第七章汽车空气动力学试验课件.ppt
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1、汽车空气动力学,汽车空气动力学研究所胡兴军,2010年4月9日,汽车空气动力学试验,7.1 汽车空气动力学试验的重要作用7.2 汽车风洞7.3 汽车空气动力学试验的基本方法7.4 汽车风洞试验技术7.5 风洞试验测试仪器7.6 流态显示试验方法 7.7 汽车风洞试验模型 7.8 空气动力学道路试验,2010年4月9日,7.1 汽车空气动力学试验的重要作用,1.从绪论中提到空气动力学是一门试验科学,许多结论都来自试验数据的分析和推理。(先有试验,后有理论,然后再通过理论指导实践)2.尽管基于流体力学的航空空气动力学对汽车空气动力学有一定的指导作用,但由于汽车周围流场存在着复杂的气流分离现象,难以
2、象飞机那样进行模拟计算,因此汽车的空气动力学研究主要以风洞试验为基础。好处:1.通过试验揭示汽车周围复杂流场的流动本质 2. 验证汽车空气动力学理论分析和数值计算结果,二、汽车空气动力学开发程序(设计步骤),汽车设计过程中的空气动力学程序,Audi100C3,2010年4月9日,7.2 汽车风洞,汽车风洞是一种按一定要求建造的管道。它利用动力装置产生可以调节的气流,能够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试验。,2010年4月9日,风洞发展历程,1.国外风洞概况 1871 英国 弗兰克 H 维纳姆(Hrank H.Wenhan )建造了世界上第一座风洞。 莱特兄弟(美)利用风洞
3、发明了世界上第一架实用飞机 埃菲尔(法)开口式 普朗特(德)闭口回流,哥廷根空气动力研究院 美国NASA(Ames),世界最大风洞,24.4m36.6m, 苏联,日本,2010年4月9日,2.国内风洞概况,1936年,清华大学建成国内第一座风洞1958年,哈军工1978年,CARDC,亚洲最大风洞,8m6m,12m16m1999年, CARDC,建成具有世界规模的跨声速风洞 2004年,吉林大学,国内首座汽车专用风洞2007年,同济大学,国内首个地面交通工具风洞中心 ,中国空气动力学的掌门人:庄逢甘,2010年4月9日,2010年4月9日,汽车风洞分类,直流式风洞(吸入式和吹出式)优点:结构简
4、单,成本低。 缺点:风扇功率大,空气温度、湿度难以保持恒定,流场品质受外界干扰。,直流式风洞又称为艾菲尔式风洞,返回,2010年4月9日,汽车风洞分类,回流式(哥廷根式)风洞优点: a)风扇功率小(气流能量可以再利用) b)空气温度和湿度可以保持恒定。 缺点: 结构复杂,占地面积大,建造成本高,返回,2010年4月9日,汽车风洞分类,按照试验段的型式,闭式,半开式,开式,半开式(槽壁式),开式,闭式,闭式,2010年4月9日,表征风洞特征的基本参数,试验段的最大气流速度试验段的横截面积 试验段流场性能(风速均匀性,紊流度等),2010年4月9日,世界主要风洞参数表,2010年4月9日,世界主要
5、风洞参数表,2010年4月9日,汽车风洞的外观,2010年4月9日,同济大学汽车风洞,总投资近5个亿。,两座风洞: 空气动力学低噪声整车风洞 A=27m2 热环境整车风洞 A=7/14 m2,2010年4月9日,莱特兄弟的风洞,2010年4月9日,直流式风洞的主要组成,收缩段,扩压段,动力段,试验段,稳定段,2010年4月9日,回流式风洞的主要组成,收缩段,扩压段,第一拐角,导流片,第二拐角,扩压段,第三拐角,第四拐角,动力段,试验段,稳定段,调压缝,2010年4月9日,试验段整个风洞的核心,2010年4月9日,试验段截面气动外形的选择原则,在满足试验要求的前提下,采用最小的截面面积,以减小主
