你了解汽车风洞吗？

我们推出的“世界先进汽车风洞”系列文章，给大家介绍了一些先进汽车风洞所具备的试验能力和技术指标。但你了解汽车风洞都有哪些部件吗？它们的作用是什么？它们有哪些分类？本期，“汽车风洞技术”科普系列就带您全面了解汽车风洞。

汽车空气动力学的研究一般是采用理论分析、数值模拟和风洞试验相结合的方法。其中风洞试验是最普遍、有效的方法，在汽车外形设计、整车热管理开发过程中是必不可少的环节。同时风洞试验也是发现新的流动现象、验证数值模拟和理论研究的重要手段。

FKFS汽车风洞中对车轮附近流场进行研究

汽车风洞就是在按照一定要求设计的管道系统内，使用动力装置驱动一股可控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行空气动力学试验的设备。

其实说的简单一点，风洞就是一个人工造风的管道。如果你愿意，你完全可以在家里手工DIY一个小型风洞，就如下图：

家庭教学风洞

或者更简单一点，使用家庭电风扇和几个废纸箱：

手工风洞步骤1：材料准备

手工风洞步骤2：大功告成

只是这样搭建的风洞估计是不能够保证试验数据的准确性和可重复性的。那么我们就来看一下真正的汽车风洞是什么样子的。

一、汽车风洞的类型

1、汽车模型风洞

模型风洞主要用于进行汽车比例模型(模型比例通常有：1:2、1:2.5、3:8、1:4、1:5、1:10)的风洞试验和大量气动造型前期“空气动力学调谐”阶段的试验，具有投资低，运行经济、测量方便等优点。

但由于流场一般不能与实车运行时的流场完全相似，且模型难以真实模拟汽车表面细节、汽车内流以及车轮转动等，难以获得与实车相一致的试验数据，必须对试验结果进行校准和修正。

2、汽车空气动力学整车风洞 
空气动力学整车风洞可对汽车整车或1:1整车比例模型进行空气动力学试验。
整车风洞基本可以满足试验所要求的各种条件，其流场与实际情况具有较好的相似性。所获取的数据也十分可靠准确，基本可以不考虑雷诺数的影响，在小阻塞比的情况下，其试验结果也不必做过多的修正。但造价较昂贵、运行维护费用高。

3、汽车气动-声学风洞
相比空气动力学整车风洞，气动-声学风洞对风洞的噪声源进行了消声处理，对试验区域的背景噪声有严格的要求，其驻室一般为半消声室设计，具备汽车声学测量的条件。但其造价和试验成本也是最高的。

4、汽车环境风洞
汽车环境风洞又叫气候风洞，可模拟各种实际气候环境，如降雨、降雪、高温、低温、日照、结冰等，可用于汽车整车发动机热管理、空调系统、汽车水管理等汽车热力学开发任务。
环境风洞中一般安装有雨雪高低温阳光模拟等设备，其喷口一般可调节，以满足不同车型的测试要求。

二、汽车风洞的基本结构形式
汽车空气动力学的许多理论和概念都是从航空动力学延续过来，早期的汽车风洞也大多是从航空风洞改造过来的，因此汽车风洞的结构形式也与航空风洞类似。一般可分为：直流式、回流式、立式风洞等几种形式。
1、直流闭式风洞 
直流式风洞直接从大气中吸入空气，气流通过试验段后，直接排到大气中去。其试验段为封闭式试验段。这种风洞结构简单，制造成本较低。
当真实汽车在其中试验时，也不需要专门抽除发动机所排出的废气，但是这种风洞所用风扇电机功率大，不易保持恒定的空气温度和湿度，风洞内的气流流场品质较差，噪声高。

2、直流开式风洞 
其与直流闭式风洞的区别就是其试验段为半开式的空间，其在一定程度上可保持气流的稳定性。

3、回流闭式风洞
相比直流式风洞，回流式风洞中的空气基本上是在闭合的回路中运行，因而其能量损失小，风机所需功率小，容易保持恒定的空气温度和湿度，运行成本相对较低，噪声小。
但是其结构复杂，建造成本高，当运行时间较长时，需要装置冷却系统降温。其试验段为封闭的，一般常见于汽车模型风洞中。

4、回流3/4开口式风洞 
相比闭口式风洞，3/4开口式风洞由于其风洞的阻塞比较小，能够比较好的模拟试验汽车周围的流场，从而获得较为准确的试验结果。
回流3/4开口式汽车风洞是目前新近建设的汽车整车风洞中最常见的结构。但由于在驻室内喷口射流会与驻室内周围气流混合，会带来一些能量损失和涡流，对风洞运行带来不利的影响。

