F(xiàn)在幾乎所有的汽車風洞都引入地面效應模擬設備，特別是移動帶地面效應模擬系統(tǒng)。
汽車風洞的建設，帶來了汽車風洞試驗技術(shù)的變革和創(chuàng)新。為了適應汽車氣動噪聲的研究，大量的汽車風洞經(jīng)過改進以便能進行氣動噪聲試驗，部分新建的汽車風洞直接就定位建設低噪聲的汽車風洞。
近年來，隨著汽車風洞試驗技術(shù)的提高，汽車風洞的試驗設備也不斷提高。這標志世界汽車研究又進入一個嶄新的階段。
2、國內(nèi)研究
目前，我國汽車風洞建設較晚。2002年，吉林大學汽車風洞開工建設。2005年，同濟大學上海地面交通工具風洞中心開工建設?，F(xiàn)在，兩座風洞的建設完成，標志著中國汽車研究進入一個新的階段。
在國內(nèi)，雖然建設了國內(nèi)專業(yè)的汽車風洞，但是在汽車風洞實驗技術(shù)上還存在很多不足，國內(nèi)還不能提供準確可靠的實驗方法，制約了汽車技術(shù)的提升，不利于我國汽車工業(yè)的發(fā)展。為了我國汽車工業(yè)更好地發(fā)展，就必須對國內(nèi)的汽車風洞實驗設備進行充分掌握，改進試驗設備，完善試驗技術(shù)，提高試驗精度。
1.3 本課題設計研究內(nèi)容、研究技術(shù)路線
1、本課題設計研究內(nèi)容：
1）進行1:5小型車模擬風洞實驗室平面布局設計；
2）進行風機選擇和校核，前后穩(wěn)速倉柵設計，測試倉設計，測試臺設計，環(huán)狀風道設計，P型引風口設計，臺架支撐結(jié)構(gòu)設計；
3）根據(jù)設計系統(tǒng)進行校核；
4）繪制設計系統(tǒng)總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。
2、研究技術(shù)路數(shù)：
調(diào)查研究、收集資料
總體布局設計
各環(huán)節(jié)布局、設計
N 各環(huán)節(jié)技術(shù)的校核
Y
總體修訂
總體校核 N
Y
研究成果
圖1.1 技術(shù)路線圖
第2章 汽車風洞設計研究基礎
2.1 汽車風洞實驗的目的
汽車風洞實驗的目的在于得到準確的反映汽車行駛狀態(tài)下的空氣動力特性數(shù)據(jù)。汽車風洞實驗研究下述幾方面問題：
（1）研究汽車空氣動力特性，包括汽車的氣動阻力特性和操縱穩(wěn)定性等，即通過風洞實驗研究汽車的流場作用在汽車上的力和力矩。
（2）通過汽車表面的壓力分布與流場性能的分析，研究汽車各部件的流場。如雨水的流動路徑、污垢附著的作用原理、風噪聲、擋風玻璃上的作用力等。
（3）發(fā)動機冷卻氣流的進氣和排氣特性。
（4）駕駛室內(nèi)的通風、取暖及噪聲等特性。
2.2 汽車風洞實驗的類型及設備
2.2.1汽車實驗風洞
汽車風洞是進行汽車空氣動力學實驗的主要設備，它實際是一個按照一定要求建造的管道，并利用動力裝置等設備在管道中產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的氣流，使風洞試驗段能模擬或基本模擬大氣流場的狀態(tài)，以供汽車進行空氣動力學實驗的研究。
目前世界上的汽車實驗風洞很多，按照試驗段氣流循環(huán)形式來分，可以分為回流風洞和直流風洞兩種。圖2.1為回流型風洞，回流型風洞的特點是通過試驗段的氣流能經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)在返回到試驗段，能回收氣流的能量，電機的功率小，并且能保持恒定的空氣溫度和濕度，缺點是構(gòu)造復雜，設備大，成本高。
(A)
（B）
（C）
(D)
圖2.1 回流型風洞
圖2.2為直流型風洞。其特點是把通過試驗段的氣流排除在風洞外部。該風洞設備簡單，成本低，缺點電機功率大，空氣溫度難以恒定，流場品質(zhì)易受外界的干擾。直流型風洞又分為吸入式和吹出式，前者的風機在試驗段下游的風洞中，后者的風機設置在試驗段上游的風洞中。
（A）
（B）
圖2.2 直流型風洞
按照試驗段的類型分為開式風洞、閉式風洞及半開式風洞三種。圖2.3所示。
（A）
（B）
（C）
圖2.3 風洞試驗段形式
A）開式 B)閉式 C)半開式
