機(jī)動車風(fēng)洞流場的檢測方法

/ 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是針對整車進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的大型試驗(yàn)場所。它通過風(fēng)機(jī)和經(jīng)過設(shè)計(jì)的管道產(chǎn)生人造風(fēng)場，可模擬各種行車環(huán)境中遇到的空氣阻力、噪聲、熱力學(xué)狀態(tài)，再配合其他設(shè)備可進(jìn)一步模擬天氣環(huán)境和日照輻射等。機(jī)動車風(fēng)洞試驗(yàn)涉及測試車輛的安全性、穩(wěn)定性、極端氣候環(huán)境下的可靠性，同時對車輛的外形設(shè)計(jì)、底盤設(shè)計(jì)、動力損失控制、節(jié)能減排等方面都需要參照機(jī)動車風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果。

機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室造價昂貴、設(shè)備復(fù)雜、設(shè)計(jì)要求較高。2009年9月國內(nèi)第一座機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室在上海同濟(jì)大學(xué)建成，填補(bǔ)了國內(nèi)機(jī)動車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的多個空白。2016年，上汽集團(tuán)投資在上海嘉定建成一座大型機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。隨著國內(nèi)各類風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)建成，廠商的各類檢測需求也日益增長，而相關(guān)領(lǐng)域計(jì)量檢測技術(shù)尚不成熟，關(guān)于機(jī)動車風(fēng)洞流場的檢測方法急需創(chuàng)新和完善。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要技術(shù)參數(shù)及流場品質(zhì)指標(biāo)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是多設(shè)備協(xié)作的環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，以上汽風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室為例，所涉及的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

由表1可見，一個成熟的機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室其功能是較為多樣和復(fù)雜的，通常在樣車試驗(yàn)中會根據(jù)研究方向，選擇一些主要影響參數(shù)進(jìn)行模擬。

如圖1所示，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要通過風(fēng)機(jī)和管道協(xié)作，產(chǎn)生一個連續(xù)的風(fēng)場，其中試驗(yàn)段的流場品質(zhì)是影響整車實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，也是測試人員關(guān)注的核心區(qū)域，本文僅探討針對該區(qū)域流場品質(zhì)的檢測方法。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的流場品質(zhì)主要涉及氣流速度分布的均勻度、平均氣流方向偏離風(fēng)洞軸線的大小、沿風(fēng)洞軸線方向的壓力梯度、截面溫度分布的均勻度、氣流的湍流度和噪聲等級等參數(shù)。

表1 上汽風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要功能及參數(shù)

圖1 機(jī)動車風(fēng)洞模型

2 常見檢測方法

當(dāng)機(jī)動車行駛到一定時速，約70%的阻力來自風(fēng)阻，大部分燃油也用于克服風(fēng)阻。因此，基于風(fēng)洞流場的試驗(yàn)對優(yōu)化車輛外形，減少風(fēng)阻、節(jié)約燃油、降低噪聲有很重要的作用。現(xiàn)例舉兩家汽車廠商的風(fēng)速檢測方法。

圖2、圖3為上海某汽車產(chǎn)品供應(yīng)商機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室僅在出風(fēng)口安裝了一個類似風(fēng)車的風(fēng)速測量裝置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速換算得出風(fēng)洞出口的風(fēng)速。該裝置適合檢測較小的風(fēng)口，但測量準(zhǔn)確度不高，測量不確定度較大。此類設(shè)備對于中大型機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速檢測參考價值有限，也無法依靠該裝置對風(fēng)洞試驗(yàn)段的流場品質(zhì)進(jìn)行完整評估。

圖2 風(fēng)速檢測裝置

圖3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

福建某汽車生產(chǎn)商的機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室采用了圖4所示的風(fēng)速儀。該風(fēng)速儀安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段的出風(fēng)口位置，此風(fēng)速儀的測量準(zhǔn)確度有所提高，但由于設(shè)備安裝的位置、方向和風(fēng)洞本身的出風(fēng)均勻性等因素都影響著數(shù)據(jù)的可靠性，單憑一臺風(fēng)速儀無法滿足測量需求。在出風(fēng)口安裝更多的風(fēng)速儀能獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但在流場初始位置安裝多個設(shè)備又會影響到后續(xù)流場的品質(zhì)，對整車實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。

圖4 風(fēng)速儀

上述兩個例子均為最大風(fēng)速為120 km/h的中小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，可以發(fā)現(xiàn)廠商投入資金建造了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，但是缺少準(zhǔn)確可靠的檢測方法來驗(yàn)證風(fēng)速、風(fēng)向等基本的參數(shù)是否與實(shí)驗(yàn)要求相匹配。要保證從機(jī)動車風(fēng)洞試驗(yàn)中獲得可靠有效的數(shù)據(jù)，就需要專業(yè)機(jī)構(gòu)定期對風(fēng)洞試驗(yàn)段的流場品質(zhì)進(jìn)行全面的檢測和評估。

