陈军;王勇;石锋;周龙
【摘 要】汽车风洞在汽车气动造型设计、减小风阻、降低能耗等方面起着关键作用。由于汽车风洞的有限尺寸，其空气动力学性能受多种因素的影响，影响因素主要有阻塞、边界层、压力梯度、压力脉动等。其中有些因素必须进行合理设计；有些因素影响风速的确定，需要对风速的进行标定；有些因素对车辆空气动力学性能测量有较大影响，需要对测量结果进行修正；有些影响因素虽然不能物理消除，但是通过调试校准可以获得更理想的结果。其中合理设计、正确的标定和校准是确保测量结果准确性的前提，必须在风洞设计、建造和调试阶段充分考虑，是对风洞使用过程中测量结果的提前修正；对测量结果进行经验修正，可提高准确度。%Automotive wind tunnel plays key roles in the aspects of vehicle styling design, decreasing drag, reducing energy consumption, etc. For the limited size of an automotive wind tunnel, its aerodynamic performance is influenced by many factors, such as blockage, boundary layer, pressure gradient, pressure pulsation, etc.. Some of them must be designed properly. Some factors influence the wind speed determination, and the wind speed should be calibrated. So
me factors influence the measurements of vehicle aerodynamic forces and moments, and the measurements should be corrected. And the others are inevitable, but can be adjusted to gain better results during the course of commissioning. Proper design, correct calibration and adjustment are preconditions to gain accurate measurement results and should be fully considered in the phases of wind tunnel design, construction and commissioning. Empirical corrections of the measurement results should be taken to improve the accuracy.
【期刊名称】《汽车实用技术》
【年(卷),期】2016(000)003
【总页数】5页(P3-7)
【关键词】空气动力学;汽车风洞;风洞设计;标定;修正;阻塞;边界层
【作 者】陈军;王勇;石锋;周龙
【作者单位】中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122;中国汽车工程研究院股份有
限公司，重庆 401122;中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122;中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122
【正文语种】中 文
【中图分类】U461.1
10.16638/jki.1671-7988.2016.03.002
CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-03-05
汽车空气动力学-声学风洞主要用于车辆的空气动力学参数及风噪声测量，在车型开发过程中起着非常重要的作用。由于汽车风洞的尺寸限制，必然导致阻塞效应、边界层效应的产生，同时不可避免地出现压力梯度、侧洗流与测试段边界相互作用以及压力脉动、气流偏角等现象，从而造成汽车风洞中模拟出的风环境与自然界的真实风环境存在一定的差别，影响汽车风洞的空气动力学性能并导致测量结果的偏差。对影响汽车风洞空气动力学性能的因素进行合理的设计及其相关的标定、校准和修正是风洞设计、建造、调试、验收和使用过程中必不可少的重要工作。
阻塞效应是在车辆置于风洞中时，由于喷口和测试段的有限尺寸而产生的气流效应。其量化指标可用阻塞比来表征，阻塞比是车辆正投影面积和喷口面积的比值。