按照試驗段尺寸分類，可分為試驗段尺寸幾十毫米的微型低速風洞，試驗段尺寸為1～1.5m的小型低速風洞，試驗段尺寸為2～4m的中型低速風洞，試驗段尺寸8m以上的大型低速風洞。
2.2.2汽車風洞測量設備
（1）氣動力天平
氣動力天平是汽車風洞實驗時用來測量模型或汽車的空氣動力和力矩的測試儀器。
（2）氣動力天平的選擇原則
1）根據(jù)需要測量的模型或?qū)嵻嚉鈩恿土財?shù)目選擇相應的氣動力天平。
2）根據(jù)需要測量的模型或?qū)嵻嚉鈩恿土氐拇笮∵x擇相應測量的范圍和量程的氣動力天平。
3）要有良好的線性關(guān)系，即氣動力或力矩的讀數(shù)隨外載荷的變化關(guān)系接近或呈線性關(guān)系。
4）選擇受外界干擾小的氣動力天平。
5）選用靈敏度高、強度和剛度的天平。
6）選擇精度、準確度較高的氣動力天平。
（3）氣流參數(shù)測量儀器
1）壓強測量儀器
壓強測量儀器主要是壓強計、測壓傳感器及壓強傳導裝置。常用的壓強計是液壓柱式壓強計，有U型管壓強計、單管壓強計、斜管微壓計及多管壓強計等。這些壓強計大多數(shù)是以已知的參考壓強作為比較對象進行測量的，參考壓強多為大氣壓強。
目前較多的測壓傳感器有應變式、壓阻式、電容式、電感式及壓電式等。壓強傳遞裝置主要由壓強傳遞導管和壓強掃描閥組成。
2）壓強測量
① 車身表面靜壓測量 通常在模型表面上沿其法向開小孔，以測量局部靜壓強。測壓小孔直徑d應在0.5～2mm范圍內(nèi)，h/d＞2，測壓孔軸線應盡量垂直壁面，孔內(nèi)壁光滑，孔口無毛刺，表面五凹坑或凸起。
② 氣流靜壓測量 在氣流場中某一點處放置一靜壓管，就可以測出該點的靜壓強。實驗前，必須對靜壓管都進行校準。
③ 氣流總壓測量 在流場中某一點處放置總壓強管，就可以測出氣流在該點處的總壓強。
（4）溫度測量儀器
由于雷諾數(shù)隨溫度變化的幅度很大，所以每次實驗都要測量并記錄風洞的溫度。測量溫度時通常使用大氣溫度計，把它放置在沒有氣流擾動的位置，就能準確地測量。
（5）氣流速度測量
測量氣流速度用風速管。它是由總壓強管和靜壓強管組合在一起而構(gòu)成的總靜壓強管。
（6）氣流方向測量
采用五孔探頭和恒溫式熱線風速儀測量試驗段的氣流方向。
（7）數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)
進行風洞試驗時，使用低電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它由信號調(diào)節(jié)器、多路開關(guān)、低電平放大器、采樣—保持器、數(shù)-模（A/D）轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)記錄裝置及微型計算機等組成。
2.3 汽車風洞實驗模型
2.3.1 模型尺寸
風洞試驗模型根據(jù)選用的風洞試驗段尺寸采用3：8、1：5、1：4、1：10、1：1等比例尺寸。
2.3.2 模型的外形和結(jié)構(gòu)
(1) 外形模型
為了保證模型試驗的流場與汽車行駛的流場相近，必須保證模型與實車幾何相似。根據(jù)模型尺寸與實車尺寸之間的比例關(guān)系，能夠把模型外部尺寸確定下來。對于進氣口，駕駛室內(nèi)流及附面層等還不能用簡單的幾何相似來模擬，而應采用特殊的模擬方法進行模擬。
1）進氣口與駕駛室內(nèi)流的模擬
汽車行駛時，氣流的一部分從前窗底部進入駕駛室，從出口排除，其余氣流都均勻地從外表面繞過，通常不發(fā)生氣流分離。進行風洞實驗時，一般不模擬內(nèi)流，把進、出氣口都堵死，僅模擬外部流。如果簡單地把進、出氣口堵死，實驗時氣流將在進、出氣口處產(chǎn)生分離。為此，在進氣口前邊加裝一個流線型旋轉(zhuǎn)體，既消除了氣流分離，又使兩個繞流流譜相似。
（2）模型結(jié)構(gòu)
模型的結(jié)構(gòu)與汽車結(jié)構(gòu)差異較大，一方面模型結(jié)構(gòu)要盡量簡單，另一方面模型除了用于測定整車的空氣動力特性外，還用于測定各總成、部件對空氣動力特性的影響，因此，模型最好采用可拆卸式的組合結(jié)構(gòu)。模型的結(jié)構(gòu)特點是：其拐角部位、前部和后部以及處于分離區(qū)附近的車燈、后視鏡、空氣進口、空氣出口、空調(diào)裝置、發(fā)動機罩和車門縫部位等細部的造型都應特別注意，模型應模擬車底細部，車底部后橋、傳動系、排氣管等的凸凹應能再現(xiàn)，車輪模擬可轉(zhuǎn)動的狀態(tài)。
