小型车1：5模拟风洞试验室设计.doc

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摘要

本设计是在市场的需求下，通过对国内外现有的汽车风洞进行调研和分析，设计一座具有低湍流、可变湍流度、低噪声等特色的小型车1：

5风洞实验室。

在风洞的设计过程中，对其主要部件进行了详细的计算。

风洞建成后，结合实验室内先进的测量手段，除了能满足模型的测压、测速、流态观测等教学外，还可以利用该风洞进行从事桥梁、环境污染等工业空气动力学研究工作。

进行汽车研究，汽车风洞是必不可少的试验设备。

汽车风洞建设对汽车空气动力学发展意义重大，没有汽车风洞，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展。

而汽车风洞的主要任务是正确模拟气流流经汽车车体表面的流态以获得准确的实验数据，实验数据的精确与否决定了汽车气动外形设计的成败。

因此，汽车风洞实验能促进汽车空气动力学研究，进行汽车空气动力学研究将能够给我国带来巨大的燃油节省，具有非常大的经济效益和社会效益。

关键词：

1：

5；小型车；风洞；低湍流；实验

ABSTRACT

Thisdesignisinthedemandofthemarket,Throughthedomesticandinternationalexistingautomobilewindtunnelresearchandanalysis,Designwithalowturbulence,variableturbulenceintensity,lownoisecharacteristicofsmallcars1:

5windtunnellaboratory.Thedesignprocessinwindtunnel,Itsmainpartsmadedetailedcalculation.Windtunnelafterthecompletionofthe,Combiningtheindooradvancedmeasuringmethod,Besidescansatisfymodelofspeed,measurepressure,flowpatternobservationonteachingoutside,StillcanuseonthewindtunnelinBridges,environmentalpollutionandotherindustrialairdynamicsresearchwork。

Forvehicleresearch，Carwindtunnelisanindispensabletestequipment。

Carofautomotiveaerodynamicswindtunnelconstructiondevelopmentisofgreatsignificance，Nocarswindtunnel，Alsocan'tverywellputthenationalautomobileindustryofforwarddevelopment。

Andcarwindtunnelisthemaintaskoftheairflowingthroughthebodyrightsimulationofthesurfaceflowpatterntogetaccurateexperimentaldata，Experimentaldataaccurateornotdecidedtheaerodynamicshapedesignofsuccessorfailure。

So，Carinwindtunnelexperimentscanpromotetheairdynamicsresearch，Forautomotiveaerodynamicsresearchwillbeabletogiveourcountrytobringthehugefuelsavings，Hastheverybigeconomicbenefitandsocialbenefit。

