空气动力学实验

什么是风洞风洞是指一个按一定要求设计的、具有动力装置的、用于各种气动力试验的可控气流管道系统。风洞的分类

1.按流动方式分：闭口回流式风洞和开口直流式风洞

2.按风速大小分：低速风洞，高速风洞和高超声速风洞

3.按风洞试验段的构造分：封闭式风洞和敞开式风洞

4.按风洞的功能分：航空风洞，建筑风洞，环境风洞，汽车风洞风洞简介超高声速（Ma≥14）高超声速（5≤Ma≤14）超声速（1.4≤Ma≤5）跨声速（0.8≤Ma≤1.4）亚声速（0.4≤Ma≤0.8）开口直流式风洞：直流利用风扇直接从大气中吸入空气，并排入大气中。（1）噪音大，电扇功率大（2）受环境影响大，不易保持空气温度和湿度风洞简介稳定段收缩段实验段扩压段风扇段低速风洞的组成

1.洞体：动力段、扩散段、稳定段、收缩段、试验段、蜂窝器、阻尼网

2.动力驱动系统：直流调速器/交流变速器控制电机驱动风扇

3.测控系统：速压控制、α/β机构控制、移测架控制、风压(速)测量系统等闭口回流式风洞：低速风洞的组成

1、洞体：收缩段，将动能转化为动力能，增大气流流速，得到紊流度低的气流。低速风洞的组成

2、洞体：实验段：（1）开口试验段（2）闭口试验段（3）流线型试验段（4）开槽试验段低速风洞的组成

3、洞体：稳定段，减小漩涡，稳定气流状态，包括蜂窝器（消除低频脉动）和整流金属网，整流金属网使大漩涡破碎成小涡，虽然靠近金属网紊流度大，但离开一定距离气流紊流度大大减低。低速风洞的组成

4、洞体：扩散力段，将动能转化为压力能，减小能量损失低速风洞的组成

5、洞体：动力段低速模型风洞

借助先进的3D打印设备，可使得模型具有完整的底盘，包括悬架、车轮、刹车盘、发动机、进气格栅等细节特征，模型的进气格栅也可根据工况的不同打开或关闭。模型具有完整的底盘低速模型风洞

模型底盘细节（包括备胎、排气管等）在模型制作间还可精确测量模型的正投影面积，这在模型空气阻力系数Cd的计算中，是十分重要的底盘细节底盘细节低速模型风洞

模型底盘细节（包括备胎、排气管等）在模型制作间还可精确测量模型的正投影面积，这在模型空气阻力系数Cd的计算中，是十分重要的正投影面积低速模型风洞

在这座模型风洞中心还可进行油泥模型的制作，试验中可根据空气动力学工程师的反馈，随时对油泥模型外形进行调整。外形进行调整油泥模型修整低速模型风洞

在风洞转台下安装有高精度的测力天平，可测量模型的气动六分力。模型由4根刚性立柱固定，并将模型表面的气动力传递到天平上，通过4根立柱也可在试验过程中调整模型的离地间隙以及模型的俯仰角。其转台可正负旋转30°，以模拟汽车在侧风工况下气动特性。测力天平低速模型风洞

工程师可在控制室内控制和监控风洞的运行，如风速、转台旋转角度的调整等，并可通过摄像设备观察模型的状态，以及通过测控系统获得模型的测量数据并调整模型的试验状态，如俯仰角、转角等。中国建科院直流式边界层风洞长安大学回流式边界层风洞同济边界层风洞

相对于航空风洞来说，用于土木工程结构的风洞一般都是风速较低的低速风洞，并且紊流度要求不高，用于土木工程结构的风洞一般拥有较长的试验段，以模拟大气边界层风场，因此，常被称为边界层风洞。国内近年兴建的边界层建筑风洞（可用于汽车试验）：

风洞类型：闭口回流风洞结构类型：立式混合结构风洞试验段类型：单试验段风洞风速类型：低速风洞建成时间：2010年10月同济ZD-1边界层风洞－简介同济ZD-1边界层风洞－照片