此外，要求組合模型的各部分能方便而準確的安裝。為此，要求模型安裝系統(tǒng)必須具有足夠的剛度，確保偏轉(zhuǎn)力不能引起測量誤差；必須在地板上按精確比例裝配模型，使模型呈現(xiàn)原型的姿勢；安裝時，模型與地板以及支架與地板都不能發(fā)生干涉；模型連接在氣動力天平上時，不得產(chǎn)生太大的氣流干擾。
2.3.3 模型的材料與加工
風洞實驗模型大多采用核桃木、楠木及紅松等優(yōu)質(zhì)木材制造，對于小而薄的結(jié)構(gòu)，也可以采用鋁等金屬制造。在風洞實驗時，由于模型上承受的載荷較小，優(yōu)質(zhì)木材能滿足強度要求，并且木材易于加工，便于局部修改，所以優(yōu)質(zhì)木材是較理想的制造模型材料。但是木材也存在缺點，易變形，因此加工前應對木材進行干燥處理，并且最好把木條加工成方條，用粘接劑把方條粘接在一起，作為毛胚。
2.4 汽車風洞實驗的準則與規(guī)范
2.4.1 汽車風洞實驗概述
汽車風洞實驗是將汽車或者汽車模型安置在汽車風洞中，開啟風洞產(chǎn)生固定速度的風，采集固定風速下汽車受到的氣動六分力數(shù)據(jù)，進過數(shù)據(jù)處理得到六分力系數(shù)；也可以采集汽車車身表面氣動力等數(shù)據(jù)，獲得車身表面壓力分布；或者借助某些流動顯示和測量手段，對汽車周圍流動進行顯示和測量。
汽車風洞實驗，有定量實驗和定性實驗。定量實驗和定性實驗相結(jié)合，是汽車空氣動力學研究的有效方法。定量實驗是指天平測力實驗和壓力分布實驗等，可以直接測定作用在車身上的氣動力、力矩和壓力值。定性實驗是指流態(tài)顯示實驗，如煙流法、絲帶法、油膜法、激光流態(tài)顯示法等。通過流態(tài)顯示實驗能直接觀察流場，對流場進行定性分析，再結(jié)合六分力測量和壓力分布測量等定量實驗結(jié)果，就能夠了解流場的流動機理，如渦流、分離現(xiàn)象等。判斷流場的氣動特性。
2.4.2 汽車風洞實驗準則
（1） 實驗風洞應產(chǎn)生足夠的均勻流場，其中包括均勻的風速分布和流向分布、低紊流度以及模擬路面的薄的邊界層厚度。
（2） 實驗模型與實際汽車幾何形狀相似，模型既要保證幾何尺寸的精度，又要具有一定的剛度。模型按幾何比例縮小，并具有足夠精確的細部模擬，以保證各個重要的局部流場的真實模擬。
（3） 雷諾數(shù)模擬。雷諾數(shù)主要影響模型表面的附面層狀態(tài)，即影響附面層的層流、紊流、轉(zhuǎn)捩點的位置以及分離點的位置，從而影響模型的最小氣動阻力系數(shù)Cdmin及最大升力系數(shù)Clmax，因此要求實驗時的雷諾數(shù)盡量接近實車行駛時的雷諾數(shù)。
雷諾數(shù)是表征流體粘性對其氣動影響特征的無量綱參數(shù)，它代表流體所受慣性力與粘性力之比，其數(shù)學表達式為：
(2.1)
式中 ＿＿流體密度；
＿＿流體粘性；
＿＿物體特征長度；
＿＿速度；
由于風洞中的工作介質(zhì)是空氣，其溫度與大氣相差不大，因此空氣密度p、粘性u與大氣也相差不多。由式(2.1)可知，要使實驗時的雷諾數(shù)與實車行駛時相等，應使v、L相等，即模型的尺寸比實車縮小多少倍，應使實驗風速增大增大多少倍。但是，由于風速的提高受到壓縮性的限制，這就限制了雷諾數(shù)的提高。又由于風速的提高，氣流的能量損失迅速增大，消耗的功率也急驟增大，因此一般的實驗風洞很難做到實驗時的雷諾數(shù)與實車行駛時的雷諾數(shù)相等。
為了滿足雷諾數(shù)相似要求，通常要求基于汽車模型長度的雷諾數(shù)不小于，該值被稱為臨界雷諾數(shù)。除雷諾數(shù)效應外，在高速氣流試驗的情況下，還存在壓縮性的問題，但對汽車風洞實驗可認為不存在壓縮性的影響，因此可在此條件下進行汽車空氣動力學實驗。
（4） 盡量排除風洞實驗中的支架及洞壁的干擾。為了限制洞壁干擾的影響，一般汽車模型在橫擺角為零時的正面投影面積不超過試驗段橫截面積的5﹪，高度不超過試驗段高度的30﹪，在有橫擺角的情況下，模型的寬度應小于風洞寬度的30﹪。如果超過其上述數(shù)值，則要對其洞壁干擾修正，以達到消除洞壁干擾的目的。
