抗风研究与设计-风洞

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上海地面交通工具风动中心——我国第一座汽车专用风洞2009-09 2009年9月19日，中国第一个专用汽车风洞——上海地面交通工具风洞中心在同济大学嘉定校区落成启用。它的建成，标志着我国汽车工业在自主研发的道路上迈出了关键一步。 上海地面交通工具风洞中心，位于同济大学嘉定校区，占地面积约213亩，总建筑面积21095平方米，建设内容包括三大块：汽车风洞试验室、汽车风洞测试中心和管理中心、风洞中心研究大楼。其中，汽车风洞试验室隐身在一幢2.1万平方米的大楼内。大楼的前部分为办公区，整幢大楼只在二楼有一个狭窄的通道，通向后面的“风洞区”。穿过通道，左右两座巨大的“风洞”便进入视线。右边是汽车气动声学整车风洞，左边是热环境整车风洞。两座“风洞”功能不同，一个用来测风、测阻力、测噪音；另一个用来测温度、测热量。 气动—声学整车风洞主要用于车辆气动力性能测试、气动声学测试和低噪声优化设计。风洞喷口面积达到27平方米，安装有一台上海鼓风机厂制造的轴流风机，总功率4125千瓦，总重量110吨，风机叶轮直径8.5米，每分钟转速195转，每秒风量达到1920立方米，相当于近一万台普通家用吊扇的出风量。如此强大的动力可以在30秒内将静止的空气加速到250公里/小时。而测试段在风速时速160公里时，背景噪声仅为61分贝，是目前国际上同等规模汽车风洞中最安静的一座。此外该风洞还设有五带移动系统和六分量测试天平。 热环境整车风洞主要用车辆热力学测试和热环境性能评估，设有7-14平方米可变大小喷口，安装有一台上海鼓风机厂制造的1600千瓦风机，叶轮直径4米，总重量24吨，每分钟转速740转，每秒风量为390立方米，试验最大风速每小时0-200公里，模拟温度－20℃～＋55℃，可控湿度5～95％，并设有可变强度和角度的全光谱阳光模拟装置以及双轴驱动转鼓系统，模拟阳光每平方米300-1200瓦。能模拟阳光暴晒、风吹雨淋、冰雪结霜等各种气候条件和车辆行驶工况。 建成启用后，风洞中心不仅能够进行轿车、客车、SUV、卡车等各类汽车的整车和零部件以及高速铁路、地铁轨道车辆模型等系列试验，还可以为我国大飞机的自主研发提供必要实验条件。通过风洞试验，可以为车辆设计过程中的优化造型、降低油耗，提高车辆行驶安全性和操纵稳定性，控制车辆内外空气动力噪声，以及优化发动机冷却系统及空调系统等提供第一手的数据，从而在较短时间内完成车型开发、改性设计以及热力学性能测评等内容。 风动对交通工具的作用“风洞”来自于英语“windtunnel”，最早“风洞”专门用来研究飞机的气动性能。随着全球汽车工业的发展，它被广泛运用于新型汽车的设计和研发之中。通过模拟空气相对流动、日照降水等各种行车环境，给设计中的汽车寻找最省油、最安全和最美观的外形，为零部件求得最安全、最耐久的性能。 汽车的设计步骤汽车设计大致包括手绘初步设计效果图制作油泥模型制作样车风洞实验模拟碰撞实验路试实车碰撞实验等过程国外的汽车公司在进行汽车开发时，其车身大都是先制成l：1的汽车泥模，然后在风洞中做试验，根据试验情况对车身各部分进行细节修改，使风阻系数达到设计要求，再用三维坐标测量仪测量车身外形，绘制车身图纸，进行车身冲压模具的设计、生产等技术工作。 有这样两组数据：微型轿车平均42%的油耗用于克服空气阻力。普通汽车以120公里时速直线行驶时，超过60%的油耗将用于对抗空气阻力。经气动设计后，汽车每降低10%的气动阻力，能耗将减少3%—5%。无论从追求速度还是节约能源角度考虑，先进的流体力学设计对汽车设计研发都有重大意义。 风动实验的国际状况纵览全球汽车诸强，德国早在20世纪中叶，就由政府与奔驰、保时捷等企业共同出资，在斯图加特大学内建造了第一座汽车风洞，按照公共服务平台模式经营，时至今日仍然发挥着巨大作用。欧美各大汽车公司都有自己的专用汽车风洞，成为自主研发的强力后盾，日本丰田汽车公司甚至拥有6座不同规模与用途的风洞。 