3 流場的檢測方法

要完整地評估流場品質(zhì)，應(yīng)綜合應(yīng)用多種檢測方法和技術(shù)手段，分別針對流場品質(zhì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測，獲得全面和準(zhǔn)確的流場數(shù)據(jù)。

3.1 熱線風(fēng)速儀和風(fēng)速計(jì)

熱線風(fēng)速儀利用電學(xué)原理對流速進(jìn)行測量。此類設(shè)備一般采用鉑、鎢或鉑銠合金等材料制成熱線。常見的熱線風(fēng)速儀又分為恒流式和恒溫式兩類。

1）恒流式風(fēng)速儀保持流過熱線的電流不變，當(dāng)流體經(jīng)過時，溫度發(fā)生變化，繼而熱線的電阻發(fā)生改變，通過測量熱線兩段的電壓并換算獲得風(fēng)速。

2）恒溫式風(fēng)速儀是保持熱線的溫度不變，假設(shè)當(dāng)流體經(jīng)過時，要使熱線的溫度在150 ℃不變，則需要增大或減小通過的電流，通過測量電流即可度量風(fēng)速。

目前有廠家通過組合制成雙線式、三線式熱線風(fēng)速儀，此類設(shè)備可在完成風(fēng)速測量的基礎(chǔ)上，測量流場在各個方向的速度分量，配合適當(dāng)?shù)男盘?、?shù)據(jù)處理系統(tǒng)可一次完成瞬時速度和速度在各方向上的分量以及湍流度的測量。

湍流度是度量氣流速度脈動程度的指標(biāo)，通常用脈動速度均方和與平均速度之比來表示，即

式中：v'—— 湍流脈動速度的均方根，即風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差；

v—— 平均速度

假定vx，vy，vz為平均速度v在 X，Y，Z 三個方向上的分量，某一時刻t風(fēng)速在X方向上的分量為vxt，那么流體在X方向上的湍流脈動速度為

v'x=vxt-vx

湍流脈動速度的均方根為

平均速度為

熱線風(fēng)速儀的缺點(diǎn)是難以測量高速的流場且測量時的穩(wěn)定性有待提高。但仍可嘗試在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段合理地布置數(shù)個此類風(fēng)速儀，在低速段對整個流場進(jìn)行測試。

風(fēng)杯或風(fēng)速計(jì)的構(gòu)造類似于風(fēng)車，在風(fēng)力作用下，感應(yīng)部分繞轉(zhuǎn)軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，是最為常見的風(fēng)速計(jì)量設(shè)備。上文提及的兩個風(fēng)洞使用的即是此類設(shè)備。風(fēng)速計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、使用方便、準(zhǔn)確度較高。而其缺點(diǎn)則是使用時要正對風(fēng)向才能測出準(zhǔn)確數(shù)值，在現(xiàn)場操作時往往很難保證傳感器與流場方向完全垂直，因此靠此類設(shè)備測量流場品質(zhì)相關(guān)量也有一定難度。例如湍流度需要多個風(fēng)速計(jì)按合適角度擺放并多次測量方能獲得，而邊界層厚度基本無法用風(fēng)速計(jì)測得。

3.2 超聲波檢測風(fēng)速

超聲波測速是利用聲波傳遞時產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對速度進(jìn)行測量。

聲波的傳播速度、波長和頻率有如下關(guān)系：

v=λω，其中λ為波長，ω為頻率。

當(dāng)聲波在空氣中傳播時，順風(fēng)與逆風(fēng)方向存在速度差。逆風(fēng)方向聲波被壓縮，波長變得較短，頻率升高，順風(fēng)方向則反之。

在專業(yè)人員操作設(shè)備進(jìn)行檢測時，傳感器的采集對象可以是聲波的傳播時間，也可以是聲波的頻率。以采集頻率的超聲波傳感器為例，通過標(biāo)準(zhǔn)聲源發(fā)出頻率為ω的聲波，在風(fēng)洞內(nèi)的傳播速度u已知，假設(shè)風(fēng)速為v，傳感器接收到的聲波頻率ω'為

計(jì)算得到風(fēng)速

速度的正負(fù)表示其與聲波傳播方向的關(guān)系。當(dāng)計(jì)算得到的風(fēng)速為負(fù)值，表示其與聲波方向相反。檢測時，傳感器有多種擺放方式，在此僅以在二維平面內(nèi)的一種垂直擺放方法進(jìn)行說明。

圖5 聲波測速二維示意圖

如圖5所示，處于O點(diǎn)的聲源向外發(fā)出頻率為ω的聲波，沿相互垂直的X和Y方向各安置一個頻率傳感器，假設(shè)風(fēng)速在X和Y方向上的分量分別為vx和vy，兩臺設(shè)備分別測得的聲波頻率ωx和ωy。那么通過上述公式可得