（5） 風洞流場的動態(tài)校準。模型放置在風洞之前，應對空風洞進行流場的動態(tài)校準。要測量試驗段橫截面的紊流度、地板上的靜態(tài)壓強、軸向靜壓梯度、橫向氣流偏角、縱向氣流偏角、氣流均勻性等流場特性以及放置模型前緣位置的地板邊界層厚度。
2.5 本課題采用的模型尺寸
根據(jù)實驗需求，模型尺寸1：5比例尺寸，實驗車型選擇長安轎車——“志翔”作為試驗車，該車的基本參數(shù)如下表2.1、圖3.2所示；
基本參數(shù)
長/寬/高（mm)
4600/1800/1475
軸距（mm）
2650
輪距（前后）（mm)
1500/1487
最小離地間隙（mm)
138
油箱容積（L)
58
表2.1
圖3.2
對于本文的研究，空氣密度,大氣壓力為標準大氣壓，試驗風速v=60m∕s,模型特征長度L=920mm,空氣粘度,則對應的雷諾數(shù)為：
（2.2）
2.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了風洞實驗的類型及其設備，風洞實驗的準則與規(guī)范，汽車風洞試驗模型。為以后的研究奠定了良好的基礎。
第3章 1：5小型汽車風洞設計
3.1 風洞的類型結(jié)構(gòu)確定
1、類型結(jié)構(gòu)確定
本文主要對汽車風洞實驗室結(jié)構(gòu)進行設計，經(jīng)過前面的介紹及其對比，本課題采用1：5模型結(jié)構(gòu)，風洞的結(jié)構(gòu)形式采用單回流閉式風洞實驗室。采用該結(jié)構(gòu)的風洞其特點比較優(yōu)越。布局如圖（3.1）所示：
圖3.1 風洞的各部件
下面對風洞的各個部件進行介紹：
（1） 試驗段。風洞中進行模型試驗的部件，是整個風洞的中心；
（2） 擴壓段，又稱擴散段。是把氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以減小風洞的損失；
（3） 拐角。共四個拐角，擴壓段后為第一個拐角，依次是二、三、四拐角；
（4） 拐角導流片。為了保證氣流經(jīng)過拐角時改變流動方向而不出現(xiàn)分離，四個拐角都必須安置拐角導流片；
（5） 風扇；
（6） 電機。電機一般裝在整流罩內(nèi)，但是也可以裝在風洞外，用長軸傳入而帶動風扇旋轉(zhuǎn)；
（7） 整流罩。使風扇前后保持流線型，改善氣流的性能，尤其是防止分離；
（8） 迴路段。把空氣導回到試驗段上游的管道；
（9） 穩(wěn)定段。使氣流保持均勻的穩(wěn)定的管道。內(nèi)裝蜂窩器整流設備；
（10） 蜂窩器。主要對氣流起導直的作用；
（11） 收縮段。使氣流均勻加速的收縮管道；
2、對汽車風洞性能的基本要求：
（1） 氣流的主流品質(zhì) 要求縱、側(cè)向速度的均勻性、紊流度和尺寸要模擬真實道路狀況。
（2） 限制試驗段洞壁對流場的干擾 為了限制洞壁的干擾影響，美國汽車工程師協(xié)會制訂了“汽車風洞試驗準則規(guī)范”。
（3） 實驗雷諾數(shù)與實際雷諾數(shù)相似。
（4） 試驗模型與實車的幾何形狀相似。
3.2 風洞試驗段幾何參數(shù)的確定
1、試驗段設計的基本要求
（1） 試驗段的氣流品質(zhì)要達到要求。最基本的是氣流必須是均勻的穩(wěn)定的。
（2） 試驗段的口徑與截面形狀。試驗段的口徑對圓截面是指它的直徑，對非圓截面是指其截面特征長度。但是在滿足試驗要求的前提下，口徑應盡量小。
（3） 試驗段風速。對風速的要求主要來自雷諾數(shù)。風速大一些，風扇的效率比較高，風洞的能量比也高。但是驅(qū)動功率是與風速的三次方成比例。
（4） 裝卸模型方便。
（5） 安裝有關(guān)設備方便。
（6） 試驗段必須安裝門窗，一方面是為了實驗人員和模型的出入；另一方面是為了觀測和攝像等。在可能的情況下，門窗盡量大些。
2、試驗段截面氣動外形的選擇
