風洞與空氣動力學剪不斷的關(guān)系

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在地球上,一物體在空氣或者其他流體中作相對運動時,當中所產(chǎn)生的“風阻系數(shù)、Cd值”是你我他盡知的字眼,也可以高逼格地說上一句“空氣動力學”。

那,這跟風洞測試有什么關(guān)系?關(guān)系可是杠杠滴,當物體通過風洞測試后將會得出一系列的實驗數(shù)據(jù)(光是受力特性就有:升力、阻力、橫向力等等,以及氣體流動的變化情況等等),讓那高逼格的空氣動力學得以實現(xiàn)。

世界上公認最早的風洞出現(xiàn)在19世紀末(1869~1871年),由英國人韋納姆(E.Mariotte)研究發(fā)明,后來飛機發(fā)明者美國萊特兄弟也在1900年、1901年前后均對他們的飛機進行風洞測試?？梢哉f當年的風洞測試和空氣動力研究大多數(shù)是與航空領(lǐng)域有關(guān)。

圖:飛機發(fā)明者美國萊特兄弟對他們的飛機進行風洞測試

圖:法國人Gustave Eiffel就曾在1909年建造出第一個直流開放式風洞

隨后就是在第二次世界大戰(zhàn)(1939~1945年)建有大型風洞,而在美蘇冷戰(zhàn)時期,這類型的大型風洞測試更具有重要戰(zhàn)略性意義,當中出品不乏有超音速戰(zhàn)機和作戰(zhàn)導彈。在此過后的發(fā)展中風洞測試就自成一體,不再是單單地為飛機、航空領(lǐng)域服務。1960年第一個全尺寸實車專用風洞測試由英國MIRA建造并投入使用,除了汽車之外,現(xiàn)今的風洞測試還關(guān)系到高樓建筑、運動員裝備、航船等等。

圖:北美的XP-51B戰(zhàn)機進行去掉外翼時的風洞測試

圖:在0.04馬赫(約為50km/h)至0.58馬赫(710km/h)(圖中左至右是0.04馬赫、0.4馬赫、0.58馬赫的測試情況)的風速區(qū)間段對人體進行風洞測試,當時的飛行員提供測試數(shù)據(jù)。

圖:風洞測試就不再是局限于飛機,還將會涉及太空設(shè)備、汽車、高樓大廈建筑。

圖:1960年第一個全尺寸實車專用風洞測試是由英國MIRA建造設(shè)計,圖中大家所見到的白色氣流是由于加入有煙霧,讓高速氣流可視化。

近年來,像是舉行的2016里約奧運會,空氣動力學也大派用場。來自捷克的斯柯達車廠,運用汽車空氣動力學的技術(shù)協(xié)助捷克奧運自行車選手Pavel Kelemen奪金。不同于上述的風洞測試,運用的是150臺高解析度相機來建立騎乘時的3D模型,再運用CFD電腦模擬不同騎姿的風阻,這樣一來即可找出最小風阻的騎姿。不僅僅是斯柯達,像是BMW也以自動駕駛的偵測技術(shù)協(xié)助美國泳隊在本屆奧運奪冠,此前Ferrari也曾協(xié)助過英國和意大利運動代表隊。

而我國也早在1937年清華大學(當年開設(shè)有航空工程課程)就建造有國內(nèi)第一個風洞,1947~1948年期間繼而建造有鐵殼風洞,氣流速度達40~50m/s。1949年之后,哈爾濱軍事工程學院、北京大學等都相繼建造了低速風洞。為了加速發(fā)展中國的航空航天事業(yè),根據(jù)力學家錢學森、郭永懷的構(gòu)想,國家于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構(gòu),隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機構(gòu)。而在1968年新中國成立后,位于川西山區(qū)的“中國空氣動力發(fā)展與研究中心”建成,并稱裝備有亞洲最大的風洞群,如:殲-10戰(zhàn)機、神舟系列航空工程、和諧號高速列車等均在此進行風洞測試。四十多年來,中國空氣動力研究與發(fā)展中心建造了數(shù)十座高質(zhì)量的風洞,其規(guī)?？胺Q亞洲之最,為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻。

圖:國內(nèi)的風洞測試除了涉及軍事項目外,還涉及有高速交通工具等民生工程。

圖:C919中型客機是國內(nèi)首款按照最新國際適航標準研制的干線民用飛機,圖上所見的是研發(fā)期間對比例模型進行聲學風洞測試,以檢測飛行過程中的風噪。

圖:目前國內(nèi)大大小小的風洞測試實驗室眾多,大多數(shù)置身于國內(nèi)的大學校園。

至今,風洞技術(shù)已有100多年歷史,當中的結(jié)構(gòu)組成也大致相似。目前風洞的分類有多種,假若按照流場氣流速度大小區(qū)分共有兩大類:低速風洞(氣體流動速度為0.4馬赫,約為480km/h)、高速風洞(氣體流動速度可達0.4~>5馬赫,1馬赫即1倍音速),期間高速風洞又包含:超音速風洞(Supersonic wind tunnel)、高超聲速風洞(Hypersonic wind tunnel)、亞音速風洞(Subsonic wind tunnel)和跨音速風洞(Transonic wind tunnel)。而像是汽車風洞測試之類采用的是低速風洞,而像是飛機、導彈、航天工程等采用的是高速風洞測試。