Keywords：

1：

5；Smallcar；Windtunnel；Lowturbulent；Experiment

II

目录

摘要 I

Abstract II

第1章概述 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本课题设计研究内容、研究技术路线 2

第2章汽车风洞设计研究基础 4

2.1汽车风洞实验的目的 4

2.2汽车风洞功能类型及设备 4

2.3汽车风洞实验模型 7

2.4汽车风洞实验的准则与规范 8

2.5本课题采用的模型尺寸 10

2.6本章小结 11

第3章1：

5小型汽车风洞设计 12

3.1风洞的类型结构确定 12

3.2风洞试验段几何参数的确定 13

3.3扩压段 15

3.4拐角及其拐角导流片 17

3.5迴流段 18

3.6稳定段及整流装置 19

3.7收缩段 20

3.8风洞能量比、电机功率及风扇的确定 20

3.9风洞结构设计校核 25

3.10本章小结 26

第4章计算机仿真风洞模型建立 27

4.1概述 27

4.2各部件建模 27

4.3模型总装图 38

4.4本章小结 39

第5章结论 40

参考文献 41

致谢 43

第1章概述

1.1研究目的及意义

汽车作为人类交通工具，它的出现和发展给人类社会带来了无可估量的经济效益和社会效益。

伴随着汽车日益走向成熟，汽车产品的开发、设计生产等相关领域的发展也日臻完善，并不断推陈出新，而这一切都与汽车的实验研究密不可分。

随着汽车工业的发展，中国汽车工业走自主研发设计之路，迫切需要建立起自己的汽车风洞实验室，掌握和发展自己的汽车风洞实验技术。

这样既可以节约开发成本，又可以快速完成风洞技术的发展和积累。

同时也可以促进我国汽车空气动力学的研究。

为人类、为社会、为中国汽车工业自主研发设计作贡献

在当前形势下，国家提出了“节能减排”的政策，号召大力开展推动提高能源利用效率的科技创新。

对于交通工具来说，改善汽车等交通工具的空气动力学特性，将是降低汽车燃油消耗，节省能源的重要方式。

进行汽车研究，汽车风洞是必不可少的试验设备。

汽车风洞建设对汽车空气动力学发展意义重大，没有汽车风洞，既不可能很好地设计出最优的汽车，也不能很好推动整个国家的汽车工业向前发展

因此，此次研究就是为了设计模拟汽车风洞实验室设计，以最少的费用，最优化的方法对汽车风洞实验室设计。

这主要从两方面考虑：

一是经济角度出发；二是社会角度出发。

首先从经济角度出发：

达到节约成本，用最简单的方法去做最复杂的实验。

降低了昂贵的费用。

为企业创造了更好地经济效益。

同时也促进了老百姓的买车能力。

为整个社会经济腾飞作贡献。

其次从社会角度出发：

为了满足行业的需要、为了汽车工业的发展、为了科学研究技术作贡献。

1.2国内外研究现状

1、国外研究

国外，汽车风洞建设较早。

1939年，德国的斯图加特大学建立了第一座全尺寸汽车空气动力学试验的风洞。

它的最高速度高达270km/h，可以进行高速赛车空气动力学的研究。

随后，不少汽车企业和研究机构陆续开始建设汽车风洞。

近年来，不断有新的专业汽车风洞落成，如Audi汽车公司风洞。

汽车风洞建设初期，大量借鉴了航空空气动力学的研究经验和理论。

航空空气动力学试验规定风洞试验的阻塞比（Blockageratio）：

¢=A/AN。

其中，A是试验模型的正投影面积，AN是风洞的喷口截面面积。

虽然航空风洞规定风洞试验时,¢要小于0.05，但是现在的汽车风洞阻塞比已经越来越大，甚至有阻塞比达到0.2左右的汽车风洞。

为了使汽车风洞试验结果更加精确，国外陆续有专业的汽车风洞装备地面效应模拟设备。

现在几乎所有的汽车风洞都引入地面效应模拟设备，特别是移动带地面效应模拟系统。

汽车风洞的建设，带来了汽车风洞试验技术的变革和创新。

为了适应汽车气动噪声的研究，大量的汽车风洞经过改进以便能进行气动噪声试验，部分新建的汽车风洞直接就定位建设低噪声的汽车风洞。

近年来，随着汽车风洞试验技术的提高，汽车风洞的试验设备也不断提高。

这标志世界汽车研究又进入一个崭新的阶段。

2、国内研究

目前，我国汽车风洞建设较晚。

2002年，吉林大学汽车风洞开工建设。

2005年，同济大学上海地面交通工具风洞中心开工建设。

现在，两座风洞的建设完成，标志着中国汽车研究进入一个新的阶段。

在国内，虽然建设了国内专业的汽车风洞，但是在汽车风洞实验技术上还存在很多不足，国内还不能提供准确可靠的实验方法，制约了汽车技术的提升，不利于我国汽车工业的发展。

为了我国汽车工业更好地发展，就必须对国内的汽车风洞实验设备进行充分掌握，改进试验设备，完善试验技术，提高试验精度。

1.3本课题设计研究内容、研究技术路线

1、本课题设计研究内容：

1）进行1:

5小型车模拟风洞实验室平面布局设计；

2）进行风机选择和校核，前后稳速仓栅设计，测试仓设计，测试台设计，环状风道设计，P型引风口设计，台架支撑结构设计；

3）根据设计系统进行校核；

4）绘制设计系统总图和上述部分的结构装配图、零件图。

2、研究技术路数：

调查研究、收集资料

总体布局设计

各环节布局、设计

N各环节技术的校核

Y

总体修订

总体校核N

Y

研究成果

图1.1技术路线图

第2章汽车风洞设计研究基础

2.1汽车风洞实验的目的

汽车风洞实验的目的在于得到准确的反映汽车行驶状态下的空气动力特性数据。

汽车风洞实验研究下述几方面问题：

（1）研究汽车空气动力特性，包括汽车的气动阻力特性和操纵稳定性等，即通过风洞实验研究汽车的流场作用在汽车上的力和力矩。

（2）通过汽车表面的压力分布与流场性能的分析，研究汽车各部件的流场。

如雨水的流动路径、污垢附着的作用原理、风噪声、挡风玻璃上的作用力等。

（3）发动机冷却气流的进气和排气特性。

（4）驾驶室内的通风、取暖及噪声等特性。

2.2汽车风洞实验的类型及设备

2.2.1汽车实验风洞

汽车风洞是进行汽车空气动力学实验的主要设备，它实际是一个按照一定要求建造的管道，并利用动力装置等设备在管道中产生可以调节的气流，使风洞试验段能模拟或基本模拟大气流场的状态，以供汽车进行空气动力学实验的研究。

目前世界上的汽车实验风洞很多，按照试验段气流循环形式来分，可以分为回流风洞和直流风洞两种。

图2.1为回流型风洞，回流型风洞的特点是通过试验段的气流能经循环系统在返回到试验段，能回收气流的能量，电机的功率小，并且能保持恒定的空气温度和湿度，缺点是构造复杂，设备大，成本高。

（A）

（B）

（C）

（D）

图2.1回流型风洞

图2.2为直流型风洞。

其特点是把通过试验段的气流排除在风洞外部。

该风洞设备简单，成本低，缺点电机功率大，空气温度难以恒定，流场品质易受外界的干扰。

直流型风洞又分为吸入式和吹出式，前者的风机在试验段下游的风洞中，后者的风机设置在试验段上游的风洞中。

（A）

（B）

图2.2直流型风洞

按照试验段的类型分为开式风洞、闭式风洞及半开式风洞三种。

图2.3所示。

（A）

（B）

（C）

图2.3风洞试验段形式

A）开式B）闭式C）半开式

按照试验段尺寸分类，可分为试验段尺寸几十毫米的微型低速风洞，试验段尺寸为1～1.5m的小型低速风洞，试验段尺寸为2～4m的中型低速风洞，试验段尺寸8m以上的大型低速风洞。