對于汽車實驗風洞，選擇試驗段截面氣動外形的原則是：在滿足試驗要求的前提下，采用最小的截面面積，以減小風機驅(qū)動功率；在給定截面積的情況下，其截面特性應盡可能有利于復現(xiàn)汽車模型的繞流特性，以使風洞的洞壁干擾降至最低。以下是可供選擇的風洞試驗段截面形狀，如圖3.3所示。截面A是航空風洞常用的截面外形，為對稱的切角矩形；截面B為半圓形；截面C為非對稱切角矩形。后者是參照汽車截面的輪廓線按照比例放大的，其截面面積與截面B的截面面積相等。這三種截面形狀中，B、C兩種截面形狀較適宜汽車風洞實驗。
圖3.3 試驗段的截面形狀
3、試驗段幾何參數(shù)的確定
（1） 截面的高寬比
考慮到實壁邊界對汽車模型試驗的影響，以Br/Hr=1/3作為實壁試驗段中參數(shù)選擇的依據(jù)（Br=BL/B0,BL為垂直風洞中心線測得的模型水平方向的最大寬度，B0為試驗段兩側(cè)壁間距；Hr=HL/H0，HL為模型最高點距地板的距離，H0為地板與風洞頂壁間的距離，如圖3.4所示）
圖3.4 試驗段的截面尺寸
（2） 試驗段長度
進行汽車風洞實驗時，要將試驗模型置于實驗地板上，該地板的長度除了能容納模型及其前方的流動均勻流場外，還應留出邊界層控制裝置所需要的長度。此外，在模型的下游，還要留有足夠的長度，使氣流在進入擴散段前，其尾流獲得充分的發(fā)展。這樣對提高風洞運轉(zhuǎn)效率有利。一般地板的長度為模型長度的5～7倍，寬度至少為模型寬度的2倍。
（3） 非對稱切角尺寸
汽車實驗風洞多采用沿軸向呈線性變化的切角填塊來消除洞壁邊界層位移厚度對流場軸向壓力梯度的影響。入口截面切角高度和出口截面下截角高度是固定的，出口截面上切角高度是可以調(diào)節(jié)的，以便在流場校測中，根據(jù)不同的實驗條件與要求來調(diào)節(jié)高度，直到獲得滿意的靜壓分布為止。
（4） 實驗地板在試驗段中的垂直位置
選擇實驗地板在試驗段中的垂直位置的原則是：有用實驗截面面積應盡可能大，以減弱頂壁的干擾；地板下部流動阻力應減至最小，以防止地板前緣流線彎曲；保證不同縮尺比例的模型均可置于試驗段中心區(qū)進行試驗。
所以根據(jù)第（3.2）、（3.3）章節(jié)，就可以確定試驗段的幾何參數(shù)。已知試驗車長L=4600mm,寬B=1800mm，高H=1475mm，比例尺寸1：5，所以則有模型尺寸長L1=920mm，寬B1=360mm，高H1=295mm。
根據(jù)Br/Hr=1/3，Br=BL/B0，Hr=HL/H0得：
(3.1)
所以有：
（3.2）
一般地：地板長度應為模型長度的5～7倍；寬度至少為模型寬度的2倍。所以取地板長度為模型長度的5倍，寬度為模型寬度的5倍。所以有：
；
； （3.3）
；
3.3 擴壓段
擴壓段也稱擴壓器或擴散段。擴壓段的作用是把氣流的動能變成壓力能。在沒有分離的情況下，氣流在擴壓段的損失主要有兩種，一是摩擦損失。另一種是擴壓損失，但本質(zhì)是摩擦損失。
設擴壓段的入口截面積的參數(shù)為P1,V1,D1,出口截面的參數(shù)為P2,V2,D2。擴壓段的幾何特性如圖3.5所示：
圖3.5 擴壓段入口截面參數(shù)
流經(jīng)擴壓段的總損失為：
(3.4)
摩擦損失為：
(3.5)
擴壓損失為：
(3.6)
所以總的損失為：
(3.7)
壓力損失系數(shù)為：
(3.8)
從以上公式可知，當擴散比一定時，隨擴散角a的增大，擴壓損失增加而摩擦損失減少。總損失先減小后增大（如圖3.6）所示：有一個最小值。即最佳擴散角：
（3.9）
圖3.6 擴壓段損失系數(shù) （）
影響擴壓效率的主要因素是擴散角。管道的截面形狀、擴散比以及壁面粗糙度等也有影響。如果擴散角過大，雖然可以縮短擴壓段長度，但在洞壁上容易發(fā)生氣流分離，造成很大的氣流損失，不僅使擴壓效率降低，而且會影響氣流品質(zhì)。但是擴散角又不能過小，小了會使整個風洞的造價提高。所以要選擇適當?shù)臄U散角。
3.4 拐角及其拐角導流片
在回流風洞中，氣流沿洞體循環(huán)一次轉(zhuǎn)360，在單回流風洞中，氣流需要通過四個90拐角。在有些高壓的環(huán)形回路風洞中，氣流通過二個180的拐角。
拐角是風洞的一個重要部件。氣流在四個拐角的全部損失可以占風洞總損失的40～60﹪。氣流經(jīng)過拐角是容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多漩渦，因而使流動不均勻或發(fā)生脈動。因此必須裝拐角導流片，目的是防止分離和改善流動。
