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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)是在市場(chǎng)的需求下，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的汽車風(fēng)洞進(jìn)行調(diào)研和分析，設(shè)計(jì)一座具有低湍流、可變湍流度、低噪聲等特色的小型車1：5風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。在風(fēng)洞的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其主要部件進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。風(fēng)洞建成后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)先進(jìn)的測(cè)量手段，除了能滿足模型的測(cè)壓、測(cè)速、流態(tài)觀測(cè)等教學(xué)外，還可以利用該風(fēng)洞進(jìn)行從事橋梁、環(huán)境污染等工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)研究工作。
進(jìn)行汽車研究，汽車風(fēng)洞是必不可少的試驗(yàn)設(shè)備。汽車風(fēng)洞建設(shè)對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展意義重大，沒有汽車風(fēng)洞，也不能很好推動(dòng)整個(gè)國(guó)家的汽車工業(yè)向前發(fā)展。而汽車風(fēng)洞的主要任務(wù)是正確模擬氣流流經(jīng)汽車車體表面的流態(tài)以獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確與否決定了汽車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的成敗。因此，汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)艽龠M(jìn)汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究，進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究將能夠給我國(guó)帶來巨大的燃油節(jié)省，具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：1：5；小型車；風(fēng)洞；低湍流；實(shí)驗(yàn)
ABSTRACT
This design is in the demand of the market , Through the domestic and international existing automobile wind tunnel research and analysis , Design with a low turbulence, variable turbulence intensity, low noise characteristic of small cars 1:5 wind tunnel laboratory . The design process in wind tunnel , Its main parts made detailed calculation. Wind tunnel after the completion of the , Combining the indoor advanced measuring method , Besides can satisfy model of speed, measure pressure, flow pattern observation on teaching outside , Still can use on the wind tunnel in Bridges, environmental pollution and other industrial air dynamics research work。
For vehicle research，Car wind tunnel is an indispensable test equipment。Car of automotive aerodynamics wind tunnel construction development is of great significance，No cars wind tunnel，Also can't very well put the national automobile industry of forward development。And car wind tunnel is the main task of the air flowing through the body right simulation of the surface flow pattern to get accurate experimental data，Experimental data accurate or not decided the aerodynamic shape design of success or failure。So，Car in wind tunnel experiments can promote the air dynamics research，F(xiàn)or automotive aerodynamics research will be able to give our country to bring the huge fuel savings，Has the very big economic benefit and social benefit。
Key words：1：5；Small car；Wind tunnel；Low turbulent；Experiment
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 概述 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 本課題設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容、研究技術(shù)路線 2
第2章 汽車風(fēng)洞設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ) 4
2.1 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的目的 4
2.2 汽車風(fēng)洞功能類型及設(shè)備 4
2.3 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?7
2.4 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)則與規(guī)范 8
2.5 本課題采用的模型尺寸 10
2.6 本章小結(jié) 11
第3章 1：5小型汽車風(fēng)洞設(shè)計(jì) 12
3.1 風(fēng)洞的類型結(jié)構(gòu)確定 12
3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)段幾何參數(shù)的確定 13
3.3 擴(kuò)壓段 15
3.4 拐角及其拐角導(dǎo)流片 17
3.5 迴流段 18
3.6 穩(wěn)定段及整流裝置 19
3.7 收縮段 20
3.8 風(fēng)洞能量比、電機(jī)功率及風(fēng)扇的確定 20
3.9 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核 25
3.10 本章小結(jié) 26
第4章 計(jì)算機(jī)仿真風(fēng)洞模型建立 27
4.1 概述 27
4.2 各部件建模 27
4.3 模型總裝圖 38
4.4 本章小結(jié) 39
第5章 結(jié) 論 40
參考文獻(xiàn) 41
致 謝 43
第1章 概 述
1.1 研究目的及意義