6、电机功率;在给定截面面积的情况下,其截面特性应尽可能有利于复现汽车模型的绕流特性,以使风洞的洞壁干扰降至最低。 阻塞比模型的正投影面积/试验段横截面积,2010年4月9日,试验段的截面形状,截面A是航空风洞常用的截面外形,为对称的切角矩形截面B为半圆形截面C为非对称切角矩形(C截面和B截面的面积相等)。 B、C 较适合汽车风洞试验,2010年4月9日,转盘,大转盘:模拟侧风或转弯行驶偏心小转盘:调节轮距和轴距,2010年4月9日,地面效应吸除装置,返回,2010年4月9日,调压缝(孔),功用:向风洞内补充空气,以保证试验段的压强与风洞外环境的大气的压强基本相等,返回,扩压段,功用:使气流减速,
7、使动能转变为压力势能,以减少风洞中气流的能量损失,降低风洞工作所需的功率。风洞的能量损失随速度的立方变化,A小V大动能大,A大V小压力势能大,安全网,返回,2010年4月9日,拐角与导流片,气流必须转360度,理论上弯道越缓越好,但占用空间太大气流能量在四个拐角的损失约占整个风洞能量损失的30%到50%,其中尤以第一和第二拐角的损失为大。导流片减少漩涡,降低能量损失。(还可以降低噪音,甚至还可以使风洞冷却 ),返回,2010年4月9日,动力段风洞的心脏,功用:向风洞内的气流补充能量,以保证气流以一定速度运转。组成:动力段外壳(圆截面管道)、风扇、整流罩、预扭导流片和反扭导流片,通用风洞试验段截
8、面积:65.9 m2单回流闭口风洞;最大风速:240公里/小时收缩比:5.0;电机功率3356KW (2003) ,叶片直径:13.1m,动力段(风扇段),2010年4月9日,动力段(风扇段),2010年4月9日,动力段,风扇:由电动机驱动,通过转动来维持整个风洞洞体内部气体流动的能量电动机:电动机一般可装在整流罩内;也有的风洞把电动机装在风洞之外,用长轴传入而带动风扇旋转 整流罩:使风扇前后保持流线型,改善气流的性能,尤其是防止分离。预扭导流片:使气流预先有相反方向的旋转,在设计状态下,经过风扇后恢复为轴向流动。支承整流罩。反扭导流片 :可将气流经过风扇后的旋转动能转变为气流的压力能。,返回
9、,2010年4月9日,稳定段 使来自上游紊乱的不均匀气流稳定下来,使漩涡衰减,使气流速度和方向均匀性提高。,整流器(蜂窝器): 由许多方形、圆形或六角形的等截面小管道并列组成 功用:导直气流,加快漩涡的衰减。整流网(纱网、紊流网): 功用:加快漩涡 的衰减 整流网的层数:25,返回,2010年4月9日,收缩段 使来自稳定段的气流均匀的加速,并有助于试验段的流场品质(气流的均匀性、紊流度等)得到改善。,收缩比k: kA1/A0 , A1:进口的横截面积 A0:出口的横截面积,收缩比越大,流场品质越好;但是增加了建设成本。,2010年4月9日,7.3 汽车空气动力学试验的基本方法,一、试验基本方法
10、(1)模型风洞试验法测量方法 1:10,1:5或全尺寸模型,以便于修改模型不动,空气流过模型优点:易于控制试验条件,费用低。缺点:流场相似性差,特别是洞壁和支架会对模型产生干扰,实验数据需要修正。,2010年4月9日,(2)实车风洞实验,优点:测量准确性高。缺点:费用高,在设计阶段无法进行。,2010年4月9日,(3)实车道路试验法,1.滑行试验测最小阻力系数 2.侧风试验横向稳定性 3.流态显示试验绕流特性(汽车周围流场性质)优点:理论上讲,实车道路试验最接近实际使用情况缺点:实验条件不易控制,测量不方便。如:选择合适的路面和环境不容易。实验设备安装在车上,易受震动,数据不精确。新车没有试制
11、出之前,根本不可能进行,2010年4月9日,二、测量方法,风洞试验的测量方法主要有以下几种:1.天平测力法2.压强分布测量3.流动显示法4.流场测量法 5.专项风洞试验,2010年4月9日,专项风洞试验,(1)冷却风洞试验:根据烟流的流入量,测定实车用冷却风量。(2)发动机冷却试验。(3)刮水器上浮试验:车速80km/h时,前风窗刮水器出现上浮现象。影响因素: a.前风窗表面流谱 b.刮水器倾斜角度 c.刮水器断面形状 d.杆臂压力分布,2010年4月9日,(4) 泥土附着试验(5) 泥土上卷试验(6) 风噪声试验(7) 驾驶室内通风、换气试验。(8) 空调试验(9) 环境试验:风洞中再现雨、