沿風洞轉(zhuǎn)角對稱線上布置一排垂直的導流片，稱為拐角導流片，是減少損失的一個很有效的措施。加導流片后，相當于保持當?shù)氐霓D(zhuǎn)彎半徑R，以及風洞高度W不變，從而大大的減少流動的寬度D。從物理意義上看，加導流片后，氣流轉(zhuǎn)彎的離心力作用于導流片上，避免了氣流的壓力增加，同時也是流動更加順暢。
單回流風洞的每個90拐角都必須設置拐角導流片，每排導流片的數(shù)量為10～20個，有時多至40個左右，導流片之間的相互位置應保持以下的關(guān)系：設導流片的弦長為C，間距為D1。D1/C值常在0.3～0.6之間。W/D1值大于6。
下圖為導流片改善流動狀態(tài)的情況如圖3.7所示：
（a）沒有導流片 （b）有導流片
圖3.7 拐角流動的速度分布
下圖為導流片的剖面形狀及其導流片的性能如圖3.8、表3.1 所示：
（a）圓弧型 （b）圓弧帶直線型 （c）翼剖面型
圖 3.8 導流片的剖面形狀
表 3.1 各種導流片的性能
剖面形狀
最佳間距比
（）
損失系數(shù)K
Re（C為特征長度）
圓弧型
0.3左右
0.20
40000左右
圓弧帶直線型
0.5左右
0.138
40000左右
翼剖面型
0.4左右
0.11
40000左右
此外，在選擇導流片時，要根據(jù)實際情況選擇相應的導流片。
3.5 迴流段
在風洞管道中，風扇系統(tǒng)后至第三拐角和第一二拐角之間的迴流段，經(jīng)常仍采用擴張管道，因此也是一個擴壓段。之所以要繼續(xù)擴張：一是為了繼續(xù)把動能轉(zhuǎn)變成壓力能，減少氣流損失，尤其是經(jīng)過拐角和整流裝置的損失；而是增加管道面積，以得到比較大的收縮比。迴流段的平均速度比較低了，因而損失不會大，若為了縮短風洞的總長度，可以采用比較大的擴散角，如a=8～9。但是也可以采用6的擴散角，以減少氣流分離的可能性。
3.6 穩(wěn)定段及整流裝置
穩(wěn)定段又稱安定段。整流裝置為蜂窩器，目的是使氣流均勻或降低紊流度，所以為整流裝置。收縮段的設計，以均勻來流為前提。如果來流不均勻，則收縮段出口的氣流也是不均勻的，紊流度也比較高，甚至可能存在大的漩渦。因此，氣流進入收縮段之前，必須經(jīng)過一個穩(wěn)定段，以及蜂窩器等，使氣流變得均勻，從而保證試驗段流場的品質(zhì)
（1） 穩(wěn)定段
穩(wěn)定段通常是一個等截面管道。穩(wěn)定段對氣流的影響是由于它的長度。相當長度的等截面管道對氣流有穩(wěn)定作用。如果穩(wěn)定段中不設置任何整流裝置，它就必須足夠長，使得氣流在流動的過程中有足夠的時間調(diào)整運動方向、速度分布并衰減紊流度。實際上一般穩(wěn)定段都設有整流裝置。
穩(wěn)定段的長度首先要保證安裝蜂窩器，其次還必須要有一段長度，使氣流經(jīng)過后逐漸穩(wěn)定。因此為滿足要求，穩(wěn)定段的長度一般按一下數(shù)據(jù)確定：收縮比小于5，穩(wěn)定段的長度為直徑的1.0～1.5倍；如果大于5，則長度為直徑的0.5～1.0倍。收縮比定義為收縮段入口面積與出口面積之比，即穩(wěn)定段與試驗段面積之比。這樣有利于改善氣流性能有好處。
（2） 蜂窩器
蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道并列組成，蜂窩器的作用是是在于導直氣流，使其平行于風洞軸線。同時，蜂窩器對氣流的摩擦還有利于改善氣流的速度分布。
蜂窩尺寸一口徑M和長度l表示，如圖3.9所示，圖3.10是幾種比較常見的蜂窩格子以及長徑比l/M=6時，各種蜂窩格子的損失系數(shù)K。
圖3.9蜂窩器尺寸 圖3.10常見的蜂窩器格子及其損失系數(shù)
影響蜂窩器性能的主要參數(shù)是蜂窩器長度l和口徑M。長度l越大，整流效果越好，但損失增加。M值越大，蜂窩器對降低紊流度的效果越顯著。一般的參數(shù)范圍為
l/M=5～10；M=5～30CM。具體尺寸應該根據(jù)穩(wěn)定段大小及氣流的性能要求而確定。
3.7 收縮段
收縮段是風洞中至關(guān)重要的部分。收縮段的作用是加速氣流，使其達到實驗所需要的速度。收縮段應滿足以下要求。