汽車作為人類交通工具，它的出現(xiàn)和發(fā)展給人類社會(huì)帶來了無可估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。伴隨著汽車日益走向成熟，汽車產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展也日臻完善，并不斷推陳出新，而這一切都與汽車的實(shí)驗(yàn)研究密不可分。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，中國(guó)汽車工業(yè)走自主研發(fā)設(shè)計(jì)之路，迫切需要建立起自己的汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，掌握和發(fā)展自己的汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這樣既可以節(jié)約開發(fā)成本，又可以快速完成風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展和積累。同時(shí)也可以促進(jìn)我國(guó)汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究。為人類、為社會(huì)、為中國(guó)汽車工業(yè)自主研發(fā)設(shè)計(jì)作貢獻(xiàn)
在當(dāng)前形勢(shì)下，國(guó)家提出了“節(jié)能減排”的政策，號(hào)召大力開展推動(dòng)提高能源利用效率的科技創(chuàng)新。對(duì)于交通工具來說，改善汽車等交通工具的空氣動(dòng)力學(xué)特性，將是降低汽車燃油消耗，節(jié)省能源的重要方式。進(jìn)行汽車研究，汽車風(fēng)洞是必不可少的試驗(yàn)設(shè)備。汽車風(fēng)洞建設(shè)對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展意義重大，沒有汽車風(fēng)洞，既不可能很好地設(shè)計(jì)出最優(yōu)的汽車，也不能很好推動(dòng)整個(gè)國(guó)家的汽車工業(yè)向前發(fā)展
因此，此次研究就是為了設(shè)計(jì)模擬汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，以最少的費(fèi)用，最優(yōu)化的方法對(duì)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)。這主要從兩方面考慮：一是經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)；二是社會(huì)角度出發(fā)。首先從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)：達(dá)到節(jié)約成本，用最簡(jiǎn)單的方法去做最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。降低了昂貴的費(fèi)用。為企業(yè)創(chuàng)造了更好地經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)也促進(jìn)了老百姓的買車能力。為整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)騰飛作貢獻(xiàn)。其次從社會(huì)角度出發(fā)：為了滿足行業(yè)的需要、為了汽車工業(yè)的發(fā)展、為了科學(xué)研究技術(shù)作貢獻(xiàn)。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1、 國(guó)外研究
國(guó)外，汽車風(fēng)洞建設(shè)較早。1939年，德國(guó)的斯圖加特大學(xué)建立了第一座全尺寸汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的風(fēng)洞。它的最高速度高達(dá)270km/h，可以進(jìn)行高速賽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究。隨后，不少汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開始建設(shè)汽車風(fēng)洞。近年來，不斷有新的專業(yè)汽車風(fēng)洞落成，如 Audi 汽車公司風(fēng)洞。
汽車風(fēng)洞建設(shè)初期，大量借鑒了航空空氣動(dòng)力學(xué)的研究經(jīng)驗(yàn)和理論。航空空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)規(guī)定風(fēng)洞試驗(yàn)的阻塞比（Blockage ratio）：￠ =A/AN。其中，A 是試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼队懊娣e，AN是風(fēng)洞的噴口截面面積。雖然航空風(fēng)洞規(guī)定風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí), ￠要小于 0.05，但是現(xiàn)在的汽車風(fēng)洞阻塞比已經(jīng)越來越大，甚至有阻塞比達(dá)到 0.2 左右的汽車風(fēng)洞。
為了使汽車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果更加精確，國(guó)外陸續(xù)有專業(yè)的汽車風(fēng)洞裝備地面效應(yīng)模擬設(shè)備。現(xiàn)在幾乎所有的汽車風(fēng)洞都引入地面效應(yīng)模擬設(shè)備，特別是移動(dòng)帶地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)。
汽車風(fēng)洞的建設(shè)，帶來了汽車風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的變革和創(chuàng)新。為了適應(yīng)汽車氣動(dòng)噪聲的研究，大量的汽車風(fēng)洞經(jīng)過改進(jìn)以便能進(jìn)行氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)，部分新建的汽車風(fēng)洞直接就定位建設(shè)低噪聲的汽車風(fēng)洞。
近年來，隨著汽車風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的提高，汽車風(fēng)洞的試驗(yàn)設(shè)備也不斷提高。這標(biāo)志世界汽車研究又進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。
2、國(guó)內(nèi)研究
目前，我國(guó)汽車風(fēng)洞建設(shè)較晚。2002年，吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞開工建設(shè)。2005年，同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心開工建設(shè)?，F(xiàn)在，兩座風(fēng)洞的建設(shè)完成，標(biāo)志著中國(guó)汽車研究進(jìn)入一個(gè)新的階段。
在國(guó)內(nèi)，雖然建設(shè)了國(guó)內(nèi)專業(yè)的汽車風(fēng)洞，但是在汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)上還存在很多不足，國(guó)內(nèi)還不能提供準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)方法，制約了汽車技術(shù)的提升，不利于我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展。為了我國(guó)汽車工業(yè)更好地發(fā)展，就必須對(duì)國(guó)內(nèi)的汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行充分掌握，改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，完善試驗(yàn)技術(shù)，提高試驗(yàn)精度。
1.3 本課題設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容、研究技術(shù)路線
1、本課題設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容：
1）進(jìn)行1:5小型車模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室平面布局設(shè)計(jì)；