对于低速（即风速不超过0.3倍音速，约100m/s）、不可压缩的流动，沿某一流线作稳定流动的不可压缩无粘性气流应满足下述伯努力方程：

常与微压计（补偿式、倾斜式）相连用来测定来流的平均风速皮托静压管原理图风速测量技术皮托静压管（Pitot-statictube）

原理：利用探头上的热线（膜）在气流流过时由于散热量增加而降温从而导致电阻变化的原理来测量风速。(1)能测定高频动态风速，测量精度取决于标定(2)热线用直径只有几微米的合金细丝制成，因非常脆而容易断裂，且价格昂贵风速测量技术热线（膜）风速仪（hotwire/filmanemometer）微压计补偿式微压计倾斜式微压计

原理：以流体静压力基本方程为基础,根据液柱受压时液柱高度发生变化来度量空气压力的大小用途：主要用来测定静态风压和风速的监测风速测量技术电子压力扫描阀原理：利用多通道的传感器（ZOC）进行多点压力的测量和数据采集，并利用数模转换系统（DSM或DSA模块）和微处理器对数据进行处理。

工作方式：多通道模块高速扫描，模块间相同通道同步采集。

用途：主要用于同步测定多点高频动态风压。

主机模块

风速测量技术天平

按测力原理分：机械天平、应变天平、压电天平和磁悬浮天平

按所测分量分：单分量天平、三分量天平、五分量天平和六分量天平

按安装型式分：外式天平、内式天平

按频率响应分：静力天平、高频天平风力测试技术

测力天平是直接测量作用在结构物模型上静风荷载（空气动力）的一种测量装置，简称天平。天平可以将作用在模型上的静风荷载按天平的直角坐标系分解成三个互相垂直的力分量和绕三个坐标轴的力矩分量，并分别测量。天平测力技术

气动六分力测量是在风洞中使用气动力天平测定汽车在某一风速下气动力变化的试验。一般在试验中会将气动力和气动力矩转化成气动力系数和气动力矩系数，以对汽车的空气动力学特性进行定量的评价。气动六分力测量天平测力技术

在气动六分力测量试验中，主要的测量设备包含了测力天平、转台、移动带系统、边界层抽吸系统等。在现代汽车风洞中，这些测量设备一般都会集成在转台中。天平测力技术

气动升力是影响汽车高速行驶稳定性的重要指标，过大的升力将会对汽车行车安全带来不利影响。在气动升力评价中，除了对总的气动升力进行考察外，设计师更为关心的是汽车前后轴的气动升力情况。汽车在实际行驶中，受到气流的作用，理论上将车身表面每一点的气动应力做表面积分，那么将得到一个气动力F，其力的方向指向空间的某一方向，力的作用点不一定位于车身上。

天平测力技术

气动力F向重心G平移，将平移到汽车重心的气动力F和气动力矩M，分别沿坐标轴x、y、z做力的分解，就得到了气动六分力，即气动阻力Fx、气动侧力Fy、气动升力Fz、气动侧倾力矩Mx、气动俯仰力矩My、气动横摆力矩Mz，这也就是理论上的汽车气动六分力，即将汽车重心作为解析中心得到的气动力和力矩。

天平测力技术

但实际中由于每辆车的重心都不同，即使同一辆车的重心位置也会因为车辆的配置状态而改变，因此在汽车风洞试验中，将汽车重心作为气动力F的解析中心是非常困难的。为解决这个问题，SAE标准J1594就规定了在风洞试验中，将汽车轴距和轮距中心线在地面上投影的交点定义为气动力F的解析中心O。天平测力技术

因此在汽车风洞试验中测量得到的气动六分力，就是将气动力F向解析中心O做力的平移和分解后所得到的力和力矩。但实际中，在风洞试验中气动力天平获得的并不是气动力F，其测量得到的是在天平中心O'的六个分量力Fx'、Fy'、Fz'、Mx'、My'、Mz'。

备注：天平中心为天平的测力中心点，其与天平的结构有关，每一座天平的测力中心都不相同，但其位置坐标是已知的。那么将天平在天平中心O’测量得到的六个分量力，向解析中心O进行力的平移和分解，即得到了我们平时所说的汽车的气动六分力。天平测力技术天平测力技术zM2xxyM2zM2yF2xF2zF2yzM1zxyM1zM1yF1xF1zF1yO