（1） 氣流沿收縮段流動時，洞壁上不出現(xiàn)分離。一般說來，氣流在加速過程中是不易分離的。只要壁面收縮不太劇烈，分離是可以避免的。
（2） 收縮段出口的氣流要求均勻、平直而且穩(wěn)定。
（3） 收縮段不宜過長。收縮段過長，會使風洞建設投資增加，而且能量損失也增大。收縮段的性能主要取決于收縮比。即收縮段進口面積與出口面積之比。
此外，收縮段長度一般可采用進口直徑的0.5～1.0倍。收縮比越大，長度與進口直徑的比值越小。
3.8 風洞能量比、電機功率及風扇的確定
氣流在風洞管道內(nèi)流動時必然會有能量損失。這種損失來自幾個方面。一是氣流與固體邊界包括洞壁、拐角導流片、蜂窩器以及各段等的摩擦；一是物體表面的氣流分離，引起漩渦，紊流等。在相同的試驗段流動條件下，氣流經(jīng)過風洞的回路的損失越小，則需要風扇補充的能量就越低。風扇和電機的效率就越高，消耗的電能就越低。因而存在一個風洞效率問題，而度量風洞效率的參數(shù)就是能量比。
能量比定義為試驗段氣流的動能流率（即單位時間通過的動能）與通過動力系統(tǒng)輸入風洞的功率之比。由于計量輸入功率的范圍不同，可以有三種不同的能量比。
(1) 以電網(wǎng)輸給風洞電機的功率作為輸入功率，包括電機在內(nèi)的能量比：
(3.10)
式中，p,v0和F分別為氣流的密度，速度和試驗段截面積。E和I為輸入電機的電壓和電流。
（2） 以電機輸給風扇的功率作為輸入功率，包括風扇在內(nèi)的能量比：
（3.11）
式中，N為電機的輸出功率，即輸給風扇的功率。,為電機功率。
（3） 以風扇輸給氣流的功率為輸入功率的風洞能量比：
（3.12）
式中為風扇系統(tǒng)的效率。由以上定義可得下式：
（3.13）
由于電機和風扇效率都小于1，所以必有
（3.14）
風扇系統(tǒng)前后的壓力增量為P,風扇系統(tǒng)輸給氣流的功率等于壓力增量乘以流量。在風洞穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，這個壓力增量就是整個風洞的回路中的氣流的全部壓力損失，它等于氣流經(jīng)過各個部件的損失總和。所以
(3.15)
式中K0為氣流經(jīng)過各個部件的當量損失系數(shù)。當量損失系數(shù)定義為壓力損失除以試驗段動壓。將（3.15）代入（3.12）式，考慮到
則有
（3.16）
可見，風洞的能量比是風洞損失系數(shù)的倒數(shù)。各個部件的損失越小，則最終的能量比就越大。
風洞由于設計的不同，以及風扇、電機的效率差別很大，能量比的變化范圍比較大。其值如下：
開路風洞 0.5～0.6
單回流開口風洞 1.5～4.5
單回流閉口風洞 3～7
在設計風洞過程中，必須對風洞的能量比進行估算。一方面是檢驗設計的質(zhì)量，更重要的是確定風洞的功率，由此選擇電機。估算能量比的方法有三種：
（1） 將設計的風洞與現(xiàn)成的類似風洞比較，粗略估計。
（2） 測定模型風洞的損失系數(shù)，進而求出能量比。
（3） 運用理論和經(jīng)驗公式，逐段計算風洞的各部件的損失，從而得到風洞的總損失，由此確定風洞的能量比。
由式（3.16）推出風洞所需要的功率：
(3.17)
現(xiàn)只要求出風洞每一段的當量損失系數(shù)，就可以求出風洞的能量比。下面分別計算每段的當量損失系數(shù)：
（1） 試驗段損失
試驗段損失系數(shù)就是當量損失系數(shù)，對于試驗段為非圓截面，則以水力直徑代入。管道的水力直徑為
(3.18)
式中，S為截面積，C為截面積周長。
試驗段的損失系數(shù)為當量損失系數(shù)：
（3.19）
已知 l=920mm
Re由（2.2）得
所以試驗段損失系數(shù)由式3.18、3.19得
=0.0555
（2） 擴壓段損失
氣流經(jīng)過擴壓段的損失，由式（3.8）、（3.9）可得，
所以 = =0.0441
所以
因為
所以
=0.0496
（3） 迴流段
迴流段也有擴散角，實際上也是一個擴壓段，仍按照式（3.8）計算損失系數(shù)，其當量損失值為
式中F1為迴流段入口截面積。
所以迴流段的損失系數(shù)為：
(4) 拐角(1、2)
