風洞與空氣動力學剪不斷的關系

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在地球上,一物體在空氣或者其他流體中作相對運動時,當中所產生的“風阻系數、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系?關系可是杠杠滴,當物體通過風洞測試后將會得出一系列的實驗數據(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。

世界上公認最早的風洞出現在19世紀末(1869~1871年),由英國人韋納姆(E.Mariotte)研究發明,后來飛機發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。可以說當年的風洞測試和空氣動力研究大多數是與航空領域有關。

圖:飛機發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(1939~1945年)建有大型風洞,而在美蘇冷戰時期,這類型的大型風洞測試更具有重要戰略性意義,當中出品不乏有超音速戰機和作戰導彈。在此過后的發展中風洞測試就自成一體,不再是單單地為飛機、航空領域服務。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,現今的風洞測試還關系到高樓建筑、運動員裝備、航船等等。

圖:北美的XP-51B戰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)的風速區間段對人體進行風洞測試,當時的飛行員提供測試數據。

圖:風洞測試就不再是局限于飛機,還將會涉及太空設備、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協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協助美國泳隊在本屆奧運奪冠,此前Ferrari也曾協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(當年開設有航空工程課程)就建造有國內第一個風洞,1947~1948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。為了加速發展中國的航空航天事業,根據力學家錢學森、郭永懷的構想,國家于1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構,隨后又相繼迅速組建了超高速和低速空氣動力研究機構。而在1968年新中國成立后,位于川西山區的“中國空氣動力發展與研究中心”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展中心建造了數十座高質量的風洞,其規模堪稱亞洲之最,為我國航空航天事業的發展做出了突出的貢獻。

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

至今,風洞技術已有100多年歷史,當中的結構組成也大致相似。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過來的,所以目前分有三大類風洞結構類型: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,雖結構簡單但不易保持恒定的空氣溫度和濕度,以及氣流穩定性差、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境風洞(模擬風雪雨等氣候環境),占地面積少是特點所在。

現今大多數風洞均采用回流式設計,當中的封閉管道是從小擴大,再由大縮小的循環回路,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、穩定段(蜂窩器、阻尼網)、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,不過是想讓風洞測試更加高效、讓測試數據更接近真實情況。

圖:在循環風道中,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計有彈性元件濾震。

從風洞的發展歷史可以看出其與空氣動力學密不可分,風洞的產生和發展首先是同航空航天科學的發展緊密相關的,而后風洞廣泛用于研究空氣動力學的基本規律,以驗證和發展有關理論,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。現代飛行器的設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、不同速度、不同大氣條件下的阻力、升力和壓力分布。隨著現代科學發展的整體化趨勢的出現,空氣動力學特別是低速空氣動力學已跨出航空航天領域,正在向國民經濟各個領域滲透,發揮越來越大的作用,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)引起了振幅接近數米的“顫振”,在這樣大振幅振蕩下結構不一會兒便塌毀了。事后的風洞研究發現了這座橋在設計上的問題,這是以往設計橋梁的土木工程師們所沒有預見到的。自此之后,凡是設計跨度較大的吊橋,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是與物體形狀有關的系數,也稱為阻力系數或形狀系數。這個系數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,可以看出形狀不同,對所受阻力的影響可以達到數倍到數十倍之大。假設在一定的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、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車型有更低的空氣阻力系數和迎風面積。所以早期的汽車設計師機智地采用上流線型車身,用以降低風阻系數,而當中最為突出的是1922年,羅馬尼亞工程師Aurel Persu設計的超低風阻系數汽車,Cd值范圍在0.22~0.28(即便是最大的0.28Cd值,也如現代保時捷Carrera一樣),要知道當時一般汽車的風阻系數在0.8~1Cd值。

圖:汽車風阻系數最小0.22Cd值

但現今在汽車風洞測試中除了講求低風阻系數外,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定現象等,換言之更加講求整車高效空氣動力的表現,而這就有賴于外觀包圍套件和車身設計。

為了能相對更接近地得到車輛實際上路后的表現,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、聲學風洞測試和環境風洞測試,一系列過后收集數據、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計、空力包圍套件、擾流導流板。

量產民用車利用風洞測試后,可以改善風阻系數。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。根據文丘里效應,流體經過縮窄斷面時,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域是車底,而非擴散器,因為根據上面的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可調尾翼在調平狀態下大約能增加80匹馬力。總的來說,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空氣動力學的套件,而這一切均需要風洞測試得以實現。當然FIA也明白,也在不斷地修改F1賽車風洞規則,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則指定內。大尾翼、風刀、前后擾流、包圍、側裙等等是現今不少改裝玩家、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。