汽车风洞空气动力学性能影响因素

陈军，王勇，石锋，周龙

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）



汽车风洞空气动力学性能影响因素

陈军，王勇，石锋，周龙

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

摘 要：汽车风洞在汽车气动造型设计、减小风阻、降低能耗等方面起着关键作用。由于汽车风洞的有限尺寸，其空气动力学性能受多种因素的影响，影响因素主要有阻塞、边界层、压力梯度、压力脉动等。其中有些因素必须进行合理设计；有些因素影响风速的确定，需要对风速的进行标定；有些因素对车辆空气动力学性能测量有较大影响，需要对测量结果进行修正；有些影响因素虽然不能物理消除，但是通过调试校准可以获得更理想的结果。其中合理设计、正确的标定和校准是确保测量结果准确性的前提，必须在风洞设计、建造和调试阶段充分考虑，是对风洞使用过程中测量结果的提前修正；对测量结果进行经验修正，可提高准确度。

关键词：空气动力学；汽车风洞；风洞设计；标定；修正；阻塞；边界层

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.002

CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-03-05

前言

汽车空气动力学-声学风洞主要用于车辆的空气动力学参数及风噪声测量，在车型开发过程中起着非常重要的作用。由于汽车风洞的尺寸限制，必然导致阻塞效应、边界层效应的产生，同时不可避免地出现压力梯度、侧洗流与测试段边界相互作用以及压力脉动、气流偏角等现象，从而造成汽车风洞中模拟出的风环境与自然界的真实风环境存在一定的差别，影响汽车风洞的空气动力学性能并导致测量结果的偏差。对影响汽车风洞空气动力学性能的因素进行合理的设计及其相关的标定、校准和修正是风洞设计、建造、调试、验收和使用过程中必不可少的重要工作。

1、阻塞效应

阻塞效应是在车辆置于风洞中时，由于喷口和测试段的有限尺寸而产生的气流效应。其量化指标可用阻塞比来表征，阻塞比是车辆正投影面积和喷口面积的比值。

阻塞效应是汽车风洞最主要的物理负面效应，它很大程度上决定了汽车空气阻力系数的测量误差的大小。因此，为了提高汽车风洞的空气动力学性能，首先要解决好阻塞问题。

汽车风洞中的阻塞效应可以通过势流模型[1]来表示。见图1。对于测量结果存在着喷口阻塞、收集口阻塞和射流边界阻塞三种阻塞效应[6]。喷口阻塞是由于喷口有限尺寸造成的。收集口阻塞是由于收集口的有限尺寸造成的。射流边界阻塞是因为风洞测试段的有限尺寸造成的。

图1　汽车风洞的阻塞效应势流模型Figure1　Automotive wind tunnel blockage effect potential flow model

因此，如果要得出准确的测量值，需对风洞喷口、测试段、收集口、天平与喷口之间的距离等进行合理的设计以及在使用风洞的过程中进行适当的阻塞修正。同时，建造时还应重点考虑喷口、收集口和测试段等关键点的尺寸精度和位置精度。

1.1 通过风洞设计减少阻塞效应

风洞喷口面积越大，阻塞比相应越小。因此可以通过合理设计风洞喷口大小来进行减少阻塞引起的测量误差。

车辆在实际路面上行驶，其阻塞比趋向于0。因此我们希望喷口尺寸越大越好，但是从建设的角度来考虑，汽车风洞设计阻塞比一般不高于15%。喷口尺寸一般设计为25m2以上。

风洞阻塞效应是风洞多种硬件和测试车辆组合的原因造成的[14,32]，这可以在风洞的设计阶段通过综合考虑喷口收缩比、收集口几何和尺寸、驻室尺寸、测试段长度以及天平中心距离喷口距离等因素的影响，最小化阻塞效应。其中，测试段的长度是由喷口出口平面至测试车辆尾端长度Lme、压力梯度范围的长度LG、尾流区域长度Lmw这三个长度决定，见公式（1）。

