又壕又神奇的汽車風洞又是什麼鬼?

2021-01-16 騰訊網

  《風阻係數是個什麼鬼?》自推送以來,就有粉絲表示「不介紹風洞,光吹逼風阻係數,就是在耍流氓」,並讓舵手哥立馬補上介紹風洞的文章。面對如此蠻橫無理、提出各種要求的粉絲,我只想說給我再來一打。畢竟,風洞和風阻係數確實是密不可分的。如此專業、又能給車轍提出寶貴意見的粉絲,才是車轍持續前進的動力。況且,誰讓我們就是對粉絲有求必應呢?

  所謂風洞(wind tunnel),顧名思義理想當然就是能夠產生風的洞。不過說是說風洞,但其形狀卻更像是隧道或者管道(別看到管就想擼!)。

  用高大上的專業術語來說,風洞是以人工的方式產生並且控制氣流,用來模擬汽車、飛行器或實體周圍氣體的流動情況,並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備。

  世界上第一個風洞是腐國人韋納姆(E.Mariotte)於1869~1871年建成,並測量了物體與空氣相對運動時受到的阻力。也許這個腐國人並沒太大名氣,但是鼎鼎有名的第一次飛翔在天空的萊特兄弟於1901年也建造了風速12米/秒的風洞,為他們的飛機進行有關的實驗測試。

  一開始的風洞是為飛機、飛行器等進行空氣動力學實驗的,和汽車並沒有半毛錢關係,那時的汽車也就能跑個三五十碼,不怎麼需要關注空氣動力學。但隨著汽車車速的提高,風阻係數對於汽車的油耗、風噪等的影響也越來越大,汽車界不得不考慮藉助風洞實驗來設計出在較低風阻係數的外觀造型下還要能兼顧內部視野及空間的汽車。

  而奔馳,是這方面走在最前沿的。奔馳不僅擁有德國斯圖加特汽車工程研究院的風洞,而且又在辛德芬根(Sindelfingen)工廠內建造了兩座集合氣候模擬風洞的風洞實驗室,這兩座科技含量極高的風洞可模擬出攝氏零下40度至60度氣溫,

  風洞風速最高可達265公裡/小時的任何惡劣的測試天氣。而這也是奔馳新S級風阻係數可以達到驚人的0.24的原因。

  目前,全世界用於汽車空氣動力學研究的風洞有50多座,主要分布在歐、美、日等國家。其中,德國奧迪公司的汽車風洞、德國斯圖加特大學的汽車風洞和戴姆勒克萊斯勒公司的汽車風洞、美國通用汽車的風洞被業內稱為「風洞界的F4」。

  在咱們國內,汽車空氣動力學方面的研究起步晚,沒有相應的技術積累,而且風洞實驗室的建設和維護需要燒大量的人民幣,因此我們國的研究明顯落後於歐美等國家,目前本土車企中擁有獨立風洞實驗室的根本就沒有,僅有同濟大學上海地面交通工具風洞中心和吉林大學汽車風洞等少數高校所屬的風洞。

  因此可想而知,有很多國產品牌最多也就做做模擬仿真計算下,根本就沒有條件去做風洞試驗的驗證和優化,其實這也無可厚非,畢竟有些自主品牌能做到動力充足,駕駛體驗不錯,造型不難看,已經需要很用力了,再要求其優化空氣動力學性能未免太強人所難了。當然,有很多車企,比如上汽大眾、上汽通用等企業會通過與高校的合作去做風洞試驗,來優化汽車的風阻係數。據說威朗經過近500次的優化以及超過200小時的風洞試驗,才將風阻係數降低至0.27。也難怪宣傳的時候要大吹大擂了,有逼不裝非君子嘛!

  風洞主要由洞體、驅動系統和測量控制系統組成。

  

  體:

  洞體主要分為三段,實驗段、上遊段和下遊段。試驗段是對模型進行必要測量和觀察的重要部分,也就是擺車或者模型的那段。上遊有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。實驗段下遊有降低流速、減少能量損失的擴壓段和將氣流引向風洞外的排出段或導回到風洞入口的回流段。簡單點來理解,就是上遊將氣流加速到所需的速度,實驗段進行測量,下遊段將氣流減速。

  驅動、系統:

  所謂的驅動系統,最重要的便是巨型風扇了。這風扇究竟能有多巨型,以同濟大學的氣動-聲學風洞為例,看下邊的圖就知道了。通過風扇旋轉或壓縮機轉子轉動來使氣流壓力增高來維持管道內氣體穩定的流動,其最大風速可以達到250公裡/小時。

  測量、控制、系統:

  至於測量控制系統,其實嚴格來講不算風洞的主要組成部分,因為你要做什麼樣的測量,就會有什麼樣的測量控制系統,因為風洞裡可以做的測量也是很多種的,這個在後文我們會提到。

  風洞試驗是在汽車空氣動力學研發中必不可少的,可以用來做微型轎車到中型麵包車實車的車輛風阻試驗、車輛穩定性試驗、側風響應試驗、車內外噪聲試驗、內流優化試驗、雨刮器試驗等等。

  有個問題,機智如你肯定會問,既然風洞這麼高大上,那麼做一次風洞試驗要花費多少錢呢?

  這個問題嘛,我只能說做風洞試驗就是在燒錢,因為一輛車真要做多次風洞試驗來優化動力學性能的話,花費個幾千萬那是絕不誇張的。而這費用除了風洞的建設花費了巨大的成本和兼具專業素養和經驗的風洞實驗室工作人員很稀缺之外,另外的大頭居然是電費!!!你沒看錯,就是電費。因為需要驅動巨大的風扇來產生高速流動的風,要求很高的功率,因此其供電都是有專門的設備,而且在做風洞試驗過程中需要消耗大量的電。但是通過風洞進行的氣動動力性能測試、氣動聲學測試和低噪聲優化試驗能夠優化造型,降低風阻係數,從而降低空氣動力阻力,便能降低油耗和風噪,達到節能減排和提升舒適性的目的,幾千萬又能算得了什麼呢?

  那如此昂貴的風洞實驗究竟怎麼做呢?比如說想要測一個車的風阻係數,那肯定是需要知道流場的,風洞實驗便是測量流場的最直接方法了。而煙流法是較為常用的方法,顯示周圍的氣流流場以及模型表面的分離流和尾部渦流等。試驗時,煙流發生器產生煙,並由梳狀管排出菸絲,煙流試驗風速通常選擇在10-20 m/s之間。

  通過煙的軌跡便能大致能看出來周圍流場究竟是什麼樣的了,通過專用設備採集和後期的處理便能得到精確的流場了。通過計算便能知道這個車的風阻係數,如果領導滿意那還好,要是領導不滿意,那無休無止的優化便又要上演了(那都是汽車工程師和設計師的淚啊!)。

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