2006年2月21日,奔驰SLK跑车在德国斯图加特大学的气动声学风洞接受测试 目前国际上业内“四大地面交通风洞”：德国奥迪公司的汽车风洞德国斯图加特大学的汽车风洞美国戴姆勒克莱斯勒公司的汽车风洞美国通用汽车的风洞 此前我国的情况此前，中国的整套汽车研发基础平台必不可少的“四大件”中，碰撞线、电磁兼容实验室和试车场已条件初具，却独独少了专门用来进行流体力学和热环境试验的汽车整车风洞。国内自主研发的汽车、尤其是轿车，以往都需要到欧洲进行风洞实验，每一个小时的开销高达3200－3800欧元左右，通常一个车型开发需要进行400到600小时的风洞实验，开销巨大，而且在欧洲进行风洞实验，还有增加研发周期、保密性不高等缺点。奇瑞汽车总裁尹同跃曾经说，“以前我们不得不将自己设计的样车送往国外做风洞实验，时间和内容均有严格限制，不仅拉长设计周期，加大开发成本，也局限了设计团队施展才华。”因此汽车设计离不开“风洞”这一关键装备。 此风洞对我国汽车制造业的作用目前中国汽车年产量近1000万辆，已经成为世界第三大汽车生产国和世界第一大汽车消费市场。而国产汽车有很多只能模仿国外汽车外形,被讥讽为“山寨车”，其根本原因在于国内缺乏汽车风洞测试设施。汽车企业只能进行逆向设计，在国外汽车已有的气动外形上进行些小改动，如车灯、保险杠等。而中国有了自己的‘风洞’后，我国的汽车企业就能以较低的成本，实现“正向设计”，提高我国汽车产业的研发能力。 项目的起因2004年12月，在时任同济大学校长万钢的奔走呼吁下，上海市将上海地面交通工具风洞中心项目列为首批科教兴市重大产业科技攻关项目，在建设资金和建设条件方面重点给予支持，同济大学为项目承建单位，项目总投资4.9亿，于2005年12月28日正式开始建设。国家发改委、科技部、财政部、教育部等部门也给予鼎力支持。上海地面交通工具风洞中心建成后，可以为全国汽车企业研发提供服务，而且收费将比国外便宜一半以上。目前已经有上海大众、上海通用等8家企业草签了合作意向书。同济风洞中心可以满足2-3家不同客户同时进行或准备试验的安全性和技术保密性要求，为每个用户提供隔离操作区和人员流线，保护客户的知识产权。 风洞的设计建设难度大风洞的设计、建设难度有目共睹：风扇、喷口如何配合才能保证出风稳定高效？供风行走的流道怎样设计才能确保风来去自如？房间的形状要不要设计成不规则的喇叭形？这些问题都没有现成答案，更不是买来各种最昂贵部件就能解决的。国外曾有惨痛教训，一个耗资近亿美元的风洞造好后，发现一个关键参数未达要求，只能返工，延期两年才投入运营，资金、人力浪费，也拖了汽车企业研发后腿。 同济大学项目团队攻克了诸多技术难题。在气动—声学整车风洞建设中，要求测试环境越安静，各项测得数据越精准。同济建设的风洞，在风速为160公里/小时情况下，整个实验室背景噪音被压到61分贝，而国际先进水平为65分贝。常人眼中区区4分贝的差距，在汽车实验中就会产生相当大的差异。气动—声学整车风洞在各种模拟情境下，承载汽车的测力天平将各处受力数据即时传输，灵敏度高达0.007%。形象地说，实验时，朝上吨重的车身上轻放一枚一元硬币，各项读数也将瞬时改变。热环境整车风洞对汽车可能遇到的情景模拟“全覆盖”。测试温度从零下20摄氏度到零上55摄氏度，湿度从5%到95%，阳光、雨水等也完全逼真。大尺寸的测试区给实验带来便利，轿车、SUV、卡车、公共汽车，甚至连正在研发中的高速列车部件和缩比模型同样能“吃得下”。 自2009年7月1日风洞中心试运营以来，已有不少企业的新车型来到这里接受考验。如长安汽车已有“奔奔”、“悦翔”等多款产品，在此完成空气动力学试验和风噪试验。德国梅赛德斯－奔驰公司在风洞落成时，也准备将其最新研发的一款被称为“世界上空气动力系数值最低”的车模，送到该风洞进行测试。还有台湾汽车生产企业，原本他们一直要去欧洲进行风洞试验，得知上海也有了同样的技术平台后，动心又不放心，上半年风洞中心还在建时，从总经理、中层管理人员到技术人员就一拨拨来考察，终于下定决心舍远求近，让研发中的新车“坐”1小时40分钟的飞机来上海。结果令他们十分满意，准备以后长期合作。 有了先进设备的支撑，科研人员才有足够施展的空间。同济大学也吸引了大批优秀人才。