1.2 阻塞对阻力系数的影响及修正

在风洞使用过程中，可以进行测量结果的阻塞修正，提高准确度。

根据伯努利方程[2]（见公式22）和汽车阻力系数的计算方法得知（见公式14-15），对阻力系数的修正实际上是对动态压力的修正[6]。

根据图1所示的模型，动态压力的经验修正公式为：

公式2适用于喷口法”（The nozzle method）[2]，公式3适用于“驻室法”（The plenum method）[2]，其中，qc分别是修正后的动态压力；q∞为测量得出的参考动态压力；εS为射流边界的阻塞系数；εN为喷口的阻塞系数；εC为收集口的阻塞系数；εQN和εQP为风压系数[1]，分别对应“喷口”和“驻室”。εS与风洞截面的形状、模型（车辆）的体积、投影面积、长度和喷口面积及风压系数有关。其计算公式为：

其中：

AN为喷口面积，VM为模型体积，LM为模型长度，AM为模型正投影面积，B为测试段宽度，H为测试段高度。而风压系数又与喷口面积、模型投影面积、模型中心距喷口的距离XM以及喷口及其镜像的等效半径RN有关。

εN的计算公式[6]为：

式中，XM为模型中心距离喷口的距离。

εC的计算公式为：

式中，RC为收集口及其镜像的等效半径，LTS为风洞测试段的长度，εw为尾流阻塞系数。尾流阻塞包含气流分离诱导的阻力和气流与收集口的固壁表面摩擦产生的阻力。εw与模型（车辆）的尺寸、风洞测试段的截面积ATS、横摆角为零时的阻力系数测量值CD（0）uw以及横摆角β有关[8]。

根据公式10-13可以得出阻塞修正后的阻力系数CDc。式中：FD为测量得出的阻力，ρ为空气密度，CDm为测量得出的阻力系数，ΔCDB阻力系数阻塞修正量。

则：

1.3 由于阻塞引起的喷口压力梯度对阻力系数的影响及修正

由于风洞的有限尺寸，当车辆被置于风洞中时，与喷口相互作用形成了阻塞，在车辆位置处产生了附加的喷口压力梯度[9]，在趋势上增加了阻力。进行喷口压力梯度对阻力系数测量影响的修正非常必要。在汽车风洞中对阻力的实际测量中，“驻室法”（The plenum method）和“喷口法”（The nozzle method）均可采用，但必须加以修正[9]。关于这两种方法的异同详见2.4节。

对于“驻室法”，阻力修正量经验公式为：

对于“喷口法”，阻力修正量经验公式为：

公式中U∞为参考风速，UN为喷口处风速，UP为驻室中风速，AN为喷口面积。

2、边界层效应

由于风洞的有限尺寸和气流的粘性，气流产生分离导致一定厚度的边界层，而边界层效应的存在会导致通过车底的气流通量减少，为了补偿这个气流通量的减少，势必造成作用在边界层内的车轮等车辆部件的力矩的损失，从而造成空气动力学测量的误差[7]。

2.1 边界层控制系统的应用

汽车空气动力学风洞中采用的边界层控制系统一般情况下，可分为三级，第一级是位于喷口出口处气流的下游位置的水平抽吸系统，第二级是位于转台前端的垂直抽吸系统，第三级是位于移动带前端气流上游位置处的切向射流系统。而在环境风洞中由于对空气动力学性能要求不高，通常只采用一级边界层控制系统，即位于喷口出口处气流下游位置的水平抽吸系统。

但是，不同设计公司设计的汽车风洞，其边界层控制系统的配置有可能不同，不局限于上述三级配置。边界层控制系统的采用需要在设计阶段就予以重点考虑。而在建造时也要重点考虑边界层控制系统的安装空间、维修空间、调试控制的便利性以及与天平移动带转台系统的配合关系。

2.2 路面模拟系统的应用

为了更进一步减少边界层效应，空气动力学风洞采用移动路面模拟系统（Moving belt system），用于模拟车辆在路面行驶的路面状况，从而大大减少采用固定地板而造成的边界层效应。这样就使车底的气流模拟更接近实际状况，可以提高风洞空气动力学参数测量的准确度。移动路面系统包括单带系统、三带系统和五带系统。目前应用最多的是五带系统，带按材质分为钢带和复合材料带两种。而单带系统一般用于模型风洞。三带系统是最新发展的移动路面系统，目前在德国FKFS汽车风洞中采用，因其能更精确地模拟移动路面状况，所以更多地是用于赛车的试验。对于普通乘用车而言，五带系统已足够满足要求。