那么了解了汽车风洞试验中的气动六分力的定义，我们再来看下前后轴的气动升力是如何计算得来的。需要说明的一点是，在风洞试验中对汽车气动阻力、升力的评估中，车辆横摆角为0°，也就是此时近似没有侧向力的作用。在无侧风工况下，将汽车在解析中心O的气动力，向前后轮与地面的交点进行分解，如下图天平测力技术FzfFzrFzo轴距L前轴升力作用点后轴升力作用点My风洞实验的基础：绕模型的流动和绕原型的流动相似流动相似的五大要素：几何相似－最基本的流动相似条件运动相似－速度和加速度场的相似动力相似－同名作用力场的相似质量相似－密度场的相似热力相似－温度场的相似相似理论相似准则斯特拉哈数：非定常惯性力与定常惯性力的比值欧拉数：流体压力与流体惯性力的比值雷诺数：流体惯性力与流体粘性力的比值弗劳德数：流体惯性力与重力的比值柯西数：结构弹性力与流体惯性力的比值惯性参数：结构惯性力与流体惯性力的比值阻尼参数：无量纲阻尼比相似理论基本缩尺比第一基本缩尺比：几何缩尺比风洞的尺寸结构的尺寸风洞堵塞度＝模型顺风向投影面积/风洞试验段截面积≤7%模型制作的精度和难度湍流积分尺度第二基本缩尺比：风速比风洞的最大风速设计风速结构承受的最大风力考虑重力影响第三基本缩尺比：密度比＝1相似理论大气边界层风特性平均风剖面：描述平均风速沿高度的变化规律，常用指数率紊流度剖面：描述相对紊流强度沿高度的变化规律功率谱：描述紊流运动强度随频率的分布情况，即不同尺度旋涡的运动对风速脉动的贡献程度，顺风向功率谱常采用Karman谱

湍流积分尺度：描述气流中各种旋涡沿某一方向的平均尺度，顺风向湍流积分尺度介于100～300m，随高度增大而增大大气边界层流场模拟流场信息测量试验流场信息测量试验可分为定性的流场显示试验和定量的流场气流参数测量试验。1、流场显示测量试验流场显示测量试验用于观察车辆周围和表面的空气流动。主要有四种方法：丝带法、油膜法、烟流法和粒子图像测速法（PIV）。a、丝带法丝带法是用于观察汽车表面流动的常用方法。通过观察粘贴在车身表面上的丝带的运动状况来确定车身表面的流谱。流场显示a、丝带法丝带法是用于观察汽车表面流动的常用方法。通过观察粘贴在车身表面上的丝带的运动状况来确定车身表面的流谱。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，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。流场显示丝带法a、丝带法丝带法也可用于显示空间流谱。把丝带粘在模型周围用细金属丝织成的空间框架上，可以清晰地看见模型周围的气流状态，尤其是模型尾流区的气流流动情况。流场显示b、油膜法油膜法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汽车表面。根据油膜上的风纹可看出气流的方向和流速大小。流场显示b、油膜法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。但是油易流淌，模型及风洞容易被污染。流场显示油膜法c、烟流法烟流法是使用烟流发生器，并由梳状管排出烟丝，观察汽车周围流场和细节流动状态的试验。烟流试验风速通常选择在10～20m/s之间。流场显示烟流法d、粒子图像测速法粒子图像测速（ParticleImageVelocimetry）技术是一种基于流场图像互相关分析的流场测量新技术，具有全场性、瞬时性、定量性、无干扰等优点，适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构。流场显示粒子场

粒子图像测速的基本原理是：在流场中散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域，在某一时间内，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在CCD相机上，摄取该区域粒子图像的帧序列，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，进行图像相关分析，识别示踪粒子图像的位移，根据速度的定义，就可以得到流体的运动速度。流场显示

2、流场气流参数测量试验流场气流参数测量包括气流速度测量、气流方向测量、气流压力测量、气流湍流度测量等。通常使用风速仪、热线风速仪、激光测速仪等设备进行速度测量；使用五孔探头测量气流俯仰和偏航方向。流场显示五孔探头测量边界层厚度的边界层耙在测量时一般采用边界层耙进行，它是将多个风速仪，沿纵向固定在一块翼型板上测量汽车边界层厚度