阻塞效应是汽车风洞最主要的物理负面效应，它很大程度上决定了汽车空气阻力系数的测量误差的大小。因此，为了提高汽车风洞的空气动力学性能，首先要解决好阻塞问题。
汽车风洞中的阻塞效应可以通过势流模型[1]来表示。见图1。对于测量结果存在着喷口阻塞、收集口阻塞和射流边界阻塞三种阻塞效应[6]。喷口阻塞是由于喷口有限尺寸造成的。收集口阻塞是由于收集口的有限尺寸造成的。射流边界阻塞是因为风洞测试段的有限尺寸造成的。
因此，如果要得出准确的测量值，需对风洞喷口、测试段、收集口、天平与喷口之间的距离等进行合理的设计以及在使用风洞的过程中进行适当的阻塞修正。同时，建造时还应重点考虑喷口、收集口和测试段等关键点的尺寸精度和位置精度。
1.1 通过风洞设计减少阻塞效应
风洞喷口面积越大，阻塞比相应越小。因此可以通过合理设计风洞喷口大小来进行减少阻塞
引起的测量误差。
车辆在实际路面上行驶，其阻塞比趋向于0。因此我们希望喷口尺寸越大越好，但是从建设的角度来考虑，汽车风洞设计阻塞比一般不高于15%。喷口尺寸一般设计为25m2以上。
风洞阻塞效应是风洞多种硬件和测试车辆组合的原因造成的[14,32]，这可以在风洞的设计阶段通过综合考虑喷口收缩比、收集口几何和尺寸、驻室尺寸、测试段长度以及天平中心距离喷口距离等因素的影响，最小化阻塞效应。其中，测试段的长度是由喷口出口平面至测试车辆尾端长度Lme、压力梯度范围的长度LG、尾流区域长度Lmw这三个长度决定，见公式（1）。
1.2 阻塞对阻力系数的影响及修正
在风洞使用过程中，可以进行测量结果的阻塞修正，提高准确度。
根据伯努利方程[2]（见公式22）和汽车阻力系数的计算方法得知（见公式14-15），对阻力系数的修正实际上是对动态压力的修正[6]。
根据图1所示的模型，动态压力的经验修正公式为：
公式2适用于喷口法”（The nozzle method）[2]，公式3适用于“驻室法”（The plenum method）[2]，其中，qc分别是修正后的动态压力；q∞为测量得出的参考动态压力；εS为射流边界的阻塞系数；εN为喷口的阻塞系数；εC为收集口的阻塞系数；εQN和εQP为风压系数[1]，分别对应“喷口”和“驻室”。εS与风洞截面的形状、模型（车辆）的体积、投影面积、长度和喷口面积及风压系数有关。其计算公式为：
其中：
AN为喷口面积，VM为模型体积，LM为模型长度，AM为模型正投影面积，B为测试段宽度，H为测试段高度。而风压系数又与喷口面积、模型投影面积、模型中心距喷口的距离XM以及喷口及其镜像的等效半径RN有关。
εN的计算公式[6]为：
式中，XM为模型中心距离喷口的距离。
εC的计算公式为：
式中，RC为收集口及其镜像的等效半径，LTS为风洞测试段的长度，εw为尾流阻塞系数。尾流阻塞包含气流分离诱导的阻力和气流与收集口的固壁表面摩擦产生的阻力。εw与模型（车辆）的尺寸、风洞测试段的截面积ATS、横摆角为零时的阻力系数测量值CD（0）uw以及横摆角β有关[8]。
根据公式10-13可以得出阻塞修正后的阻力系数CDc。式中：FD为测量得出的阻力，ρ为空气密度，CDm为测量得出的阻力系数，ΔCDB阻力系数阻塞修正量。
则：
1.3 由于阻塞引起的喷口压力梯度对阻力系数的影响及修正
由于风洞的有限尺寸，当车辆被置于风洞中时，与喷口相互作用形成了阻塞，在车辆位置处产生了附加的喷口压力梯度[9]，在趋势上增加了阻力。进行喷口压力梯度对阻力系数测量影响的修正非常必要。在汽车风洞中对阻力的实际测量中，“驻室法”（The plenum method）和“喷口法”（The nozzle method）均可采用，但必须加以修正[9]。关于这两种方法的异同详见2.4节。
对于“驻室法”，阻力修正量经验公式为：
对于“喷口法”，阻力修正量经验公式为：
公式中U∞为参考风速，UN为喷口处风速，UP为驻室中风速，AN为喷口面积。
由于风洞的有限尺寸和气流的粘性，气流产生分离导致一定厚度的边界层，而边界层效应的存在会导致通过车底的气流通量减少，为了补偿这个气流通量的减少，势必造成作用在边界层内的车轮等车辆部件的力矩的损失，从而造成空气动力学测量的误差[7]。
2.1 边界层控制系统的应用
汽车空气动力学风洞中采用的边界层控制系统一般情况下，可分为三级，第一级是位于喷口出口处气流的下游位置的水平抽吸系统，第二级是位于转台前端的垂直抽吸系统，第三级是位于移动带前端气流上游位置处的切向射流系统。而在环境风洞中由于对空气动力学性能要求不高，通常只采用一级边界层控制系统，即位于喷口出口处气流下游位置的水平抽吸系统。空气动力汽车
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