2）進(jìn)行風(fēng)機(jī)選擇和校核，前后穩(wěn)速倉(cāng)柵設(shè)計(jì)，測(cè)試倉(cāng)設(shè)計(jì)，測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)，環(huán)狀風(fēng)道設(shè)計(jì)，P型引風(fēng)口設(shè)計(jì)，臺(tái)架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
3）根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行校核；
4）繪制設(shè)計(jì)系統(tǒng)總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。
2、研究技術(shù)路數(shù)：
調(diào)查研究、收集資料
總體布局設(shè)計(jì)
各環(huán)節(jié)布局、設(shè)計(jì)
N 各環(huán)節(jié)技術(shù)的校核
Y
總體修訂
總體校核 N
Y
研究成果
圖1.1 技術(shù)路線圖
第2章 汽車風(fēng)洞設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ)
2.1 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的目的
汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的目的在于得到準(zhǔn)確的反映汽車行駛狀態(tài)下的空氣動(dòng)力特性數(shù)據(jù)。汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究下述幾方面問題：
（1）研究汽車空氣動(dòng)力特性，包括汽車的氣動(dòng)阻力特性和操縱穩(wěn)定性等，即通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究汽車的流場(chǎng)作用在汽車上的力和力矩。
（2）通過汽車表面的壓力分布與流場(chǎng)性能的分析，研究汽車各部件的流場(chǎng)。如雨水的流動(dòng)路徑、污垢附著的作用原理、風(fēng)噪聲、擋風(fēng)玻璃上的作用力等。
（3）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流的進(jìn)氣和排氣特性。
（4）駕駛室內(nèi)的通風(fēng)、取暖及噪聲等特性。
2.2 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的類型及設(shè)備
2.2.1汽車實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞
汽車風(fēng)洞是進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備，它實(shí)際是一個(gè)按照一定要求建造的管道，并利用動(dòng)力裝置等設(shè)備在管道中產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的氣流，使風(fēng)洞試驗(yàn)段能模擬或基本模擬大氣流場(chǎng)的狀態(tài)，以供汽車進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究。
目前世界上的汽車實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞很多，按照試驗(yàn)段氣流循環(huán)形式來分，可以分為回流風(fēng)洞和直流風(fēng)洞兩種。圖2.1為回流型風(fēng)洞，回流型風(fēng)洞的特點(diǎn)是通過試驗(yàn)段的氣流能經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)在返回到試驗(yàn)段，能回收氣流的能量，電機(jī)的功率小，并且能保持恒定的空氣溫度和濕度，缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)備大，成本高。
(A)
（B）
（C）
(D)
圖2.1 回流型風(fēng)洞
圖2.2為直流型風(fēng)洞。其特點(diǎn)是把通過試驗(yàn)段的氣流排除在風(fēng)洞外部。該風(fēng)洞設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)電機(jī)功率大，空氣溫度難以恒定，流場(chǎng)品質(zhì)易受外界的干擾。直流型風(fēng)洞又分為吸入式和吹出式，前者的風(fēng)機(jī)在試驗(yàn)段下游的風(fēng)洞中，后者的風(fēng)機(jī)設(shè)置在試驗(yàn)段上游的風(fēng)洞中。
（A）
（B）
圖2.2 直流型風(fēng)洞
按照試驗(yàn)段的類型分為開式風(fēng)洞、閉式風(fēng)洞及半開式風(fēng)洞三種。圖2.3所示。
（A）
（B）
（C）
圖2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)段形式
A）開式 B)閉式 C)半開式
按照試驗(yàn)段尺寸分類，可分為試驗(yàn)段尺寸幾十毫米的微型低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為1～1.5m的小型低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為2～4m的中型低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸8m以上的大型低速風(fēng)洞。
2.2.2汽車風(fēng)洞測(cè)量設(shè)備
（1）氣動(dòng)力天平
氣動(dòng)力天平是汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)用來測(cè)量模型或汽車的空氣動(dòng)力和力矩的測(cè)試儀器。
（2）氣動(dòng)力天平的選擇原則
1）根據(jù)需要測(cè)量的模型或?qū)嵻嚉鈩?dòng)力和力矩?cái)?shù)目選擇相應(yīng)的氣動(dòng)力天平。
2）根據(jù)需要測(cè)量的模型或?qū)嵻嚉鈩?dòng)力和力矩的大小選擇相應(yīng)測(cè)量的范圍和量程的氣動(dòng)力天平。
3）要有良好的線性關(guān)系，即氣動(dòng)力或力矩的讀數(shù)隨外載荷的變化關(guān)系接近或呈線性關(guān)系。
4）選擇受外界干擾小的氣動(dòng)力天平。
5）選用靈敏度高、強(qiáng)度和剛度的天平。
6）選擇精度、準(zhǔn)確度較高的氣動(dòng)力天平。
（3）氣流參數(shù)測(cè)量?jī)x器
1）壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x器
壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x器主要是壓強(qiáng)計(jì)、測(cè)壓傳感器及壓強(qiáng)傳導(dǎo)裝置。常用的壓強(qiáng)計(jì)是液壓柱式壓強(qiáng)計(jì)，有U型管壓強(qiáng)計(jì)、單管壓強(qiáng)計(jì)、斜管微壓計(jì)及多管壓強(qiáng)計(jì)等。這些壓強(qiáng)計(jì)大多數(shù)是以已知的參考?jí)簭?qiáng)作為比較對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的，參考?jí)簭?qiáng)多為大氣壓強(qiáng)。
目前較多的測(cè)壓傳感器有應(yīng)變式、壓阻式、電容式、電感式及壓電式等。壓強(qiáng)傳遞裝置主要由壓強(qiáng)傳遞導(dǎo)管和壓強(qiáng)掃描閥組成。
2）壓強(qiáng)測(cè)量
① 車身表面靜壓測(cè)量 通常在模型表面上沿其法向開小孔，以測(cè)量局部靜壓強(qiáng)。測(cè)壓小孔直徑d應(yīng)在0.5～2mm范圍內(nèi)，h/d＞2，測(cè)壓孔軸線應(yīng)盡量垂直壁面，孔內(nèi)壁光滑，孔口無毛刺，表面五凹坑或凸起。
② 氣流靜壓測(cè)量 在氣流場(chǎng)中某一點(diǎn)處放置一靜壓管，就可以測(cè)出該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)前，必須對(duì)靜壓管都進(jìn)行校準(zhǔn)。
③ 氣流總壓測(cè)量 在流場(chǎng)中某一點(diǎn)處放置總壓強(qiáng)管，就可以測(cè)出氣流在該點(diǎn)處的總壓強(qiáng)。
（4）溫度測(cè)量?jī)x器
由于雷諾數(shù)隨溫度變化的幅度很大，所以每次實(shí)驗(yàn)都要測(cè)量并記錄風(fēng)洞的溫度。測(cè)量溫度時(shí)通常使用大氣溫度計(jì)，把它放置在沒有氣流擾動(dòng)的位置，就能準(zhǔn)確地測(cè)量。