汽车表面压强分布测量按测量方式分一般有表面压力传感器测量和非接触式测量两种。1、接触式表面压力测量接触式表面压力测量一般采用皮托管或膜片式压力传感器进行。使用皮托管测压时，需要沿模型表面法向开孔，以便将测压管埋入孔内。为了不影响试验数据，一般应尽量使孔径小，并使用砂纸打磨来保证测压孔表面光滑，避免孔周围的毛刺带来测量误差。流场显示

汽车表面压强分布测量按测量方式分一般有表面压力传感器测量和非接触式测量两种。1、接触式表面压力测量对于表面不能钻孔的整车测压，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。流场显示片式传感器

2、非接触表面压力测量包括激光测压装置、压敏漆测压等。其中压敏漆测压是利用氧分子的猝灭效应测量物体表面压力变化的。采用压敏漆测压，可快速的获得整个车身表面的压力情况，克服了布置测点困难的问题；缺点是压敏漆会对风洞带来污染，并且其测量准确性还有待提高。流场显示压敏漆测压装置

汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域，风噪性能成为了影响汽车驾乘体验的重要因素。在气动-声学风洞中，主要使用人工头声学测量设备和麦克风阵列测量汽车的声学特性。以对车外气动噪声以及车外附件对车内噪声的影响进行测量分析。声学测量试验声学测量试验

汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域，风噪性能成为了影响汽车驾乘体验的重要因素。在气动-声学风洞中，主要使用人工头声学测量设备和麦克风阵列测量汽车的声学特性。以对车外气动噪声以及车外附件对车内噪声的影响进行测量分析。声学测量试验奔驰使用麦克风阵列测量车内噪声

汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的开发领域，风噪性能成为了影响汽车驾乘体验的重要因素。在气动-声学风洞中，主要使用人工头声学测量设备和麦克风阵列测量汽车的声学特性。以对车外气动噪声以及车外附件对车内噪声的影响进行测量分析。声学测量试验保时捷风洞框架式麦克风阵列

为快速详细的对气动噪声源进行测量分析，风洞中安装有360通道的麦克风阵列系统，包含有3个独立的麦克风阵列，两侧各100通道，顶面160通道。

低温-40℃是一个很低的温度，通常风洞中会采用二次制冷系统来实现低温控制，即在普通制冷系统中引入另一套载冷剂系统，该载冷剂需要具备优异的热传导性能和稳定性。载冷剂通过盘管在风洞流道中进行热交换。流道内的温度控制精度可达±0.5℃，也就是说，如果需要模拟的环境温度为-30℃，那么风洞内的温度就能达到-30.5℃~-29.5℃。环境风洞温度模拟

在风洞中的车辆测试段顶部会安置一套用于模拟日照条件的阳光模拟系统。该系统根据形式通常分为两类，一类是固定在测试段顶部的，即顶置式；另一类是通过安装一套弧形支架系统，即穹顶式。环境风洞阳光模拟模拟日照

降雨模拟是通过在环境风洞喷口前面或者后面安置喷枪，根据不同雨量大小设定，喷枪会喷出相应大小的雨滴，雨滴随着喷口的气流吹向测试车辆，从而形成降雨。降雨模拟主要用于雨刮性能试验，雨滴流向试验等。环境风洞降雨模拟荧光剂的降雨试验降雨模拟主要用于雨刮性能试验，雨滴流向试验等

在室内就能在任何时候进行降雪试验，雪量大小，降雪时间等都可以自由控制。大大缩短了新车型开发周期。环境风洞中降雪的实现也是通过在喷口前面或者后面安置喷枪，该喷枪能根据所需的雪量大小喷出夹带水滴的高压气体，在风洞流道内温度达到-10℃以下时凝结成冰粒，于是在试验车辆前方形成了降雪。降雪模拟可用于许多需要降雪环境的试验，如吸雪试验，即准确模拟在暴雪下车辆进气系统是否会被雪覆盖导致堵塞。环境风洞降雪模拟

在室内就能在任何时候进行降雪试验，雪量大小，降雪时间等都可以自由控制。大大缩短了新车型开发周期。环境风洞中降雪的实现也是通过在喷口前面或者后面安置喷枪，该喷枪能根据所需的雪量大小喷出夹带水滴的高压气体，在风洞流道内温度达到-10℃以下时凝结成冰粒，于是在试验车辆前方形成了降雪。降雪模拟可用于许多需要降雪环境的试验，如吸雪试验，即准确模拟