5、回流槽壁式风洞
回流槽壁式风洞是介于闭式风洞和3/4开口风洞的一种风洞，它在试验段上壁和两侧壁上开出若干条平行槽，减小了试验段的阻塞效应以及洞壁对模型的干扰。
试验段的通气特性取决于开闭比（开槽面积与试验段壁面总面积之比）。随着模型大小的变化，所要求的开闭比也会不同，因此要求风洞有可变开闭比的系统，因此使得风洞的设计和加工技术较复杂。

6、立式风洞
立式风洞一般在常见于汽车环境风洞中，其具有占地面积小的特点。另外由于环境风洞需要模拟降雨和降雪等环境条件，采用立式风洞布局，可防止试验区域内的雨雪沿风洞流道，流到下游的风机等部件，对风机等带来损伤。在这一点上，立式风洞具有先天的优势。

三、汽车风洞的部件构成
汽车风洞洞体主要由收缩段、试验段（驻室）、收集口、扩散段、动力段、拐角段、稳定段、蜂窝器、阻尼网、换热器、拐角导流片、风机、整流罩、预扭导流片、反扭导流片等部件组成。
下面我们将几个主要的部件给大家介绍下：

1、收缩段 
收缩段的主要作用一是加速气流，二是提高气流的流场品质，降低湍流度。
收缩段的性能主要取决于两个因素，一个是收缩比，即收缩段进口面积与收缩段出口面积的比值，一个是收缩曲线形状。一般汽车风洞的收缩比为K=2～4。收缩曲线一般有维氏曲线、三次方曲线、双三次方曲线、五次方曲线等。

2、试验段（驻室）
试验段是风洞的核心部位，试验对象、模拟的环境条件、测量仪器等都设置在这里。试验段的结构参数为：横截面大小、横截面形状、试验段长度。

试验段横截面积的大小，决定了所能进行试验的汽车模型的大小。为了尽量减少“阻塞效应”的影响，准确模拟自由大气中路面车辆的实际情况，要求试验段有效面积尽量大。对汽车模型风洞而言，试验段的阻塞比一般要≤7%。
在闭口试验段中横截面的形状一般有矩形、切角矩形等。

汽车风洞的试验段的外形通常有开口、闭口、流线型洞壁和开槽四种类型。

四种型式的试验段
另外在闭口试验段中，由于气流的边界层影响，导致沿气流方向壁面边界层厚度逐渐增加，这就使得气流有效截面积逐渐减小，流速增加，会产生一个负向的轴向静压梯度，使得试验模型受到一个额外的方向向前的水平浮力作用。因此在闭口试验段都会有约0.5°的扩散角。
3、扩散段
扩散段的作用是通过风道横截面积的增加，降低风洞中气流的速度，将试验段出口处的动能最有效的转变成压力能，从而降低能量损失。它一般位于试验段的后面，其扩散角一般不超过5°～6°。

4、稳定段 
稳定段的作用主要是消除旋涡、稳定气流状态。在稳定段中通常安装有阻尼网和蜂窝器。
阻尼网一般采用直径0.3mm的金属丝编织而成，相邻钢丝之间的距离为1.27mm。阻尼网主要用以将气流旋涡转换成大量的能迅速衰减的小旋涡，因此虽然在离网很近的距离内，会增加紊流度，但离开网一定距离后，气流的紊流度会大大降低。
蜂窝器一般由一定宽度的金属薄片制成用以消除气流的低频脉动以及和阻尼网一起消除空间的不均匀性。由于蜂窝器在沿风洞轴线方面有一定的宽度，故而可以减少气流速度对于风洞轴线的倾斜脉动。

5、动力段 
动力段是风洞的动力源。它的作用是不断为风洞中的气流补充能量，以保证气流以一定的速度恒定地在风洞中流动。
动力段内一般有电机、风扇、整流罩、预扭导流片、止旋片。安装在风扇前的导流片和装在风扇后的止旋片都是用于消除风扇所造成的旋流，从而改善气流的状态，提高流场品质。

6、拐角段 
在回流式风洞中，由于气流沿洞体循环360°，因此需要在设置四个拐角段。一般气流在流经拐角时会发生气流分离，形成涡流，带来能量损失，一般来说，四个拐角的能量损失约占风洞总损失的40-60%。
因此在拐角内一般安装有拐角导流片，以避免气流分离，降低能量损失。另外在声学风洞中，还会对导流片进行消声处理。

7换热器 
在汽车风洞进行气动力测量试验时，需要对风洞内温度进行控制，这就需要使用换热器。其作用为保持风洞内部温度在恒定的范围内，保证试验测量结果的准确性和可重复性。一般汽车风洞内温度要求稳定在25℃附近。