其中早期汽車用的風洞大多是從航空風洞改造過來,而當中的許多空氣動力理論和概念也是從航空力學延續(xù)過來的,所以目前分有三大類風洞結(jié)構(gòu)類型:直流式、回流式和立式風洞。

直流式風洞:

圖:直流閉式風洞,氣流通過試驗段后直接排到大氣中,雖結(jié)構(gòu)簡單但不易保持恒定的空氣溫度和濕度,以及氣流穩(wěn)定性差、噪聲大。

圖:賓尼法利納的直流開式風洞,半開式試驗段為保持有穩(wěn)定氣流。

回流式風洞:

圖:回流閉式風洞,空氣溫度、濕度、噪聲等較佳,但也需要冷卻系統(tǒng)降溫(快速流動的空氣分子摩擦),換言之建造成本費用高。

圖:回流3/4開口式風洞,試驗段為開口設(shè)計能在測試時較好地模擬周圍氣體流動的情況,獲得相對準確的測試結(jié)果,但也由于此原因會帶來渦流和氣流能量損耗。

圖:回流槽壁式風洞,在風洞管道周圍裝有平行槽,用意是減少空氣流動阻塞。

立式風洞:

圖:立式風洞一般常見于汽車環(huán)境風洞(模擬風雪雨等氣候環(huán)境),占地面積少是特點所在。

現(xiàn)今大多數(shù)風洞均采用回流式設(shè)計,當中的封閉管道是從小擴大,再由大縮小的循環(huán)回路,好處是為了減少空氣傳輸時的能量損失,不然全尺寸相等的封閉管道會有邊緣氣流堆積、高速時氣流也會與通道邊緣有更大摩擦。

更具體的風洞組成則有:收縮段、試驗段、擴散段、穩(wěn)定段(蜂窩器、阻尼網(wǎng))、動力段(電機、風扇、整流罩、預扭導流片、止旋片等)、拐角段(拐角導流片)、散熱段。其實這一大堆零部件的出現(xiàn),不過是想讓風洞測試更加高效、讓測試數(shù)據(jù)更接近真實情況。

圖:在循環(huán)風道中,在風道的拐角處見到的導流片主要是為了解決渦流問題。

圖:為避免風洞電機的運行震動影響被測試對象,像是F1的風洞就在固定電機的混凝土塊與承托混泥土塊之間設(shè)計有彈性元件濾震。

從風洞的發(fā)展歷史可以看出其與空氣動力學密不可分,風洞的產(chǎn)生和發(fā)展首先是同航空航天科學的發(fā)展緊密相關(guān)的,而后風洞廣泛用于研究空氣動力學的基本規(guī)律,以驗證和發(fā)展有關(guān)理論,并直接為各種飛行器的研制服務,通過風洞實驗來確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能?，F(xiàn)代飛行器的設(shè)計對風洞的依賴性很大。例如,50年代美國B-52型轟炸機的研制,曾進行了約10000小時的風洞吹風實驗,而80年代第一架航天飛機的研制則進行了約100000小時的風洞實驗。包括測量在不同姿態(tài)、不同速度、不同大氣條件下的阻力、升力和壓力分布。隨著現(xiàn)代科學發(fā)展的整體化趨勢的出現(xiàn),空氣動力學特別是低速空氣動力學已跨出航空航天領(lǐng)域,正在向國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域滲透,發(fā)揮越來越大的作用,并逐步形成了一門新興的邊緣學科——工業(yè)空氣動力學(Industrial Aerodynamics),風洞的應用范圍愈益廣泛,包括降落傘、船帆、球類、標槍、鐵餅、汽車、建筑物、橋梁、奧運火炬、風車、通風機、冷卻塔等等,凡是在空氣和風中的行為不清楚的,都需要在風洞中試驗和研究。

舉例來說,在1940年建成的美國西北部一座跨海灣的吊橋,即長853.4m的塔科馬 (Tacoma) 大橋,建成后不久,由于同年11月7日的一場不大的風(僅每秒19m)引起了振幅接近數(shù)米的“顫振”,在這樣大振幅振蕩下結(jié)構(gòu)不一會兒便塌毀了。事后的風洞研究發(fā)現(xiàn)了這座橋在設(shè)計上的問題,這是以往設(shè)計橋梁的土木工程師們所沒有預見到的。自此之后,凡是設(shè)計跨度較大的吊橋,都必須進行風洞模型試驗,和對橋梁所受的空氣動力進行詳細的論證。