（5）氣流速度測(cè)量
測(cè)量氣流速度用風(fēng)速管。它是由總壓強(qiáng)管和靜壓強(qiáng)管組合在一起而構(gòu)成的總靜壓強(qiáng)管。
（6）氣流方向測(cè)量
采用五孔探頭和恒溫式熱線風(fēng)速儀測(cè)量試驗(yàn)段的氣流方向。
（7）數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)
進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，使用低電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它由信號(hào)調(diào)節(jié)器、多路開關(guān)、低電平放大器、采樣—保持器、數(shù)-模（A/D）轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)記錄裝置及微型計(jì)算機(jī)等組成。
2.3 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?
2.3.1 模型尺寸
風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)選用的風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸采用3：8、1：5、1：4、1：10、1：1等比例尺寸。
2.3.2 模型的外形和結(jié)構(gòu)
(1) 外形模型
為了保證模型試驗(yàn)的流場(chǎng)與汽車行駛的流場(chǎng)相近，必須保證模型與實(shí)車幾何相似。根據(jù)模型尺寸與實(shí)車尺寸之間的比例關(guān)系，能夠把模型外部尺寸確定下來。對(duì)于進(jìn)氣口，駕駛室內(nèi)流及附面層等還不能用簡(jiǎn)單的幾何相似來模擬，而應(yīng)采用特殊的模擬方法進(jìn)行模擬。
1）進(jìn)氣口與駕駛室內(nèi)流的模擬
汽車行駛時(shí)，氣流的一部分從前窗底部進(jìn)入駕駛室，從出口排除，其余氣流都均勻地從外表面繞過，通常不發(fā)生氣流分離。進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般不模擬內(nèi)流，把進(jìn)、出氣口都堵死，僅模擬外部流。如果簡(jiǎn)單地把進(jìn)、出氣口堵死，實(shí)驗(yàn)時(shí)氣流將在進(jìn)、出氣口處產(chǎn)生分離。為此，在進(jìn)氣口前邊加裝一個(gè)流線型旋轉(zhuǎn)體，既消除了氣流分離，又使兩個(gè)繞流流譜相似。
（2）模型結(jié)構(gòu)
模型的結(jié)構(gòu)與汽車結(jié)構(gòu)差異較大，一方面模型結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，另一方面模型除了用于測(cè)定整車的空氣動(dòng)力特性外，還用于測(cè)定各總成、部件對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響，因此，模型最好采用可拆卸式的組合結(jié)構(gòu)。模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：其拐角部位、前部和后部以及處于分離區(qū)附近的車燈、后視鏡、空氣進(jìn)口、空氣出口、空調(diào)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和車門縫部位等細(xì)部的造型都應(yīng)特別注意，模型應(yīng)模擬車底細(xì)部，車底部后橋、傳動(dòng)系、排氣管等的凸凹應(yīng)能再現(xiàn)，車輪模擬可轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)。
此外，要求組合模型的各部分能方便而準(zhǔn)確的安裝。為此，要求模型安裝系統(tǒng)必須具有足夠的剛度，確保偏轉(zhuǎn)力不能引起測(cè)量誤差；必須在地板上按精確比例裝配模型，使模型呈現(xiàn)原型的姿勢(shì)；安裝時(shí)，模型與地板以及支架與地板都不能發(fā)生干涉；模型連接在氣動(dòng)力天平上時(shí)，不得產(chǎn)生太大的氣流干擾。
2.3.3 模型的材料與加工
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖嗖捎煤颂夷?、楠木及紅松等優(yōu)質(zhì)木材制造，對(duì)于小而薄的結(jié)構(gòu)，也可以采用鋁等金屬制造。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于模型上承受的載荷較小，優(yōu)質(zhì)木材能滿足強(qiáng)度要求，并且木材易于加工，便于局部修改，所以優(yōu)質(zhì)木材是較理想的制造模型材料。但是木材也存在缺點(diǎn)，易變形，因此加工前應(yīng)對(duì)木材進(jìn)行干燥處理，并且最好把木條加工成方條，用粘接劑把方條粘接在一起，作為毛胚。
2.4 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)則與規(guī)范
2.4.1 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)概述
汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是將汽車或者汽車模型安置在汽車風(fēng)洞中，開啟風(fēng)洞產(chǎn)生固定速度的風(fēng)，采集固定風(fēng)速下汽車受到的氣動(dòng)六分力數(shù)據(jù)，進(jìn)過數(shù)據(jù)處理得到六分力系數(shù)；也可以采集汽車車身表面氣動(dòng)力等數(shù)據(jù)，獲得車身表面壓力分布；或者借助某些流動(dòng)顯示和測(cè)量手段，對(duì)汽車周圍流動(dòng)進(jìn)行顯示和測(cè)量。
汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，有定量實(shí)驗(yàn)和定性實(shí)驗(yàn)。定量實(shí)驗(yàn)和定性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，是汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的有效方法。定量實(shí)驗(yàn)是指天平測(cè)力實(shí)驗(yàn)和壓力分布實(shí)驗(yàn)等，可以直接測(cè)定作用在車身上的氣動(dòng)力、力矩和壓力值。定性實(shí)驗(yàn)是指流態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)，如煙流法、絲帶法、油膜法、激光流態(tài)顯示法等。通過流態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯佑^察流場(chǎng)，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行定性分析，再結(jié)合六分力測(cè)量和壓力分布測(cè)量等定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就能夠了解流場(chǎng)的流動(dòng)機(jī)理，如渦流、分離現(xiàn)象等。判斷流場(chǎng)的氣動(dòng)特性。
2.4.2 汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則
（1） 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞應(yīng)產(chǎn)生足夠的均勻流場(chǎng)，其中包括均勻的風(fēng)速分布和流向分布、低紊流度以及模擬路面的薄的邊界層厚度。
（2） 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際汽車幾何形狀相似，模型既要保證幾何尺寸的精度，又要具有一定的剛度。模型按幾何比例縮小，并具有足夠精確的細(xì)部模擬，以保證各個(gè)重要的局部流場(chǎng)的真實(shí)模擬。
（3） 雷諾數(shù)模擬。雷諾數(shù)主要影響模型表面的附面層狀態(tài)，即影響附面層的層流、紊流、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的位置以及分離點(diǎn)的位置，從而影響模型的最小氣動(dòng)阻力系數(shù)Cdmin及最大升力系數(shù)Clmax，因此要求實(shí)驗(yàn)時(shí)的雷諾數(shù)盡量接近實(shí)車行駛時(shí)的雷諾數(shù)。