12、雪、风霜 自然环境。 其他试验:气密性、车窗玻璃(车身板制件)振动等。,专项风洞试验,2010年4月9日,7.4 汽车风洞试验的准则与规范,一、风洞试验准则二、测定力、力矩及表面压力的要求 三、横摆角的模拟四、雷诺数效应测量五、发动机冷却系的阻力效应测量六、风洞试验数据修正七、地面效应模拟,2010年4月9日,一、风洞试验准则,汽车风洞实验要取得准确可靠的结果,必须满足以下准则:1. 足够的均匀流场2. 几何形状相似3. 雷诺数相似4. 尽量排除风洞试验的支架干扰以及洞壁干扰5. 风洞流场的动态校准,2010年4月9日,1.风洞要有足够均匀的流场,流场品质影响测得的CD值,如:阻塞比的影响风速
13、分布的均匀性 紊流度纵向静压梯度的影响地面附面层的影响,2010年4月9日,1.风洞要有足够均匀的流场,流场品质影响测得的CD值,如:阻塞比的影响风速分布的均匀性 紊流度纵向静压梯度的影响地面附面层的影响,2010年4月9日,2.几何相似:,试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。,2010年4月9日,3.雷诺数相似,雷诺数是表征流体粘性对其流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:,式中,一般风洞中的工作介质是空气,所以 与 和大气中的相
14、差不大。要想使试验时的雷诺数与实车行驶时相等,应使 与 的乘积相等,即模型的尺寸比实车缩小多少倍,应使试验风速增大多少倍。,2010年4月9日,3.雷诺数相似,由于风速的提高受到压缩性的限制,它也使气流的能量损失迅速增大,消耗的功率也增大。所以一般风洞试验很难做到试验时的雷诺数与实车行驶时的雷诺数相等。对于汽车风洞试验。一般试验雷诺数的范围是:5106Re1.5107在此范围内,气动阻力系数不随雷诺数改变,故可满足风洞试验的要求。,49,可编辑,2010年4月9日,4.尽量消除模型支架干扰和洞壁干扰,在横摆角0时的正投影面积不超过试验段横截面积(地板以上的面积)的5%;模型高度不超过试验段高度
15、30;模型在其位于最大横摆角时的前视投影宽度不超过试验段宽度的30%,正投影面积不超过试验段横截面积的5%。,2010年4月9日,5. 风洞流场的动态校准,试验模型放置在风洞之前,应对空风洞进行流场的动态校准。在风洞地板上将要放置模型的位置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。风洞动态压强测量系统必须用精确地放置于模型长度中点和宽度中点的静压皮托管进行标定。,2010年4月9日,二、测定力、力矩及表面压力的要求,风洞试验主要是测定沿汽车纵轴且与横摆角存在函数关系的气动阻力的平均值及另外5个
16、分量,要求将测定的力和力矩都简化成系数形式。采用图2-1所示的坐标系,而对于汽车列车,其坐标系如图7-14所示。空气动力和压力的采样时间应足够长,以便能获得可靠的测量结果,数据重复性应在1以内。,图2-1,图7-14,2010年4月9日,三、横摆角的模拟,风洞试验时,借助于模型相对气流方向的横摆角近似模拟环境风。横摆角的范围应在1520,横摆角的变化增量应在25范围内。每次试验的开始和结束都应进行0横摆角的试验。,2010年4月9日,四、雷诺数效应测量,在测量气动力和力矩时,应进行雷诺数效应的测量。雷诺数测量试验应在0横摆角情况下进行,并且至少应有一个气流速度超过风洞气流速度范围。另外,为了避
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