搜索风洞与空气动力学剪不断的关系
2018-06-02 by:CAE仿真在线 来源:互联网
在地球上,一物体在空气或者其他流体中作相对运动时,当中所产生的“风阻系数、Cd值”是你我他尽知的字眼,也可以高逼格地说上一句“空气动力学”。
那,这跟风洞测试有什么关系?关系可是杠杠滴,当物体通过风洞测试后将会得出一系列的实验数据(光是受力特性就有:升力、阻力、横向力等等,以及气体流动的变化情况等等),让那高逼格的空气动力学得以实现。
世界上公认最早的风洞出现在19世纪末(1869~1871年),由英国人韦纳姆(E.Mariotte)研究发明,后来飞机发明者美国莱特兄弟也在1900年、1901年前后均对他们的飞机进行风洞测试。可以说当年的风洞测试和空气动力研究大多数是与航空领域有关。
图:飞机发明者美国莱特兄弟对他们的飞机进行风洞测试
图:法国人Gustave Eiffel就曾在1909年建造出第一个直流开放式风洞
随后就是在第二次世界大战(1939~1945年)建有大型风洞,而在美苏冷战时期,这类型的大型风洞测试更具有重要战略性意义,当中出品不乏有超音速战机和作战导弹。在此过后的发展中风洞测试就自成一体,不再是单单地为飞机、航空领域服务。1960年第一个全尺寸实车专用风洞测试由英国MIRA建造并投入使用,除了汽车之外,现今的风洞测试还关系到高楼建筑、运动员装备、航船等等。
图:北美的XP-51B战机进行去掉外翼时的风洞测试
图:在0.04马赫(约为50km/h)至0.58马赫(710km/h)(图中左至右是0.04马赫、0.4马赫、0.58马赫的测试情况)的风速区间段对人体进行风洞测试,当时的飞行员提供测试数据。
图:风洞测试就不再是局限于飞机,还将会涉及太空设备、汽车、高楼大厦建筑。
图:1960年第一个全尺寸实车专用风洞测试是由英国MIRA建造设计,图中大家所见到的白色气流是由于加入有烟雾,让高速气流可视化。
近年来,像是举行的2016里约奥运会,空气动力学也大派用场。来自捷克的斯柯达车厂,运用汽车空气动力学的技术协助捷克奥运自行车选手Pavel Kelemen夺金。不同于上述的风洞测试,运用的是150台高解析度相机来建立骑乘时的3D模型,再运用CFD电脑模拟不同骑姿的风阻,这样一来即可找出最小风阻的骑姿。不仅仅是斯柯达,像是BMW也以自动驾驶的侦测技术协助美国泳队在本届奥运夺冠,此前Ferrari也曾协助过英国和意大利运动代表队。
而我国也早在1937年清华大学(当年开设有航空工程课程)就建造有国内第一个风洞,1947~1948年期间继而建造有铁壳风洞,气流速度达40~50m/s。1949年之后,哈尔滨军事工程学院、北京大学等都相继建造了低速风洞。为了加速发展中国的航空航天事业,根据力学家钱学森、郭永怀的构想,国家于1965年在四川组建了高速空气动力研究机构,随后又相继迅速组建了超高速和低速空气动力研究机构。而在1968年新中国成立后,位于川西山区的“中国空气动力发展与研究中心”建成,并称装备有亚洲最大的风洞群,如:歼-10战机、神舟系列航空工程、和谐号高速列车等均在此进行风洞测试。四十多年来,中国空气动力研究与发展中心建造了数十座高质量的风洞,其规模堪称亚洲之最,为我国航空航天事业的发展做出了突出的贡献。
图:国内的风洞测试除了涉及军事项目外,还涉及有高速交通工具等民生工程。
图:C919中型客机是国内首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机,图上所见的是研发期间对比例模型进行声学风洞测试,以检测飞行过程中的风噪。
图:目前国内大大小小的风洞测试实验室众多,大多数置身于国内的大学校园。