雷諾數(shù)是表征流體粘性對(duì)其氣動(dòng)影響特征的無量綱參數(shù)，它代表流體所受慣性力與粘性力之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
(2.1)
式中 ＿＿流體密度；
＿＿流體粘性；
＿＿物體特征長(zhǎng)度；
＿＿速度；
由于風(fēng)洞中的工作介質(zhì)是空氣，其溫度與大氣相差不大，因此空氣密度p、粘性u(píng)與大氣也相差不多。由式(2.1)可知，要使實(shí)驗(yàn)時(shí)的雷諾數(shù)與實(shí)車行駛時(shí)相等，應(yīng)使v、L相等，即模型的尺寸比實(shí)車縮小多少倍，應(yīng)使實(shí)驗(yàn)風(fēng)速增大增大多少倍。但是，由于風(fēng)速的提高受到壓縮性的限制，這就限制了雷諾數(shù)的提高。又由于風(fēng)速的提高，氣流的能量損失迅速增大，消耗的功率也急驟增大，因此一般的實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞很難做到實(shí)驗(yàn)時(shí)的雷諾數(shù)與實(shí)車行駛時(shí)的雷諾數(shù)相等。
為了滿足雷諾數(shù)相似要求，通常要求基于汽車模型長(zhǎng)度的雷諾數(shù)不小于，該值被稱為臨界雷諾數(shù)。除雷諾數(shù)效應(yīng)外，在高速氣流試驗(yàn)的情況下，還存在壓縮性的問題，但對(duì)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可認(rèn)為不存在壓縮性的影響，因此可在此條件下進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
（4） 盡量排除風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的支架及洞壁的干擾。為了限制洞壁干擾的影響，一般汽車模型在橫擺角為零時(shí)的正面投影面積不超過試驗(yàn)段橫截面積的5﹪，高度不超過試驗(yàn)段高度的30﹪，在有橫擺角的情況下，模型的寬度應(yīng)小于風(fēng)洞寬度的30﹪。如果超過其上述數(shù)值，則要對(duì)其洞壁干擾修正，以達(dá)到消除洞壁干擾的目的。
（5） 風(fēng)洞流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。模型放置在風(fēng)洞之前，應(yīng)對(duì)空風(fēng)洞進(jìn)行流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。要測(cè)量試驗(yàn)段橫截面的紊流度、地板上的靜態(tài)壓強(qiáng)、軸向靜壓梯度、橫向氣流偏角、縱向氣流偏角、氣流均勻性等流場(chǎng)特性以及放置模型前緣位置的地板邊界層厚度。
2.5 本課題采用的模型尺寸
根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，模型尺寸1：5比例尺寸，實(shí)驗(yàn)車型選擇長(zhǎng)安轎車——“志翔”作為試驗(yàn)車，該車的基本參數(shù)如下表2.1、圖3.2所示；
基本參數(shù)
長(zhǎng)/寬/高（mm)
4600/1800/1475
軸距（mm）
2650
輪距（前后）（mm)
1500/1487
最小離地間隙（mm)
138
油箱容積（L)
58
表2.1
圖3.2
對(duì)于本文的研究，空氣密度,大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，試驗(yàn)風(fēng)速v=60m∕s,模型特征長(zhǎng)度L=920mm,空氣粘度,則對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為：
（2.2）
2.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的類型及其設(shè)備，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)則與規(guī)范，汽車風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。為以后的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。
第3章 1：5小型汽車風(fēng)洞設(shè)計(jì)
3.1 風(fēng)洞的類型結(jié)構(gòu)確定
1、類型結(jié)構(gòu)確定
本文主要對(duì)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過前面的介紹及其對(duì)比，本課題采用1：5模型結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)形式采用單回流閉式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。采用該結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞其特點(diǎn)比較優(yōu)越。布局如圖（3.1）所示：
圖3.1 風(fēng)洞的各部件
下面對(duì)風(fēng)洞的各個(gè)部件進(jìn)行介紹：
（1） 試驗(yàn)段。風(fēng)洞中進(jìn)行模型試驗(yàn)的部件，是整個(gè)風(fēng)洞的中心；
（2） 擴(kuò)壓段，又稱擴(kuò)散段。是把氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以減小風(fēng)洞的損失；
（3） 拐角。共四個(gè)拐角，擴(kuò)壓段后為第一個(gè)拐角，依次是二、三、四拐角；
（4） 拐角導(dǎo)流片。為了保證氣流經(jīng)過拐角時(shí)改變流動(dòng)方向而不出現(xiàn)分離，四個(gè)拐角都必須安置拐角導(dǎo)流片；
（5） 風(fēng)扇；
（6） 電機(jī)。電機(jī)一般裝在整流罩內(nèi)，但是也可以裝在風(fēng)洞外，用長(zhǎng)軸傳入而帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)；
（7） 整流罩。使風(fēng)扇前后保持流線型，改善氣流的性能，尤其是防止分離；
（8） 迴路段。把空氣導(dǎo)回到試驗(yàn)段上游的管道；
（9） 穩(wěn)定段。使氣流保持均勻的穩(wěn)定的管道。內(nèi)裝蜂窩器整流設(shè)備；
（10） 蜂窩器。主要對(duì)氣流起導(dǎo)直的作用；
（11） 收縮段。使氣流均勻加速的收縮管道；
2、對(duì)汽車風(fēng)洞性能的基本要求：
（1） 氣流的主流品質(zhì) 要求縱、側(cè)向速度的均勻性、紊流度和尺寸要模擬真實(shí)道路狀況。
（2） 限制試驗(yàn)段洞壁對(duì)流場(chǎng)的干擾 為了限制洞壁的干擾影響，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)制訂了“汽車風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)則規(guī)范”。
（3） 實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)與實(shí)際雷諾數(shù)相似。
（4） 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)車的幾何形狀相似。
3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)段幾何參數(shù)的確定
1、試驗(yàn)段設(shè)計(jì)的基本要求
（1） 試驗(yàn)段的氣流品質(zhì)要達(dá)到要求。最基本的是氣流必須是均勻的穩(wěn)定的。
（2） 試驗(yàn)段的口徑與截面形狀。試驗(yàn)段的口徑對(duì)圓截面是指它的直徑，對(duì)非圓截面是指其截面特征長(zhǎng)度。但是在滿足試驗(yàn)要求的前提下，口徑應(yīng)盡量小。
（3） 試驗(yàn)段風(fēng)速。對(duì)風(fēng)速的要求主要來自雷諾數(shù)。風(fēng)速大一些，風(fēng)扇的效率比較高，風(fēng)洞的能量比也高。但是驅(qū)動(dòng)功率是與風(fēng)速的三次方成比例。
（4） 裝卸模型方便。
（5） 安裝有關(guān)設(shè)備方便。