2.3 测试段边界层的校准

风洞调试过程中，我们要进行对测试段边界层厚度的测量和校准，主要通过调整边界层控制系统的抽吸率、切向射流的喷射压力等方法来进行，从而使边界层厚度满足风洞设计之初提出的指标要求。边界层厚度通过测量地板上方速度分布情况来确定，原理见图2。边界层厚度δ99为u/U∞等于99%时皮托管的高度，而边界层位移厚度δ*见公式[7]16。

图2　边界层测量原理Figure2　Principle of boundary layer measurement

边界层厚度的测量和校准过程实际上是去除边界层的必要的技术手段，是边界层控制系统和路面模拟系统在建造好后综合发挥作用的前提条件。

2.4 喷口内边界层影响及风速标定

喷口内存在的边界层，会对风速产生影响[6]，因此在风洞在投入使用之前，需要进行风速标定，从而实现对测量结果的提前修正。这个对于风洞的性能至关重要，因为风速的控制的准确性是决定风洞设计和建造成功的必要条件。

目前的汽车风洞一般是开口风洞，一般采用“驻室法”进行对动态压力（风速）进行测量[1,14]，见公式17-20。

公式中：q∞为风洞参考动态压力，U∞为参考风速，pSC为稳定段中的静态压力，pP为驻室内的静态压力，kP为流道系数，ρ为空气密度，AN为喷口出口平面面积，ASC为稳定段横截面积。风速由风洞的流道系数和压力来决定。pSC和pP可直接用皮托静压管测出。而流道系数kP虽然与收缩比有关（见公式19），但它由于喷口内的边界层效应而发生变化[6]，所以建议采用接近“喷口法”的试验方法确定准确的流道系数（见公式20），其中PN为喷口内的静态压力，kN为采用“喷口法”得出的流道系数，这个流道系数替代kP代入公式17中可获得相应风速。

3、压力梯度影响及“水平浮力”修正

“水平浮力效应”是由于有限的风洞空间尺寸，并且采用边界层控制系统，造成空风洞测试段内压力分布不均匀，从而产生压力梯度，形成“水平浮力”。过大的压力梯度的存在会影响车辆空气阻力系数的测量结果，车前端的压力梯度会造成阻力增加，车后端的压力梯度会造成阻力减小[33]。“水平浮力”造成的阻力的测量误差，见公式21[3]。

我们可以看出，由“水平浮力”产生的阻力误差ΔCD|HB除了跟车辆尺寸有关之外（公式21中VM为车辆体积，AM为车辆正投影面积），还跟压力梯度有直接的关系，其中dcp/dx为沿x轴向上的静态压力梯度因数。G为格劳厄特系数（Glauert factor），对于地面车辆取G=1.75[3]，但这会造成过度修正。根据WICKERN的文章[4]，对于量产汽车，取G=1.14。

空风洞压力梯度问题在较早时间就被关注和研究，“水平浮力”对阻力系数的测量影响较大，但是可以通过合理设计测试段长度、风洞调试时调节边界层控制系统抽吸率或吹气压力，使风洞测试段具有良好的压力梯度指标，尤其是车辆长度范围内的压力梯度，从而提高测量准确度。目前风洞技术发展水平来看，这个问题解决的很好，目前大多数新建的汽车空气动力学-声学风洞都具有很好的压力梯度指标，其测试段内压力系数曲线[10]在车辆长度范围内非常平缓，其值接近于0，如图3。因此“水平浮力”的修正值在车辆总CD值修正[5]中占比重较小。

图3　欧洲风洞测试段压力系数曲线Figure3　Cp Curves in test sections of European wind tunnels

4、压力脉动

压力脉动是由于气流的紊动而产生的围绕时均压强上下波动的随机动压，它产生的根本原因是有限的风洞尺寸，是物理现象，是不可消除的。对于具有开放式测试段的汽车风洞，由于收集口、驻室侧壁和顶棚等的存在，气流会被反射，从而在风洞中产生低频颤振现象（即压力脉动），其频率与风洞固有频率接近或相同时会产生共振，见图4。