至今,风洞技术已有100多年历史,当中的结构组成也大致相似。目前风洞的分类有多种,假若按照流场气流速度大小区分共有两大类:低速风洞(气体流动速度为0.4马赫,约为480km/h)、高速风洞(气体流动速度可达0.4~>5马赫,1马赫即1倍音速),期间高速风洞又包含:超音速风洞(Supersonic wind tunnel)、高超声速风洞(Hypersonic wind tunnel)、亚音速风洞(Subsonic wind tunnel)和跨音速风洞(Transonic wind tunnel)。而像是汽车风洞测试之类采用的是低速风洞,而像是飞机、导弹、航天工程等采用的是高速风洞测试。
其中早期汽车用的风洞大多是从航空风洞改造过来,而当中的许多空气动力理论和概念也是从航空力学延续过来的,所以目前分有三大类风洞结构类型:直流式、回流式和立式风洞。
直流式风洞:
图:直流闭式风洞,气流通过试验段后直接排到大气中,虽结构简单但不易保持恒定的空气温度和湿度,以及气流稳定性差、噪声大。
图:宾尼法利纳的直流开式风洞,半开式试验段为保持有稳定气流。
回流式风洞:
图:回流闭式风洞,空气温度、湿度、噪声等较佳,但也需要冷却系统降温(快速流动的空气分子摩擦),换言之建造成本费用高。
图:回流3/4开口式风洞,试验段为开口设计能在测试时较好地模拟周围气体流动的情况,获得相对准确的测试结果,但也由于此原因会带来涡流和气流能量损耗。
图:回流槽壁式风洞,在风洞管道周围装有平行槽,用意是减少空气流动阻塞。
立式风洞:
图:立式风洞一般常见于汽车环境风洞(模拟风雪雨等气候环境),占地面积少是特点所在。
现今大多数风洞均采用回流式设计,当中的封闭管道是从小扩大,再由大缩小的循环回路,好处是为了减少空气传输时的能量损失,不然全尺寸相等的封闭管道会有边缘气流堆积、高速时气流也会与通道边缘有更大摩擦。
更具体的风洞组成则有:收缩段、试验段、扩散段、稳定段(蜂窝器、阻尼网)、动力段(电机、风扇、整流罩、预扭导流片、止旋片等)、拐角段(拐角导流片)、散热段。其实这一大堆零部件的出现,不过是想让风洞测试更加高效、让测试数据更接近真实情况。
图:在循环风道中,在风道的拐角处见到的导流片主要是为了解决涡流问题。
图:为避免风洞电机的运行震动影响被测试对象,像是F1的风洞就在固定电机的混凝土块与承托混泥土块之间设计有弹性元件滤震。
从风洞的发展历史可以看出其与空气动力学密不可分,风洞的产生和发展首先是同航空航天科学的发展紧密相关的,而后风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律,以验证和发展有关理论,并直接为各种飞行器的研制服务,通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如,50年代美国B-52型轰炸机的研制,曾进行了约10000小时的风洞吹风实验,而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约100000小时的风洞实验。包括测量在不同姿态、不同速度、不同大气条件下的阻力、升力和压力分布。随着现代科学发展的整体化趋势的出现,空气动力学特别是低速空气动力学已跨出航空航天领域,正在向国民经济各个领域渗透,发挥越来越大的作用,并逐步形成了一门新兴的边缘学科——工业空气动力学(Industrial Aerodynamics),风洞的应用范围愈益广泛,包括降落伞、船帆、球类、标枪、铁饼、汽车、建筑物、桥梁、奥运火炬、风车、通风机、冷却塔等等,凡是在空气和风中的行为不清楚的,都需要在风洞中试验和研究。