（6） 試驗(yàn)段必須安裝門窗，一方面是為了實(shí)驗(yàn)人員和模型的出入；另一方面是為了觀測(cè)和攝像等。在可能的情況下，門窗盡量大些。
2、試驗(yàn)段截面氣動(dòng)外形的選擇
對(duì)于汽車實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞，選擇試驗(yàn)段截面氣動(dòng)外形的原則是：在滿足試驗(yàn)要求的前提下，采用最小的截面面積，以減小風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率；在給定截面積的情況下，其截面特性應(yīng)盡可能有利于復(fù)現(xiàn)汽車模型的繞流特性，以使風(fēng)洞的洞壁干擾降至最低。以下是可供選擇的風(fēng)洞試驗(yàn)段截面形狀，如圖3.3所示。截面A是航空風(fēng)洞常用的截面外形，為對(duì)稱的切角矩形；截面B為半圓形；截面C為非對(duì)稱切角矩形。后者是參照汽車截面的輪廓線按照比例放大的，其截面面積與截面B的截面面積相等。這三種截面形狀中，B、C兩種截面形狀較適宜汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。
圖3.3 試驗(yàn)段的截面形狀
3、試驗(yàn)段幾何參數(shù)的確定
（1） 截面的高寬比
考慮到實(shí)壁邊界對(duì)汽車模型試驗(yàn)的影響，以Br/Hr=1/3作為實(shí)壁試驗(yàn)段中參數(shù)選擇的依據(jù)（Br=BL/B0,BL為垂直風(fēng)洞中心線測(cè)得的模型水平方向的最大寬度，B0為試驗(yàn)段兩側(cè)壁間距；Hr=HL/H0，HL為模型最高點(diǎn)距地板的距離，H0為地板與風(fēng)洞頂壁間的距離，如圖3.4所示）
圖3.4 試驗(yàn)段的截面尺寸
（2） 試驗(yàn)段長(zhǎng)度
進(jìn)行汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，要將試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜趯?shí)驗(yàn)地板上，該地板的長(zhǎng)度除了能容納模型及其前方的流動(dòng)均勻流場(chǎng)外，還應(yīng)留出邊界層控制裝置所需要的長(zhǎng)度。此外，在模型的下游，還要留有足夠的長(zhǎng)度，使氣流在進(jìn)入擴(kuò)散段前，其尾流獲得充分的發(fā)展。這樣對(duì)提高風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)效率有利。一般地板的長(zhǎng)度為模型長(zhǎng)度的5～7倍，寬度至少為模型寬度的2倍。
（3） 非對(duì)稱切角尺寸
汽車實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞多采用沿軸向呈線性變化的切角填塊來消除洞壁邊界層位移厚度對(duì)流場(chǎng)軸向壓力梯度的影響。入口截面切角高度和出口截面下截角高度是固定的，出口截面上切角高度是可以調(diào)節(jié)的，以便在流場(chǎng)校測(cè)中，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件與要求來調(diào)節(jié)高度，直到獲得滿意的靜壓分布為止。
（4） 實(shí)驗(yàn)地板在試驗(yàn)段中的垂直位置
選擇實(shí)驗(yàn)地板在試驗(yàn)段中的垂直位置的原則是：有用實(shí)驗(yàn)截面面積應(yīng)盡可能大，以減弱頂壁的干擾；地板下部流動(dòng)阻力應(yīng)減至最小，以防止地板前緣流線彎曲；保證不同縮尺比例的模型均可置于試驗(yàn)段中心區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。
所以根據(jù)第（3.2）、（3.3）章節(jié)，就可以確定試驗(yàn)段的幾何參數(shù)。已知試驗(yàn)車長(zhǎng)L=4600mm,寬B=1800mm，高H=1475mm，比例尺寸1：5，所以則有模型尺寸長(zhǎng)L1=920mm，寬B1=360mm，高H1=295mm。
根據(jù)Br/Hr=1/3，Br=BL/B0，Hr=HL/H0得：
(3.1)
所以有：
（3.2）
一般地：地板長(zhǎng)度應(yīng)為模型長(zhǎng)度的5～7倍；寬度至少為模型寬度的2倍。所以取地板長(zhǎng)度為模型長(zhǎng)度的5倍，寬度為模型寬度的5倍。所以有：
；
； （3.3）
；
3.3 擴(kuò)壓段
擴(kuò)壓段也稱擴(kuò)壓器或擴(kuò)散段。擴(kuò)壓段的作用是把氣流的動(dòng)能變成壓力能。在沒有分離的情況下，氣流在擴(kuò)壓段的損失主要有兩種，一是摩擦損失。另一種是擴(kuò)壓損失，但本質(zhì)是摩擦損失。
設(shè)擴(kuò)壓段的入口截面積的參數(shù)為P1,V1,D1,出口截面的參數(shù)為P2,V2,D2。擴(kuò)壓段的幾何特性如圖3.5所示：
圖3.5 擴(kuò)壓段入口截面參數(shù)
流經(jīng)擴(kuò)壓段的總損失為：
(3.4)
摩擦損失為：
(3.5)
擴(kuò)壓損失為：
(3.6)
所以總的損失為：
(3.7)
壓力損失系數(shù)為：
(3.8)
從以上公式可知，當(dāng)擴(kuò)散比一定時(shí)，隨擴(kuò)散角a的增大，擴(kuò)壓損失增加而摩擦損失減少?？倱p失先減小后增大（如圖3.6）所示：有一個(gè)最小值。即最佳擴(kuò)散角：
（3.9）
圖3.6 擴(kuò)壓段損失系數(shù) （）
影響擴(kuò)壓效率的主要因素是擴(kuò)散角。管道的截面形狀、擴(kuò)散比以及壁面粗糙度等也有影響。如果擴(kuò)散角過大，雖然可以縮短擴(kuò)壓段長(zhǎng)度，但在洞壁上容易發(fā)生氣流分離，造成很大的氣流損失，不僅使擴(kuò)壓效率降低，而且會(huì)影響氣流品質(zhì)。但是擴(kuò)散角又不能過小，小了會(huì)使整個(gè)風(fēng)洞的造價(jià)提高。所以要選擇適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散角。
3.4 拐角及其拐角導(dǎo)流片
在回流風(fēng)洞中，氣流沿洞體循環(huán)一次轉(zhuǎn)360，在單回流風(fēng)洞中，氣流需要通過四個(gè)90拐角。在有些高壓的環(huán)形回路風(fēng)洞中，氣流通過二個(gè)180的拐角。
拐角是風(fēng)洞的一個(gè)重要部件。氣流在四個(gè)拐角的全部損失可以占風(fēng)洞總損失的40～60﹪。氣流經(jīng)過拐角是容易發(fā)生分離，出現(xiàn)很多漩渦，因而使流動(dòng)不均勻或發(fā)生脈動(dòng)。因此必須裝拐角導(dǎo)流片，目的是防止分離和改善流動(dòng)。
沿風(fēng)洞轉(zhuǎn)角對(duì)稱線上布置一排垂直的導(dǎo)流片，稱為拐角導(dǎo)流片，是減少損失的一個(gè)很有效的措施。加導(dǎo)流片后，相當(dāng)于保持當(dāng)?shù)氐霓D(zhuǎn)彎半徑R，以及風(fēng)洞高度W不變，從而大大的減少流動(dòng)的寬度D。從物理意義上看，加導(dǎo)流片后，氣流轉(zhuǎn)彎的離心力作用于導(dǎo)流片上，避免了氣流的壓力增加，同時(shí)也是流動(dòng)更加順暢。
單回流風(fēng)洞的每個(gè)90拐角都必須設(shè)置拐角導(dǎo)流片，每排導(dǎo)流片的數(shù)量為10～20個(gè)，有時(shí)多至40個(gè)左右，導(dǎo)流片之間的相互位置應(yīng)保持以下的關(guān)系：設(shè)導(dǎo)流片的弦長(zhǎng)為C，間距為D1。D1/C值常在0.3～0.6之間。W/D1值大于6。
下圖為導(dǎo)流片改善流動(dòng)狀態(tài)的情況如圖3.7所示：
（a）沒有導(dǎo)流片 （b）有導(dǎo)流片
圖3.7 拐角流動(dòng)的速度分布
下圖為導(dǎo)流片的剖面形狀及其導(dǎo)流片的性能如圖3.8、表3.1 所示：
（a）圓弧型 （b）圓弧帶直線型 （c）翼剖面型
圖 3.8 導(dǎo)流片的剖面形狀
表 3.1 各種導(dǎo)流片的性能
剖面形狀
最佳間距比
（）
損失系數(shù)K
Re（C為特征長(zhǎng)度）
圓弧型
0.3左右
0.20
40000左右
圓弧帶直線型
0.5左右
0.138
40000左右
翼剖面型
0.4左右
0.11
40000左右
此外，在選擇導(dǎo)流片時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的導(dǎo)流片。
3.5 迴流段