压力脉动现象不仅影响风洞的空气动力学和声学品质，而且影响整个设施建筑的结构安全。因此必须采取措施予以减弱，这对于汽车风洞非常重要。

压力脉动水平高低用压力脉动系数的均方根值Cprms来表示，见公式22，它直接影响着风洞的流场质量和测试段声场，从而影响测量的准确性。

式中fi为频率，Cpfi为fi频率下的压力脉动系数。

虽然压力脉动现象是不可消除的，但是可以通过在风洞设计和建造阶段采取相应措施减少其影响。采取的主要措施是设计和安装赫尔姆兹共振腔（Helmholtz resonator）或与其类似作用的结构。

在风洞调试阶段，在空风洞中进行一定频率段内的声压级扫描，得到风洞共振频率。可以通过调节赫尔姆兹共振腔的共振频率与风洞共振频率一致，降低压力脉动水平，提高流场质量，降低背景噪声。赫尔姆兹共振腔模型见图5。共振腔的共振频率为：

式中，c为声速，V为赫尔姆兹共振腔的体积，A为颈口的横截面积，L为颈口的长度（可调）。

图4　驻室压力脉动产生机理模型Figure4　Pressure pulsation modelin the plenum

图5　赫尔姆兹共振腔模型Figure5　Helmholtz resonator model

降低压力脉动的另外一种方法是在不影响有效流场的前提下合理设计驻室的部分结构参数，比如收集口喉部的间隙。有研究证明，采用合理的收集口间隙可以一定程度上抑制测试段内的低频颤振现象[9]。这种方法可以和赫尔姆兹共振腔联合使用，可以取得更好的效果。

与赫尔姆兹共振腔作用相似，目前降低压力脉动水平的另外一种主要手段是采用主动阻尼系统，例如在Audi的空气动力学-声学风洞中就采用了一种所谓的“主动共振控制系统（ARC）”[10]的主动阻尼系统，它能够减弱在所有风速下的共振。但是这种主动式的共振控制系统非常昂贵，汽车风洞较少采用这种方式。

目前丰田在日本的空气动力学-声学风洞采用一种称之为“伴流”的技术[11]，即在喷口周围引入外界空气流，伴随主气流一起流动，这也可以有效减少压力脉动。它的原理根本上是赫尔姆兹共振腔（Helmholtz resonator）的原理。

5、总结及结论

阻塞效应、边界层效应和压力梯度是影响汽车风洞空气动力学性能的主要因素。阻塞效应是不可避免的，但是可以通过对喷口、测试段和收集口的合理设计得到先进的技术指标；后期可以通过风洞使用过程中的数学修正来进一步降低阻塞效应。汽车风洞的近年来采用的先进技术，比如移动带系统、边界层控制系统等均与边界层效应有关。压力梯度是不可回避的问题，历来汽车风洞技术专家及工程师都将其纳入车辆总CD值修正方法中。

压力脉动主要影响风洞的测试段流场质量、声学品质和结构安全，对汽车风洞来讲非常重要，主要通过合理设计和精确建造并通过高水平的调试来达到目标。

对于汽车风洞这四个方面的因素，目前在设计技术上是比较成熟的，但主要指北美和欧洲的技术，国内相对非常落后。在建造和调试方面，国内虽然已经有成功案例，但也是在国外设计公司主导下完成的，国内技术力量还很欠缺。因此，中国在汽车风洞设计、建造和调试技术方面尤其是在如何减少阻塞效应和压力梯度效应以及降低压力脉动水平等方面还没有很好的发展。

此外，在数学经验修正方面，虽然国外经过半个多世纪的发展，已经有相当成熟的修正方法，但是仍然需要继续不断地完善和改进。

通过上述研究可知，可以选取恰当的措施降低汽车风洞中测量误差源的影响。因此在风洞设计、建造以及调试阶段从技术方面应重点考虑以下三个问题：

1）风洞概念设计阶段，合理选取空气动力学指标，保证风洞性能的先进性。

2）风洞设计和建造时，采取相应措施确保设计目标的实现和施工质量，尽量降低上述各因素对风洞性能的不良影响。

3）对风洞空气动力学指标进行标定或校准，以保证测量结果的准确性。

合理设计、正确标定和校准均为风洞设计、建造和调试阶段进行的提前修正，以保证获得准确的测量结果。对测量结果还可进行相应的数学修正，以提高测量准确度，但其应用有一定的条件，应根据具体的风洞、测试车辆和测试规范来调整模型或参数。