將速度按矢量合成得到風(fēng)速

進(jìn)而可以計(jì)算出流場方向與X軸的夾角

如果在放置傳感器時已準(zhǔn)確知道了幾何位置信息，如X、Y方向與風(fēng)洞軸線的夾角，就可以得到平均氣流方向偏離風(fēng)洞軸線的大小。因此推薦使用預(yù)制好的配套設(shè)備來放置聲源和傳感器，如直角形的支架、配有角度盤的可轉(zhuǎn)動腳架等。湍流度的計(jì)算方法與之前所述基本相同。

聲波測速的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度較高，對流場的影響小，測速范圍大，配合信號、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能獲得理想的檢測結(jié)果。值得注意的是風(fēng)洞噪聲對聲波測速準(zhǔn)確度的影響仍需要更多的研究來考證，同時該方法也無法完成對風(fēng)洞試驗(yàn)段邊界層厚度的檢測。

3.3 皮托管檢測法

皮托管是由支桿和與支桿垂直的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。在裝置的側(cè)壁有一些靜壓孔，頂端由一個迎流的全壓孔。該裝置通過對壓差的測量來確定流場中某處的流速。

皮托管的測量原理是伯努利方程在空氣中的應(yīng)用。如圖6所示，理想流體均勻地平行流向靜止物體，物體在A點(diǎn)與流體接觸，并使流體分叉沿物體流過。此處的A點(diǎn)為駐點(diǎn)，即流體在A點(diǎn)的流速為零，vA= 0。

圖6 皮托管原理示意圖

在靜止物體前的流場中和A點(diǎn)處選取兩個截面，Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。截面Ⅰ-Ⅰ處的流場沒有受到干擾，流束是平行的，流速形成規(guī)則的速度分布，截面上各點(diǎn)的靜壓力相等。截面Ⅱ-Ⅱ處流體受到物體影響，流束密集、流速加快、靜壓降低。建立這兩個截面上的伯努利方程

式中：ζ—— 截面Ⅰ和Ⅱ區(qū)間的流體阻力系數(shù)，此處可忽略不計(jì)，ζ= 0；

ρ—— 流體密度，因?yàn)榱黧w是均勻的，ρ1=ρ2=ρ；

K—— 速度分布不均勻系數(shù)，此處可認(rèn)為K1=K2= 1；

p1、p2—— 兩個截面的靜壓力；

v1、v2—— 兩個截面的流速，已知v2=vA= 0

式中：p2—— 總壓力，因?yàn)榻孛姊?Ⅱ處動壓為零；p1—— 靜壓力

若在B點(diǎn)開一小孔，由于均勻流場中靜壓力相等，那么pB=p1=p靜。

令p2=p總，v1=v，則獲得：

因此通過對A和B處測量可獲得流體中某一點(diǎn)的動壓力p總-p靜，再由上式計(jì)算可得到該點(diǎn)的流速。

圖7給出了皮托管裝置在實(shí)際應(yīng)用中的一個示例。

圖7 皮托管測鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速

在機(jī)動車風(fēng)洞試驗(yàn)及相關(guān)檢測中，皮托管有結(jié)構(gòu)簡單使用方便、測速范圍較廣、測量準(zhǔn)確度高等許多優(yōu)點(diǎn)，它可用于測量與流場壓力有關(guān)的壓力梯度等指標(biāo)，也可安裝在樣車上進(jìn)行邊界層測量，這些都是使用一般檢測方法難以測得的參數(shù)。而皮托管測量法也有其缺點(diǎn)，首先因其測頭很小，用以捕捉來風(fēng)的面積就很小，因此單個測頭的數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確表示流場的平均風(fēng)速、方向等信息，大量放置皮托管對流場有一定擾動，且讀數(shù)、操作不夠便捷。

4 結(jié)語

有關(guān)機(jī)動車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的檢測目前仍存在很多值得研究和完善的方面，針對流場品質(zhì)的檢測方法，其成熟度有待提高。隨著計(jì)量檢測技術(shù)的發(fā)展，也有類似“照相測速”之類的新型技術(shù)逐漸產(chǎn)生。在目前的技術(shù)手段下對風(fēng)洞流場進(jìn)行檢測，較為合理的方式是利用風(fēng)速計(jì)或聲波測速法確定氣流速度分布的均勻度、平均氣流方向偏離風(fēng)洞軸線的大小、氣流的湍流度等技術(shù)指標(biāo)，再利用皮托管結(jié)合樣車對邊界層、壓力梯度及某些特殊位置的風(fēng)速進(jìn)行測量。只有合理運(yùn)用這些技術(shù)手段，方能對風(fēng)洞流場進(jìn)行一個全面可靠的評估，從而保證機(jī)動車風(fēng)洞試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。