举例来说,在1940年建成的美国西北部一座跨海湾的吊桥,即长853.4m的塔科马 (Tacoma) 大桥,建成后不久,由于同年11月7日的一场不大的风(仅每秒19m)引起了振幅接近数米的“颤振”,在这样大振幅振荡下结构不一会儿便塌毁了。事后的风洞研究发现了这座桥在设计上的问题,这是以往设计桥梁的土木工程师们所没有预见到的。自此之后,凡是设计跨度较大的吊桥,都必须进行风洞模型试验,和对桥梁所受的空气动力进行详细的论证。
在气流中的物体,所受气流的迎风阻力f,公式为:
图:汽车风阻系数最小0.22Cd值
但现今在汽车风洞测试中除了讲求低风阻系数外,还需要考虑到整车的热交换管理、风噪处理,以及高速行驶时车身不稳定现象等,换言之更加讲求整车高效空气动力的表现,而这就有赖于外观包围套件和车身设计。
为了能相对更接近地得到车辆实际上路后的表现,车厂会进行比例模型风洞测试(模型比例通常有:1:2、1:2.5、3:8、1:4、1:5、1:10)、1:1实车风洞测试、声学风洞测试和环境风洞测试,一系列过后收集数据、综合分析再通过计算机运算,再逐步修改当中的车身造型设计、空力包围套件、扰流导流板。
量产民用车利用风洞测试后,可以改善风阻系数。而对于赛车来说的风洞测试又是怎样的呢?,烧钱是各车队每年早料到的事,但前提是能有那么一套空力套件产生下压力的同时不增加空气阻力,就好比F1赛车。而大致上用于测试F1赛车的风洞没多大不同,唯独是各车队会根据所需选用不同类型的风洞。F1赛车的空力套件在风洞测试中会在一定范围内控制气流压力和温度等,实际比赛时能紧紧咬合地面。
图:扩散器的工作原理涉及到文丘里效应。根据文丘里效应,流体经过缩窄断面时,流速会增加,车底部分相当于文丘里效应中的缩窄断面。而且要说明的是,真正形成下压力的区域是车底,而非扩散器,因为根据上面的CFD图,气体流速最快的部分是扩散器前面的车底部分,扩散器的作用只是帮助车底形成一个文丘里式的缩窄断面。
车的风洞没多大不同,唯独是各车队会根据所需选用不同类型的风洞。F1赛车的空力套件在风洞测试中会在一定范围内控制气流压力和温度等,实际比赛时能紧紧咬合地面。
除了提供有下压力外,F1赛车还可以通过空气动力套件减少下压力超车,就好比DRS可调尾翼在调平状态下大约能增加80匹马力。总的来说,不管是为了娱乐观赏性还是真刀实枪,F1赛车还有众多复杂的有关空气动力学的套件,而这一切均需要风洞测试得以实现。当然FIA也明白,也在不断地修改F1赛车风洞规则,只可用不大于原车尺寸60%的模型测试、180km/h风速限制、即便是上限12套倍耐力轮胎也是规则指定内。大尾翼、风刀、前后扰流、包围、侧裙等等是现今不少改装玩家、赛道玩家都听闻过的,像是World Time Attack Challenge(简称WTAC)赛车都会装上这类的空力套件,而这无非也是想获得更大下压力和引导气流降低风阻。
其实对于赛车而言,进行风洞测试无非是想在下压力和空气阻力之间找出相对较佳的平衡点,当然最好的情况是增加下压力减少阻力,因此诞生有各类的空力套件。但是至今有不少知名车厂(尤其是法拉利),其民用车型即便原厂没有大尾翼、风刀之类的,可风洞测试中却能提供足以称赞的下压力。
上文中我们不难理解风洞测试对汽车技术、发展的重要性意义,但上文也讲述了投入设计、建造风洞所需要巨大的资金财力,所以在后来催生出仿真、虚拟计算机风洞测试。虽然说是计算机虚拟仿真,但像是飞机、航空、F1赛车、量产民用车等均进行有仿真计算机风洞测试。
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