以风洞中心主任杨志刚博士为例，这位曾在美国航空航天总署(NASA)和通用汽车公司工作近20年的国际知名空气动力专家，放弃高薪，举家落户上海，只为万钢校长的一句邀请：“我们有建风洞的打算，你愿意来吗？”杨博士这样解释当时来上海的原因。全世界只有十来个同类风洞，作为空气动力专家能够主持风洞建设，无疑是对自己能力的挑战，更是一种幸运！中国汽车工程学会常务副理事长付于武指出，中国汽车工业正处于从汽车生产大国向汽车制造强国转折的历史时期，上海地面交通工具风洞中心的建成和投入使用，对中国汽车在产品设计、工艺制造开发领域达到国际先进水平具有重大推动作用。 目前，全世界用于汽车空气动力学研究的风洞有50多座，主要分布在欧、美、日等国。早期风洞主要用于航空军工领域。1871年英国人F.H.韦纳姆建成了世界上第一个风洞，那是一个长约3米，两端开口的木制风箱。1901年美国的莱特兄弟制造了试验段面积0.56平方米，风速12米/秒的风洞，进而在1903年发明了世界上第一架实用的飞机。1916年德国哥廷根大学建成真正现代意义上的风洞—普朗特风洞。 随着工业技术的发展，从1960年代开始，风洞试验(主要是低速风洞)从航空航天领域扩大到汽车、建筑等一般工业部门。反映各行各业的发展越来越需要空气动力学和风洞试验的参与，已经形成了新的学科：“工业空气动力学”和“风工程学”。汽车专用风洞也得到了迅速发展。 1976年奔驰公司改建成全尺寸现代化汽车风洞，驱动风扇的电机功率高达4000千瓦，其风扇直径达8.5米，风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270千米/小时。成为当时世界上最先进的汽车风洞。 1980年美国通用汽车投资数亿美元，在位于密歇根州沃伦的空气动力学试验室研制出了世界上最大的汽车风洞装置。该装置风扇直径43英尺（13米），有六个风扇叶片，每个叶片重1吨，高12英尺，用西加云杉(Sitkaspruce)薄片制成。由4500马力的电动马达推动，可使六个叶片的风扇的转速达到每分钟270转。测试区最大风速220千米/小时。它每天24小时、每周7天不停运转，通用汽车的全部车型都要经过该风洞测试才能生产。 1999年2月，美国戴姆勒克莱斯勒集团耗资3750万美元，在密歇根州奥本山（AuburnHills）总部风洞测试中心建设一座气动-声学风洞，于2002年7月投入使用。该风洞总面积3100平方米，测试区面积21米X15米X10米，喷口面积28平方米，安装有一台4730千瓦的12叶片风机，转速290转。最大测试风速240千米每小时。在140公里时速时，测试室背景噪音为62.5分贝。 1999年12月，德国奥迪汽车在英戈尔斯塔特（Ingolstadt）投入巨资建设的气动声学风洞和热环境整车风洞投入使用，气动声学风洞安装有一台2600千瓦风机，每秒风量916立方米，最高测试速度235千米每小时。另一座热环境整车风洞，温度设定范围可以从零下25度达到零上55度，还可以在低温或者极端温度下进行除水测试等气候实验、在超高速行驶、高温状况下进行引擎冷却模拟。除温度外，还可以进行降雨模拟和太阳光暴露模拟。必要的时候还可以制造降雪。 按照不同的分类标准，可以将汽车风洞划分为全尺寸风洞和模型风洞。使用全尺寸模型或真车进行测试的风洞叫做“全尺寸风洞”，使用缩比模型或零部件的较小尺寸的风洞叫做“模型风洞”。日本和苏联多采用1：5比例的模型；欧美国家多采用1：3或1：4比例模型。目前全世界有近30座可用于全尺寸汽车试验的风洞。国内以前仅有绵阳气动中心的8m×6m风洞能够进行汽车全尺寸风洞试验。上海同济大学这次建成的整车全尺寸风洞，大大提高了我国汽车研发水准。 根据测试条件分类，汽车风洞还可以分为全天候风洞、声学风洞和气动力风洞。全天候风洞（或气候风洞）可改变气流温度、湿度、阳光强弱和其他气候条件（雨、雪等）；声学风洞在建造过程中采用了多种降噪措施，背景噪声极低，可以分离并测量出汽车行驶时产生的气动噪声。这两种风洞统称为特种风洞。其余一般风洞都是气动力风洞。近年来新建的风洞，都是气动/声学风洞，或气动/气候风洞，甚至气动/声学/气候风洞，这类风洞又称为多用途风洞。 