2.2.2汽车风洞测量设备

（1）气动力天平

气动力天平是汽车风洞实验时用来测量模型或汽车的空气动力和力矩的测试仪器。

（2）气动力天平的选择原则

1）根据需要测量的模型或实车气动力和力矩数目选择相应的气动力天平。

2）根据需要测量的模型或实车气动力和力矩的大小选择相应测量的范围和量程的气动力天平。

3）要有良好的线性关系，即气动力或力矩的读数随外载荷的变化关系接近或呈线性关系。

4）选择受外界干扰小的气动力天平。

5）选用灵敏度高、强度和刚度的天平。

6）选择精度、准确度较高的气动力天平。

（3）气流参数测量仪器

1）压强测量仪器

压强测量仪器主要是压强计、测压传感器及压强传导装置。

常用的压强计是液压柱式压强计，有U型管压强计、单管压强计、斜管微压计及多管压强计等。

这些压强计大多数是以已知的参考压强作为比较对象进行测量的，参考压强多为大气压强。

目前较多的测压传感器有应变式、压阻式、电容式、电感式及压电式等。

压强传递装置主要由压强传递导管和压强扫描阀组成。

2）压强测量

①车身表面静压测量通常在模型表面上沿其法向开小孔，以测量局部静压强。

测压小孔直径d应在0.5～2mm范围内，h/d＞2，测压孔轴线应尽量垂直壁面，孔内壁光滑，孔口无毛刺，表面五凹坑或凸起。

②气流静压测量在气流场中某一点处放置一静压管，就可以测出该点的静压强。

实验前，必须对静压管都进行校准。

③气流总压测量在流场中某一点处放置总压强管，就可以测出气流在该点处的总压强。

（4）温度测量仪器

由于雷诺数随温度变化的幅度很大，所以每次实验都要测量并记录风洞的温度。

测量温度时通常使用大气温度计，把它放置在没有气流扰动的位置，就能准确地测量。

（5）气流速度测量

测量气流速度用风速管。

它是由总压强管和静压强管组合在一起而构成的总静压强管。

（6）气流方向测量

采用五孔探头和恒温式热线风速仪测量试验段的气流方向。

（7）数据采集及处理系统

进行风洞试验时，使用低电平数据采集系统，它由信号调节器、多路开关、低电平放大器、采样—保持器、数-模（A/D）转换器、数据记录装置及微型计算机等组成。

2.3汽车风洞实验模型

2.3.1模型尺寸

风洞试验模型根据选用的风洞试验段尺寸采用3：

8、1：

5、1：

4、1：

10、1：

1等比例尺寸。

2.3.2模型的外形和结构

（1）外形模型

为了保证模型试验的流场与汽车行驶的流场相近，必须保证模型与实车几何相似。

根据模型尺寸与实车尺寸之间的比例关系，能够把模型外部尺寸确定下来。

对于进气口，驾驶室内流及附面层等还不能用简单的几何相似来模拟，而应采用特殊的模拟方法进行模拟。

1）进气口与驾驶室内流的模拟

汽车行驶时，气流的一部分从前窗底部进入驾驶室，从出口排除，其余气流都均匀地从外表面绕过，通常不发生气流分离。

进行风洞实验时，一般不模拟内流，把进、出气口都堵死，仅模拟外部流。

如果简单地把进、出气口堵死，实验时气流将在进、出气口处产生分离。

为此，在进气口前边加装一个流线型旋转体，既消除了气流分离，又使两个绕流流谱相似。

（2）模型结构

模型的结构与汽车结构差异较大，一方面模型结构要尽量简单，另一方面模型除了用于测定整车的空气动力特性外，还用于测定各总成、部件对空气动力特性的影响，因此，模型最好采用可拆卸式的组合结构。

模型的结构特点是：

其拐角部位、前部和后部以及处于分离区附近的车灯、后视镜、空气进口、空气出口、空调装置、发动机罩和车门缝部位等细部的造型都应特别注意，模型应模拟车底细部，车底部后桥、传动系、排气管等的凸凹应能再现，车轮模拟可转动的状态。

此外，要求组合模型的各部分能方便而准确的安装。

为此，要求模型安装系统必须具有足够的刚度，确保偏转力不能引起测量误差；必须在地板上按精确比例装配模型，使模型呈现原型的姿势；安装时，模型与地板以及支架与地板都不能发生干涉；模型连接在气动力天平上时，不得产生太大的气流干扰。

2.3.3模型的材料与加工

风洞实验模型大多采用核桃木、楠木及红松等优质木材制造，对于小而薄的结构，也可以采用铝等金属制造。

在风洞实验时，由于模型上承受的载荷较小，优质木材能满足强度要求，并且木材易于加工，便于局部修改，所以优质木材是较理想的制造模型材料。

但是木材也存在缺点，易变形，因此加工前应对木材进行干燥处理，并且最好把木条加工成方条，用粘接剂把方条粘接在一起，作为毛胚。

2.4汽车风洞实验的准则与规范

2.4.1汽车风洞实验概述

汽车风洞实验是将汽车或者汽车模型安置在汽车风洞中，开启风洞产生固定速度的风，采集固定风速下汽车受到的气动六分力数据，进过数据处理得到六分力系数；也可以采集汽车车身表面气动力等数据，获得车身表面压力分布；或者借助某些流动显示和测量手段，对汽车周围流动进行显示和测量。