氣流經(jīng)過的拐角由兩部分組成。一部分是氣流經(jīng)過拐角導流片的摩擦損失，另一部分是氣流拐彎時出現(xiàn)的分離而導致的損失。拐角損失由經(jīng)驗公式計算得：
=
=0.0477
（5） 同理，拐角（3、4）的損失系數(shù)為：
（6） 蜂窩器
采用長徑比等于6的方形蜂窩器
其當量損失系數(shù)為
K由圖（3.10）得K=0.22，所以當量損失系數(shù)為：
=0.01375
所以總損失系數(shù)為
=0.25045
所以風洞能量比為
所以符合單回流閉口風洞能量比 = 3～7的要求。計算正確。
根據(jù)式（3.17）得風洞所需要的功率為
取=0.6 =0.7，則有
=
所以風扇的功率為
所以電機的功率為
=
（6） 風機的風量
選定的風機的風量應該與通過試驗段的風量相等，即
(7) 風機的選取
根據(jù)前面已經(jīng)求得的風機的功率N及風機的風量，選擇一臺合適的標準的軸流式風機。經(jīng)過廣泛調(diào)研、查風機手冊，確定風機的型號為2K60—4 DS—2NO.18。其風量為72000～324000，全風壓2943～491Pa,葉片數(shù)量14個。根據(jù)風機的型號，就可以確定風機葉輪直徑：NO.18=18×100=1800mm,葉輪輪轂直徑為：葉輪直徑乘以輪轂比。即葉輪輪轂直徑=1800×0.6=1080mm。由風機的內(nèi)徑就可以確定風洞動力段的內(nèi)徑，并由此確定風洞的總的氣動輪廓圖。
3.9 風洞結(jié)構(gòu)設計校核
1、 材料的選取
根據(jù)前面的計算，風洞結(jié)構(gòu)采用全鋼結(jié)構(gòu)。查機械設計手冊，風洞所需的鋼采用Q235NH鋼(GB/T4172—2000、GB/T4171—2000)。風洞由厚度為20mm鋼板焊接而成。查機械設計手冊，該型號鋼板的力學性能為、。
風洞地基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，動力段用螺栓直接固定在地基上，其余部分全部采用槽鋼立柱支撐。
2、 各部分尺寸計算
（1） 穩(wěn)定段長度
由前面得知，結(jié)合實際情況得穩(wěn)定段長度為3600mm。
（2） 收縮段長度
由前面得知，收縮段長度為1800mm。
（3） 其余部分由實際情況而定。其它部分的參數(shù)及其細節(jié)前面已經(jīng)論證。由此不再敘述。
3、 校核
根據(jù)前面的計算結(jié)果及其滿足實驗的要求，以下對材料進行驗算。根據(jù)壓力公式可得，所以有：
又因為,則有：
由于風洞洞體近似容器，在理想狀態(tài)下，容器內(nèi)所受壓力處處相等。所以則有：
在整個風洞中，試驗段的截面積最小，因此所受的壓力最大，所以有：
符合要求，校核結(jié)果正確。所以所選材料符合要求。
3.10 本章小結(jié)
本章主要對汽車風洞實驗室的各個部件進行了設計計算、汽車模型的確定以及風洞所需要的材料進行了確定。對整個風洞實驗室的設計結(jié)構(gòu)進行了校核，最終滿足實際要求。達到了設計目的。
第4章 計算機仿真風洞模型建立
4.1 概述
本設計運用Pro/Engineer軟件建模。Pro/E是美國PTC（Paramatria Technology Corporation）公司開發(fā)的機械設計自動化軟件，也是最早實現(xiàn)參數(shù)化技術(shù)商品化的軟件，在全球擁有廣泛的影響。它的功能齊全、強大，如特征建模、裝配建模、有限元分析、曲面造型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。所以運用該軟件完成對本設計的建造。
4.2 各部件建模
該風洞由試驗段、擴壓段、拐角、動力段、迴流段、穩(wěn)定段、收縮段、地基、連接件構(gòu)成。下面對各個部段進行建模。
1、試驗段建模
圖 4.1 試驗段模型
2、擴壓段建模
圖 4.2 擴壓段模型
圖 4.3 擴壓段模型
3、拐角建模
拐角包括第一拐角、第二拐角、第三拐角、第四拐角及其拐角導流片。
（1） 第一拐角模型
圖 4.4 第一拐角模型
（2） 第二拐角模型
圖 4.5 第二拐角模型
（3） 第三四拐角模型
圖 4.6 第三四拐角模型
（4）拐角導流片模型
圖