此外，按照试验段尺寸分类，一种是测试区截面积小于10平米的风洞（包括缩比模型风洞和全天候风洞），主要是用来把空气直接导向热源集中的汽车发动机舱周围区域进行试验。如MIRA模型风洞，国内吉林大学的汽车风洞、上海刚刚投入使用的热环境整车风洞。一种是测试区截面积小于10平米，大于30平米的风洞。这种风洞主要用于试验各种轿车及其它比较小的车辆(实车试验)。如丰田全尺寸风洞，和上海同济的气动-声学风洞。还有一种是测试区截面积大于30平米的风洞。这类风洞主要用于试验轿车到中级载货汽车以及大客车。如美国通用汽车的全尺寸风洞，和中国绵阳气动中心8m×6m风洞。 绵阳空气动力研究与发展中心的8m×6m低速风洞是亚洲最大的一座风洞，该风洞由风洞洞体、测控系统、动力系统、模型支撑系统和顶门升降系统等组成，风洞全长237米，驱动风洞的动力风扇为三台呈品字形排列的7米直径风扇，总功率高达7800千瓦，最大测试速度达到360千米/小时。该风洞有两个串列布置的试验段，第一试验段尺寸为12m×16m×25m，第二试验段尺寸为8m×6m×15m。主要用途为飞机低速大迎角测试和直升机及垂直短距起落飞机的气动力试验，兼顾汽车、桥梁、建筑等工业气动力学方面的试验。 风洞鼓风机造出的“人造风”，可能是世界上最昂贵的风。“滴答”吹一秒，就要1欧元以上的费用。一辆高档轿车从概念车到完成整车设计耗资高昂，尤其在世界顶级F1赛车中，各车队广泛应用风洞测试以提高赛车性能。 俄国米德兰F1车队的风洞位于英国布拉克里，建于1986年，是所有车队中最早建设的风洞，可使用40%比例的测试模型，最高测试时速160公里。意大利跑车巨头法拉利的F1风洞位于马拉内罗，由德国专业的风洞承建公司TLT于1998年建设交付使用。设计者为伦佐-皮亚诺。风扇直径5米，最大气流速度250公里/小时，最大功率2200KW。测试横截面积约12平方米，测试汽车模型测试比例60%，测试台最大倾斜角度为8度。 法国雷诺F1车队的风洞位于英国恩斯顿，于1999年建成，最高测试速度250公里/小时，可使用1：1模型。日本本田F1车队的风洞位于英国布拉克里，于2000年建成，最高测试速度280公里/小时。丰田F1车队的风洞位于德国科隆，于2002年建成，最高测试速度240公里/小时，可使用60-100%比例模型。 目前各支F1车队在空气动力学上的花费已占到其整个车队年度预算的15%,是仅次于发动机研发的第二大支出项目。每个赛季,国际汽联都会对空气动力学规则做出修改。2004年,赛车的尾翼被减至两片,2005年,前翼高度抬高5厘米,首次限制扩散器高度；2006年,FIA又要求前轮轴心之后330毫米以内,参考面30毫米以上的区域不得安装任何空气动力学套件。虽然FIA不断为技术发展设置障碍,但是F1赛车速度的提高从来就没有停止过,这正是空气动力学的研究价值。 除了汽车外，火车、飞机、地铁列车，甚至自行车、滑雪运动员的比赛设备都可以通过风洞测试来提高性能。 意大利跑车巨头法拉利的F1风洞位于马拉内罗 法国雷诺F1赛车的风洞测试区 上海同济大学嘉定校区 气动-声学风洞测试区，可进行整车性能测试，转盘中部为高速传送带，可模拟车辆高速行驶状态。 风洞中的格栅导流片 这是奥迪汽车建设的风洞，工作人员正在对奥迪R8跑车进行风洞测试。其最大风速可以达到时速280KM 德国奥迪建设的热环境整车风洞，温度设定范围可以从零下25度达到零上55度，还可以在低温或者极端温度下进行除水测试等气候实验、在超高速行驶、高温状况下进行引擎冷却模拟。除温度外，还可以模拟降雨和模拟太阳光暴晒，必要的时候还可以制造降雪。 美国通用公司在1980年建设的世界最大汽车风洞，风扇直径约13米。 这是四川绵阳中国空气动力研究与发展中心建设的8m×6m低速风洞，有三台品字形排列的7米直径风扇，总功率7800千瓦，是亚洲尺寸最大的风洞，可做整车气动试验。 德国宝马公司在慕尼黑耗资1.7亿欧元建设的第二个风洞。 宝马风洞试验室的风扇和风道 宝马风洞内部，测试区直径10米的转盘。通过这个转盘就可以让被测试的车辆改变姿态以进行各种测试。 宝马风洞可对真车进行风洞测试试验。试验区长20米，宽11米，高15米，大小和标准篮球场差不多大。 作人员通过流放烟幕来观察气动特征 马风洞试验室布局模型