世界先進汽車風洞系列:戴姆勒-奔馳空氣動力

2020-11-27 易車網

2013年12月位於德國辛德爾芬根的戴姆勒-奔馳新風洞中心正式投入運行。該風洞中心包含一座氣動-聲學風洞、兩座環境風洞、工作間和辦公區域等。其中氣動聲學風洞安裝有五帶路面模擬系統、邊界層抽吸系統、汽車專用天平、移動測量系統等先進設備。本期「世界先進汽車風洞」將帶您了解奔馳這座全新的空氣動力學-聲學風洞。

早在1974年奔馳便開始使用位於斯圖加特的風洞開展空氣動力學測試，1993年開始使用FKFS的風洞進行氣動測量，到了2002年聲學測量也轉到了FKFS風洞進行。由於奔馳擁有的這座位於斯圖加特的風洞建設於20世紀30年代，技術上的升級已經比較困難，同時奔馳車型系列越來越多，空氣動力學和聲學的要求也越來越高，因此單靠原有的風洞和FKFS的風洞已經難以滿足奔馳的車型開發需求，鑑於此，奔馳決定建造一座全新的空氣動力學-聲學風洞。

奔馳S-Class 126在原風洞中測試場景

奔馳位於斯圖加特的風洞

一、全新風洞項目規劃

戴姆勒-奔馳全新氣動-聲學風洞項目在2008年啟動，以便提前識別項目風險點和機會點以及預估建設費用，整個項目預算確定為7500萬歐元。在確定德國WBI公司為風洞設計商後，正式設計工作在2009年開始，奔馳公司有4名工程師參與在項目組中，以確保WBI的設計能夠最終完全滿足奔馳的要求。

奔馳氣動-聲學風洞布局（來源：奔馳官網）

整個氣動-聲學風洞長90m，寬47m。兩個單獨的控制室分別用於空氣動力學測量和聲學測量。車輛通過準備間直接進入風洞駐室，準備間內的舉升機朝向轉臺中心，這樣車輛可以直接轉運到天平上。所有的這些設計都高效的支撐風洞的工作，但是必須要在設計的早期階段做出說明。

二、風洞設計指標

在項目啟動階段奔馳就對氣動-聲學風洞的技術指標提出了嚴格的要求，這主要體現在幾個方面：

1）非常低的軸向靜壓梯度；

2）非常低的湍流強度；

3）駐室內很小的靜壓脈動頻率；

4）非常低的風洞背景噪聲；

因此WBI在風洞設計階段，預先建立了一座1:10的比例模型風洞，模型風洞由玻璃鋼、木材和鋼材製成。在比例模型風洞中WBI對噴口、收集口等部件進行了優化處理，以滿足奔馳對風洞靜壓分布和流場品質的要求。同時WBI還使用了CFD仿真技術優化了試驗段的結構尺寸。

CFD獲得的試驗段速度場分布

奔馳氣動-聲學風洞主要的空氣動力學指標如下：

三、風洞關鍵設備

1）天平和路面模擬系統

在直徑12m的轉臺上安裝有德國MAHA生產的氣動六分力汽車天平和五帶路面模擬系統。六分力天平為了達到較高的精度，一方面天平框架與轉臺是分離的，另一方面力傳感器也有著非常高的溫度和溼度要求。

奔馳全新氣動-聲學風洞全貌

路面模擬系統由9m長，1.1m寬的中央移動帶和4條車輪驅動單元移動帶組成，移動帶最大速度可達265km/h。其中車輪驅動單元移動帶外露面只有240mm，這大大減小了其帶來的附加升力（Parasitic Forces）。


奔馳風洞轉臺和移動帶

裙邊約束系統能將車輛舉升400mm，同時附加的車輛舉升裝置可以將車輛在轉臺上舉升1.9m，以便試驗時進行車輛狀態的調整。

裙邊約束系統（紅色圈內）

同時在轉臺上留有一個2m×2m的玻璃窗口，可以藉助雷射偏振儀或攝像機對汽車底部氣流進行觀察和測量。下圖紅色方框內區域。

車底氣流觀察區域（紅色框內）

2）邊界層控制系統

為減小邊界層對氣動力測量的影響，奔馳風洞安裝有邊界層抽吸系統，包括：中央移動帶上遊抽吸、中央移動帶側面抽吸、切向吹氣和縫隙吸氣。抽吸系統吸出的空氣，將會通過管道重新回到駐室內。

此圖可清晰辨認出邊界層抽吸措施

通過抽吸系統奔馳風洞的邊界層控制達到了很高的水平，其中央移動帶縱向和側面位置的邊界層剖面如下圖：

中央移動帶縱向位置和側面的邊界層剖面圖

三、移動測量系統

駐室內安裝的7軸（3軸移動，4軸旋轉）移動測量系統可允許工程師在測試車輛周圍布置高精度的傳感器和麥克風，進行壓力、聲學和速度測量。該系統重約26噸，系統主要部件由碳纖維製成，可確保傳感器在最大風速下的穩定測量。

奔馳風洞移動測量系統（紅色方框內）

註：同濟大學風洞沒有此設備，位於重慶的中國汽研氣動-聲學風洞將安裝中國首臺汽車風洞移動測量系統，位移控制精度高達0.01mm。

四、風機

奔馳氣動-聲學風洞安裝有直徑9m的風機，最大功率為5300 kw，有18片碳纖維製成的葉片和23片定子葉片，最大轉速可達242rpm，可滿足試驗段265km/h的風速要求。

奔馳風洞風機（注意看葉片中間站立的人的高度）

為減小風機噪聲，在風機周圍進行了消聲處理，在13.8m長的風機擴散器上也安裝有消聲器，以進一步降低風洞背景噪聲。

五、聲學測量系統

為快速詳細的對氣動噪聲源進行測量分析，奔馳風洞中安裝有360通道的麥克風陣列系統，包含有3個獨立的麥克風陣列，兩側各100通道，頂面160通道。

奔馳風洞麥克風陣列系統

在奔馳風洞中進行聲學測量時，移動帶和邊界層抽吸系統都是關閉的，並且會使用泡沫板將移動帶和車輪驅動單元遮蓋，以減少對聲學測量的影響。

聲學試驗時駐室狀態

CAERI 視點

在奔馳氣動-聲學風洞設計和建設過程中，奔馳工程師在風洞試驗操作中積累的長期經驗，在風洞設計階段發揮了重要作用，在風洞投入使用後，其試驗操作時間和流程均已經實現了最優化，但在這一方面國內目前還缺乏足夠的經驗積累。可喜的是，目前國內建設中的重慶中國汽研氣動-聲學風洞設計商同樣為德國WBI公司，我們相信這座風洞在設計和建設階段定會吸收奔馳汽車風洞的經驗和優點，站在巨人的肩膀上，更進一步，為中國汽車工業提供強大的試驗科研支撐。

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本文為中國汽研汽車風洞中心微信公眾號「汽車風洞技術」編寫文章，歡迎大家學習分享，轉載請註明來源。

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