参考文献

[1] 庞加斌，刘晓晖，陈力王志国 .汽车风洞试验中的雷诺数、阻塞和边界层效应问题综述.汽车工程[J]，2009（7）：609-615.Pang Jiabin, Liu Xiaohui, Chen Li, Wang Zhiguo.A Review on Reynolds Number, Blockage and Boundary Layer Effects in Automotive Wind Tunnel Tests.Automotive Engineering [J], 2009 (7)：609-615.

[2] BartC.Nijhof, Gerhard Wickern.Reference Static and Dynamic Pressures in Automotive Wind Tunnels[C].SAE International.2003, 2003-01-0428.

[3] Gerhard Wickern,Stefan Dietz and LudgerLuehrmann.Gradient Effects on Drag Due to Boundary-Layer Suction in Automotive Wind Tunnels[C].SAE International，2003, 2003-01-0655.

[4] WICKERN, G.: On the Application of Classical Wind Tunnel Corrections for Automotive Bodies[C], SAE Technical Paper 2001-01-0633, Detroit, (2001).

[5] Wolf-Heinrich Hucho.Aerodynamics of Road Vehicles [M].Fourth Edition USA:SAE,1998.

[6] Mercker E, WickernG,Wiedemann J.Contemplation of Nozzle Blockage in Open Jet Wind Tunnels in View of Different‘Q’Determination Techniques[C].SAE Paper 970136.

[7] Berndsson A, EckertW T,Mercker E.The Effect of Ground plane Boundary Layer Control on Automotive Testing in a Wind Tunnel [C].SAE Paper 880248.

[8] EdzardMercker, JochenWiedemann.On the Correction of Interference Effects in Open Jet Wind tunnels[C].SAE Paper 960671 （1996）.

[9] WickernG,Schwartekopp,B.Correction of Nozzle Gradient Effects in Open Jet Wind Tunnels[C].SAE Technical Paper 2004-01-0669.

[10] Gerhard Wickern and Norbert Lindener,The Audi Aeroacoustic Wind Tunnel: Final Design and First Operational Experience [C],SAE 2000 World Congress Detroit, Michigan, March 6-9, 2000.

[11] Kenji Tadakuma, Takashi Sugiyama, Kazuhiro Maeda, et al., Development of Full-Scale Wind Tunnel for Enhancement of Vehicle Aerodynamic and Aero-Acoustic Performance[C], SAE Paper 2014-01-0598, 2014.

Influence Factors on Automotive Wind Tunnel Aerodynamic Performance

Chen Jun, Wang Yong, Shi Feng, Zhou Long
（China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd., Chongqing 401122）

Abstract：Automotive wind tunnel plays key roles in the aspects of vehicle styling design, decreasing drag, reducing energy consumption, etc.For the limited size of an automotive wind tunnel, its aerodynamic performance is influenced by many factors, such as blockage, boundary layer, pressure gradient, pressure pulsation, etc..Some of them must be designed properly.Some factors influence the wind speed determination, and the wind speed should be calibrated.Some factors influence the measurements of vehicle aerodynamic forces and moments, and the measurements should be corrected.And the others are inevitable, but can be adjusted to gain better results during the course of commissioning.Proper design, correct calibration and adjustment are preconditions to gain accurate measurement results and should be fully considered in the phases of wind tunnel design, construction and commissioning.Empirical corrections of the measurement results should be taken to improve the accuracy.

Keywords:Aerodynamics; Automotive Wind Tunnel; Wind Tunnel design; Calibration; Correction; Blockage; Boundary layer

作者简介：陈军，高级工程师，就职于中国汽车工程研究院股份有限公司汽车风洞中心。研究方向：汽车空气动力学、汽车风洞及其测试技术、汽车底盘试验研究（悬架方向）、汽车车身试验研究。

中图分类号：U461.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-03-05