在風(fēng)洞管道中，風(fēng)扇系統(tǒng)后至第三拐角和第一二拐角之間的迴流段，經(jīng)常仍采用擴(kuò)張管道，因此也是一個(gè)擴(kuò)壓段。之所以要繼續(xù)擴(kuò)張：一是為了繼續(xù)把動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能，減少氣流損失，尤其是經(jīng)過拐角和整流裝置的損失；而是增加管道面積，以得到比較大的收縮比。迴流段的平均速度比較低了，因而損失不會(huì)大，若為了縮短風(fēng)洞的總長(zhǎng)度，可以采用比較大的擴(kuò)散角，如a=8～9。但是也可以采用6的擴(kuò)散角，以減少氣流分離的可能性。
3.6 穩(wěn)定段及整流裝置
穩(wěn)定段又稱安定段。整流裝置為蜂窩器，目的是使氣流均勻或降低紊流度，所以為整流裝置。收縮段的設(shè)計(jì)，以均勻來流為前提。如果來流不均勻，則收縮段出口的氣流也是不均勻的，紊流度也比較高，甚至可能存在大的漩渦。因此，氣流進(jìn)入收縮段之前，必須經(jīng)過一個(gè)穩(wěn)定段，以及蜂窩器等，使氣流變得均勻，從而保證試驗(yàn)段流場(chǎng)的品質(zhì)
（1） 穩(wěn)定段
穩(wěn)定段通常是一個(gè)等截面管道。穩(wěn)定段對(duì)氣流的影響是由于它的長(zhǎng)度。相當(dāng)長(zhǎng)度的等截面管道對(duì)氣流有穩(wěn)定作用。如果穩(wěn)定段中不設(shè)置任何整流裝置，它就必須足夠長(zhǎng)，使得氣流在流動(dòng)的過程中有足夠的時(shí)間調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向、速度分布并衰減紊流度。實(shí)際上一般穩(wěn)定段都設(shè)有整流裝置。
穩(wěn)定段的長(zhǎng)度首先要保證安裝蜂窩器，其次還必須要有一段長(zhǎng)度，使氣流經(jīng)過后逐漸穩(wěn)定。因此為滿足要求，穩(wěn)定段的長(zhǎng)度一般按一下數(shù)據(jù)確定：收縮比小于5，穩(wěn)定段的長(zhǎng)度為直徑的1.0～1.5倍；如果大于5，則長(zhǎng)度為直徑的0.5～1.0倍。收縮比定義為收縮段入口面積與出口面積之比，即穩(wěn)定段與試驗(yàn)段面積之比。這樣有利于改善氣流性能有好處。
（2） 蜂窩器
蜂窩器由許多方形、圓形或六角形的等截面小管道并列組成，蜂窩器的作用是是在于導(dǎo)直氣流，使其平行于風(fēng)洞軸線。同時(shí)，蜂窩器對(duì)氣流的摩擦還有利于改善氣流的速度分布。
蜂窩尺寸一口徑M和長(zhǎng)度l表示，如圖3.9所示，圖3.10是幾種比較常見的蜂窩格子以及長(zhǎng)徑比l/M=6時(shí)，各種蜂窩格子的損失系數(shù)K。
圖3.9蜂窩器尺寸 圖3.10常見的蜂窩器格子及其損失系數(shù)
影響蜂窩器性能的主要參數(shù)是蜂窩器長(zhǎng)度l和口徑M。長(zhǎng)度l越大，整流效果越好，但損失增加。M值越大，蜂窩器對(duì)降低紊流度的效果越顯著。一般的參數(shù)范圍為
l/M=5～10；M=5～30CM。具體尺寸應(yīng)該根據(jù)穩(wěn)定段大小及氣流的性能要求而確定。
3.7 收縮段
收縮段是風(fēng)洞中至關(guān)重要的部分。收縮段的作用是加速氣流，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的速度。收縮段應(yīng)滿足以下要求。
（1） 氣流沿收縮段流動(dòng)時(shí)，洞壁上不出現(xiàn)分離。一般說來，氣流在加速過程中是不易分離的。只要壁面收縮不太劇烈，分離是可以避免的。
（2） 收縮段出口的氣流要求均勻、平直而且穩(wěn)定。
（3） 收縮段不宜過長(zhǎng)。收縮段過長(zhǎng)，會(huì)使風(fēng)洞建設(shè)投資增加，而且能量損失也增大。收縮段的性能主要取決于收縮比。即收縮段進(jìn)口面積與出口面積之比。
此外，收縮段長(zhǎng)度一般可采用進(jìn)口直徑的0.5～1.0倍。收縮比越大，長(zhǎng)度與進(jìn)口直徑的比值越小。
3.8 風(fēng)洞能量比、電機(jī)功率及風(fēng)扇的確定
氣流在風(fēng)洞管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)必然會(huì)有能量損失。這種損失來自幾個(gè)方面。一是氣流與固體邊界包括洞壁、拐角導(dǎo)流片、蜂窩器以及各段等的摩擦；一是物體表面的氣流分離，引起漩渦，紊流等。在相同的試驗(yàn)段流動(dòng)條件下，氣流經(jīng)過風(fēng)洞的回路的損失越小，則需要風(fēng)扇補(bǔ)充的能量就越低。風(fēng)扇和電機(jī)的效率就越高，消耗的電能就越低。因而存在一個(gè)風(fēng)洞效率問題，而度量風(fēng)洞效率的參數(shù)就是能量比。
能量比定義為試驗(yàn)段氣流的動(dòng)能流率（即單位時(shí)間通過的動(dòng)能）與通過動(dòng)力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的功率之比。由于計(jì)量輸入功率的范圍不同，可以有三種不同的能量比。
(1) 以電網(wǎng)輸給風(fēng)洞電機(jī)的功率作為輸入功率，包括電機(jī)在內(nèi)的能量比：
(3.10)
式中，p,v0和F分別為氣流的密度，速度和試驗(yàn)段截面積。E和I為輸入電機(jī)的電壓和電流。
（2） 以電機(jī)輸給風(fēng)扇的功率作為輸入功率，包括風(fēng)扇在內(nèi)的能量比：
（3.11）
式中，N為電機(jī)的輸出功率，即輸給風(fēng)扇的功率。,為電機(jī)功率。
（3） 以風(fēng)扇輸給氣流的功率為輸入功率的風(fēng)洞能量比：
（3.12）
式中為風(fēng)扇系統(tǒng)的效率。由以上定義可得下式：
（3.13）
由于電機(jī)和風(fēng)扇效率都小于1，所以必有
（3.14）
風(fēng)扇系統(tǒng)前后的壓力增量為P,風(fēng)扇系統(tǒng)輸給氣流的功率等于壓力增量乘以流量。在風(fēng)洞穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)壓力增量就是整個(gè)風(fēng)洞的回路中的氣流的全部壓力損失，它等于氣流經(jīng)過各個(gè)部件的損失總和。所以
(3.15)
式中K0為氣流經(jīng)過各個(gè)部件的當(dāng)量損失系數(shù)。當(dāng)量損失系數(shù)定義為壓力損失除以試驗(yàn)段動(dòng)壓。將（3.15）代入（3.12）式，考慮到
則有
（3.16）
可見，風(fēng)洞的能量比是風(fēng)洞損失系數(shù)的倒數(shù)。各個(gè)部件的損失越小，則最終的能量比就越大。
風(fēng)洞由于設(shè)計(jì)的不同，以及風(fēng)扇、電機(jī)的效率差別很大，能量比的變化范圍比較大。其值如下：
開路風(fēng)洞 0.5～0.6
單回流開口風(fēng)洞 1.5～4.5
單回流閉口風(fēng)洞 3～7
在設(shè)計(jì)風(fēng)洞過程中，必須對(duì)風(fēng)洞的能量比進(jìn)行估算。一方面是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，更重要的是確定風(fēng)洞的功率，由此選擇電機(jī)。估算能量比的方法有三種：
（1） 將設(shè)計(jì)的風(fēng)洞與現(xiàn)成的類似風(fēng)洞比較，粗略估計(jì)。
（2） 測(cè)定模型風(fēng)洞的損失系數(shù)，進(jìn)而求出能量比。
（3） 運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)公式，逐段計(jì)算風(fēng)洞的各部件的損失，從而得到風(fēng)洞的總損失，由此確定風(fēng)洞的能量比。
由式（3.16）推出風(fēng)洞所需要的功率：
(3.17)
現(xiàn)只要求出風(fēng)洞每一段的當(dāng)量損失系數(shù)，就可以求出風(fēng)洞的能量比。下面分別計(jì)算每段的當(dāng)量損失系數(shù)：
（1） 試驗(yàn)段損失
試驗(yàn)段損失系數(shù)就是當(dāng)量損失系數(shù)，對(duì)于試驗(yàn)段為非圓截面，則以水力直徑代入。管道的水力直徑為
(3.18)
式中，S為截面積，C為截面積周長(zhǎng)。
試驗(yàn)段的損失系數(shù)為當(dāng)量損失系數(shù)：
（3.19）
已知 l=920mm
Re由（2.2）得
所以試驗(yàn)段損失系數(shù)由式3.18、3.19得
=0.0555
（2） 擴(kuò)壓段損失
氣流經(jīng)過擴(kuò)壓段的損失，由式（3.8）、（3.9）可得，
所以 = =0.0441
所以
因?yàn)?