在氣流中的物體,所受氣流的迎風阻力f,公式為:

其中,ρ是空氣密度,S是物體的截面積,v是氣流的速度,而k是與物體形狀有關(guān)的系數(shù),也稱為阻力系數(shù)或形狀系數(shù)。這個系數(shù)k只能靠風洞試驗來確定。表示不同形狀的物體的阻力系數(shù),可以看出形狀不同,對所受阻力的影響可以達到數(shù)倍到數(shù)十倍之大。假設(shè)在一定的ρ空氣密度下(不同的空氣溫度和壓力,也就有不同的空氣密度),空氣阻力的大小就與空氣阻力系數(shù)、迎風面積和速度成正比,拋開“速度”這一人為主觀的變量,各品牌車廠都想旗下的量產(chǎn)車型有更低的空氣阻力系數(shù)和迎風面積。所以早期的汽車設(shè)計師機智地采用上流線型車身,用以降低風阻系數(shù),而當中最為突出的是1922年,羅馬尼亞工程師Aurel Persu設(shè)計的超低風阻系數(shù)汽車,Cd值范圍在0.22~0.28(即便是最大的0.28Cd值,也如現(xiàn)代保時捷Carrera一樣),要知道當時一般汽車的風阻系數(shù)在0.8~1Cd值。

圖:汽車風阻系數(shù)最小0.22Cd值

但現(xiàn)今在汽車風洞測試中除了講求低風阻系數(shù)外,還需要考慮到整車的熱交換管理、風噪處理,以及高速行駛時車身不穩(wěn)定現(xiàn)象等,換言之更加講求整車高效空氣動力的表現(xiàn),而這就有賴于外觀包圍套件和車身設(shè)計。

為了能相對更接近地得到車輛實際上路后的表現(xiàn),車廠會進行比例模型風洞測試(模型比例通常有:1:2、1:2.5、3:8、1:4、1:5、1:10)、1:1實車風洞測試、聲學風洞測試和環(huán)境風洞測試,一系列過后收集數(shù)據(jù)、綜合分析再通過計算機運算,再逐步修改當中的車身造型設(shè)計、空力包圍套件、擾流導流板。

量產(chǎn)民用車利用風洞測試后,可以改善風阻系數(shù)。而對于賽車來說的風洞測試又是怎樣的呢?,燒錢是各車隊每年早料到的事,但前提是能有那么一套空力套件產(chǎn)生下壓力的同時不增加空氣阻力,就好比F1賽車。而大致上用于測試F1賽車的風洞沒多大不同,唯獨是各車隊會根據(jù)所需選用不同類型的風洞。F1賽車的空力套件在風洞測試中會在一定范圍內(nèi)控制氣流壓力和溫度等,實際比賽時能緊緊咬合地面。

圖:擴散器的工作原理涉及到文丘里效應。根據(jù)文丘里效應,流體經(jīng)過縮窄斷面時,流速會增加,車底部分相當于文丘里效應中的縮窄斷面。而且要說明的是,真正形成下壓力的區(qū)域是車底,而非擴散器,因為根據(jù)上面的CFD圖,氣體流速最快的部分是擴散器前面的車底部分,擴散器的作用只是幫助車底形成一個文丘里式的縮窄斷面。

車的風洞沒多大不同,唯獨是各車隊會根據(jù)所需選用不同類型的風洞。F1賽車的空力套件在風洞測試中會在一定范圍內(nèi)控制氣流壓力和溫度等,實際比賽時能緊緊咬合地面。

除了提供有下壓力外,F1賽車還可以通過空氣動力套件減少下壓力超車,就好比DRS可調(diào)尾翼在調(diào)平狀態(tài)下大約能增加80匹馬力?？偟膩碚f,不管是為了娛樂觀賞性還是真刀實槍,F1賽車還有眾多復雜的有關(guān)空氣動力學的套件,而這一切均需要風洞測試得以實現(xiàn)。當然FIA也明白,也在不斷地修改F1賽車風洞規(guī)則,只可用不大于原車尺寸60%的模型測試、180km/h風速限制、即便是上限12套倍耐力輪胎也是規(guī)則指定內(nèi)。大尾翼、風刀、前后擾流、包圍、側(cè)裙等等是現(xiàn)今不少改裝玩家、賽道玩家都聽聞過的,像是World Time Attack Challenge(簡稱WTAC)賽車都會裝上這類的空力套件,而這無非也是想獲得更大下壓力和引導氣流降低風阻。