汽车风洞实验，有定量实验和定性实验。

定量实验和定性实验相结合，是汽车空气动力学研究的有效方法。

定量实验是指天平测力实验和压力分布实验等，可以直接测定作用在车身上的气动力、力矩和压力值。

定性实验是指流态显示实验，如烟流法、丝带法、油膜法、激光流态显示法等。

通过流态显示实验能直接观察流场，对流场进行定性分析，再结合六分力测量和压力分布测量等定量实验结果，就能够了解流场的流动机理，如涡流、分离现象等。

判断流场的气动特性。

2.4.2汽车风洞实验准则

（1）实验风洞应产生足够的均匀流场，其中包括均匀的风速分布和流向分布、低紊流度以及模拟路面的薄的边界层厚度。

（2）实验模型与实际汽车几何形状相似，模型既要保证几何尺寸的精度，又要具有一定的刚度。

模型按几何比例缩小，并具有足够精确的细部模拟，以保证各个重要的局部流场的真实模拟。

（3）雷诺数模拟。

雷诺数主要影响模型表面的附面层状态，即影响附面层的层流、紊流、转捩点的位置以及分离点的位置，从而影响模型的最小气动阻力系数Cdmin及最大升力系数Clmax，因此要求实验时的雷诺数尽量接近实车行驶时的雷诺数。

雷诺数是表征流体粘性对其气动影响特征的无量纲参数，它代表流体所受惯性力与粘性力之比，其数学表达式为：

（2.1）

式中＿＿流体密度；

＿＿流体粘性；

＿＿物体特征长度；

＿＿速度；

由于风洞中的工作介质是空气，其温度与大气相差不大，因此空气密度p、粘性u与大气也相差不多。

由式（2.1）可知，要使实验时的雷诺数与实车行驶时相等，应使v、L相等，即模型的尺寸比实车缩小多少倍，应使实验风速增大增大多少倍。

但是，由于风速的提高受到压缩性的限制，这就限制了雷诺数的提高。

又由于风速的提高，气流的能量损失迅速增大，消耗的功率也急骤增大，因此一般的实验风洞很难做到实验时的雷诺数与实车行驶时的雷诺数相等。

为了满足雷诺数相似要求，通常要求基于汽车模型长度的雷诺数不小于，该值被称为临界雷诺数。

除雷诺数效应外，在高速气流试验的情况下，还存在压缩性的问题，但对汽车风洞实验可认为不存在压缩性的影响，因此可在此条件下进行汽车空气动力学实验。

（4）尽量排除风洞实验中的支架及洞壁的干扰。

为了限制洞壁干扰的影响，一般汽车模型在横摆角为零时的正面投影面积不超过试验段横截面积的5﹪，高度不超过试验段高度的30﹪，在有横摆角的情况下，模型的宽度应小于风洞宽度的30﹪。

如果超过其上述数值，则要对其洞壁干扰修正，以达到消除洞壁干扰的目的。

（5）风洞流场的动态校准。

模型放置在风洞之前，应对空风洞进行流场的动态校准。

要测量试验段横截面的紊流度、地板上的静态压强、轴向静压梯度、横向气流偏角、纵向气流偏角、气流均匀性等流场特性以及放置模型前缘位置的地板边界层厚度。

2.5本课题采用的模型尺寸

根据实验需求，模型尺寸1：

5比例尺寸，实验车型选择长安轿车——“志翔”作为试验车，该车的基本参数如下表2.1、图3.2所示；

基本参数

长/宽/高（mm）

4600/1800/1475

轴距（mm）

2650

轮距（前后）（mm）

1500/1487

最小离地间隙（mm）

138

油箱容积（L）

58

表2.1

图3.2

对于本文的研究，空气密度,大气压力为标准大气压，试验风速

测定模型风洞的损失系数，进而求出能量比。

（1）运用理论和经验公式，逐段计算风洞的各部件的损失，从而得到风洞的总损失，由此确定风洞的能量比。

由式（3.16）推出风洞所需要的功率：

（3.17）

现只要求出风洞每一段的当量损失系数，就可以求出风洞的能量比。

下面分别计算每段的当量损失系数：

（1）试验段损失

试验段损失系数就是当量损失系数，对于试验段为非圆截面，则以水力直径代入。

管道的水力直径为

（3.18）

式中，S为截面积，C为截面积周长。

试验段的损失系数