所以
=0.0496
（3） 迴流段
迴流段也有擴(kuò)散角，實(shí)際上也是一個(gè)擴(kuò)壓段，仍按照式（3.8）計(jì)算損失系數(shù)，其當(dāng)量損失值為
式中F1為迴流段入口截面積。
所以迴流段的損失系數(shù)為：
(4) 拐角(1、2)
氣流經(jīng)過的拐角由兩部分組成。一部分是氣流經(jīng)過拐角導(dǎo)流片的摩擦損失，另一部分是氣流拐彎時(shí)出現(xiàn)的分離而導(dǎo)致的損失。拐角損失由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得：
=
=0.0477
（5） 同理，拐角（3、4）的損失系數(shù)為：
（6） 蜂窩器
采用長(zhǎng)徑比等于6的方形蜂窩器
其當(dāng)量損失系數(shù)為
K由圖（3.10）得K=0.22，所以當(dāng)量損失系數(shù)為：
=0.01375
所以總損失系數(shù)為
=0.25045
所以風(fēng)洞能量比為
所以符合單回流閉口風(fēng)洞能量比 = 3～7的要求。計(jì)算正確。
根據(jù)式（3.17）得風(fēng)洞所需要的功率為
取=0.6 =0.7，則有
=
所以風(fēng)扇的功率為
所以電機(jī)的功率為
=
（6） 風(fēng)機(jī)的風(fēng)量
選定的風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)該與通過試驗(yàn)段的風(fēng)量相等，即
(7) 風(fēng)機(jī)的選取
根據(jù)前面已經(jīng)求得的風(fēng)機(jī)的功率N及風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，選擇一臺(tái)合適的標(biāo)準(zhǔn)的軸流式風(fēng)機(jī)。經(jīng)過廣泛調(diào)研、查風(fēng)機(jī)手冊(cè)，確定風(fēng)機(jī)的型號(hào)為2K60—4 DS—2NO.18。其風(fēng)量為72000～324000，全風(fēng)壓2943～491Pa,葉片數(shù)量14個(gè)。根據(jù)風(fēng)機(jī)的型號(hào)，就可以確定風(fēng)機(jī)葉輪直徑：NO.18=18×100=1800mm,葉輪輪轂直徑為：葉輪直徑乘以輪轂比。即葉輪輪轂直徑=1800×0.6=1080mm。由風(fēng)機(jī)的內(nèi)徑就可以確定風(fēng)洞動(dòng)力段的內(nèi)徑，并由此確定風(fēng)洞的總的氣動(dòng)輪廓圖。
3.9 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核
1、 材料的選取
根據(jù)前面的計(jì)算，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)采用全鋼結(jié)構(gòu)。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，風(fēng)洞所需的鋼采用Q235NH鋼(GB/T4172—2000、GB/T4171—2000)。風(fēng)洞由厚度為20mm鋼板焊接而成。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，該型號(hào)鋼板的力學(xué)性能為、。
風(fēng)洞地基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，動(dòng)力段用螺栓直接固定在地基上，其余部分全部采用槽鋼立柱支撐。
2、 各部分尺寸計(jì)算
（1） 穩(wěn)定段長(zhǎng)度
由前面得知，結(jié)合實(shí)際情況得穩(wěn)定段長(zhǎng)度為3600mm。
（2） 收縮段長(zhǎng)度
由前面得知，收縮段長(zhǎng)度為1800mm。
（3） 其余部分由實(shí)際情況而定。其它部分的參數(shù)及其細(xì)節(jié)前面已經(jīng)論證。由此不再敘述。
3、 校核
根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果及其滿足實(shí)驗(yàn)的要求，以下對(duì)材料進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)壓力公式可得，所以有：
又因?yàn)?則有：
由于風(fēng)洞洞體近似容器，在理想狀態(tài)下，容器內(nèi)所受壓力處處相等。所以則有：
在整個(gè)風(fēng)洞中，試驗(yàn)段的截面積最小，因此所受的壓力最大，所以有：
符合要求，校核結(jié)果正確。所以所選材料符合要求。
3.10 本章小結(jié)
本章主要對(duì)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算、汽車模型的確定以及風(fēng)洞所需要的材料進(jìn)行了確定。對(duì)整個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核，最終滿足實(shí)際要求。達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
第4章 計(jì)算機(jī)仿真風(fēng)洞模型建立
4.1 概述
本設(shè)計(jì)運(yùn)用Pro/Engineer軟件建模。Pro/E是美國(guó)PTC（Paramatria Technology Corporation）公司開發(fā)的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，也是最早實(shí)現(xiàn)參數(shù)化技術(shù)商品化的軟件，在全球擁有廣泛的影響。它的功能齊全、強(qiáng)大，如特征建模、裝配建模、有限元分析、曲面造型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。所以運(yùn)用該軟件完成對(duì)本設(shè)計(jì)的建造。
4.2 各部件建模
該風(fēng)洞由試驗(yàn)段、擴(kuò)壓段、拐角、動(dòng)力段、迴流段、穩(wěn)定段、收縮段、地基、連接件構(gòu)成。下面對(duì)各個(gè)部段進(jìn)行建模。
1、試驗(yàn)段建模
圖 4.1 試驗(yàn)段模型
2、擴(kuò)壓段建模
圖 4.2 擴(kuò)壓段模型
圖 4.3 擴(kuò)壓段模型
3、拐角建模
拐角包括第一拐角、第二拐角、第三拐角、第四拐角及其拐角導(dǎo)流片。
（1） 第一拐角模型
圖 4.4 第一拐角模型
（2） 第二拐角模型
圖 4.5 第二拐角模型
（3） 第三四拐角模型
圖 4.6 第三四拐角模型
（4）拐角導(dǎo)流片模型
圖