/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

机动车风洞实验室是针对整车进行环境试验的大型试验场所。它通过风机和经过设计的管道产生人造风场，可模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态，再配合其他设备可进一步模拟天气环境和日照辐射等。机动车风洞试验涉及测试车辆的安全性、稳定性、极端气候环境下的可靠性，同时对车辆的外形设计、底盘设计、动力损失控制、节能减排等方面都需要参照机动车风洞试验的结果。

机动车风洞实验室造价昂贵、设备复杂、设计要求较高。2009年9月国内第一座机动车风洞实验室在上海同济大学建成，填补了国内机动车研发设计领域的多个空白。2016年，上汽集团投资在上海嘉定建成一座大型机动车风洞实验室。随着国内各类风洞实验室陆续建成，厂商的各类检测需求也日益增长，而相关领域计量检测技术尚不成熟，关于机动车风洞流场的检测方法急需创新和完善。

1 风洞实验室主要技术参数及流场品质指标

风洞实验室是多设备协作的环境试验系统，以上汽风洞实验室为例，所涉及的主要技术参数见表1。

由表1可见，一个成熟的机动车风洞实验室其功能是较为多样和复杂的，通常在样车试验中会根据研究方向，选择一些主要影响参数进行模拟。

如图1所示，风洞实验室主要通过风机和管道协作，产生一个连续的风场，其中试验段的流场品质是影响整车实验的关键，也是测试人员关注的核心区域，本文仅探讨针对该区域流场品质的检测方法。风洞实验段的流场品质主要涉及气流速度分布的均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声等级等参数。

表1 上汽风洞实验室主要功能及参数

图1 机动车风洞模型

2 常见检测方法

当机动车行驶到一定时速，约70%的阻力来自风阻，大部分燃油也用于克服风阻。因此，基于风洞流场的试验对优化车辆外形，减少风阻、节约燃油、降低噪声有很重要的作用。现例举两家汽车厂商的风速检测方法。

图2、图3为上海某汽车产品供应商机动车风洞实验室，该风洞实验室仅在出风口安装了一个类似风车的风速测量装置，根据转子的转速换算得出风洞出口的风速。该装置适合检测较小的风口，但测量准确度不高，测量不确定度较大。此类设备对于中大型机动车风洞实验室的风速检测参考价值有限，也无法依靠该装置对风洞试验段的流场品质进行完整评估。

图2 风速检测装置

图3 风洞实验室

福建某汽车生产商的机动车风洞实验室采用了图4所示的风速仪。该风速仪安装在风洞试验段的出风口位置，此风速仪的测量准确度有所提高，但由于设备安装的位置、方向和风洞本身的出风均匀性等因素都影响着数据的可靠性，单凭一台风速仪无法满足测量需求。在出风口安装更多的风速仪能获得更准确的数据，但在流场初始位置安装多个设备又会影响到后续流场的品质，对整车实验产生干扰。

图4 风速仪

上述两个例子均为最大风速为120 km/h的中小型风洞实验室，可以发现厂商投入资金建造了风洞实验室，但是缺少准确可靠的检测方法来验证风速、风向等基本的参数是否与实验要求相匹配。要保证从机动车风洞试验中获得可靠有效的数据，就需要专业机构定期对风洞试验段的流场品质进行全面的检测和评估。

3 流场的检测方法

要完整地评估流场品质，应综合应用多种检测方法和技术手段，分别针对流场品质的一项或多项参数进行检测，获得全面和准确的流场数据。

3.1 热线风速仪和风速计

热线风速仪利用电学原理对流速进行测量。此类设备一般采用铂、钨或铂铑合金等材料制成热线。常见的热线风速仪又分为恒流式和恒温式两类。

1）恒流式风速仪保持流过热线的电流不变，当流体经过时，温度发生变化，继而热线的电阻发生改变，通过测量热线两段的电压并换算获得风速。

2）恒温式风速仪是保持热线的温度不变，假设当流体经过时，要使热线的温度在150 ℃不变，则需要增大或减小通过的电流，通过测量电流即可度量风速。

目前有厂家通过组合制成双线式、三线式热线风速仪，此类设备可在完成风速测量的基础上，测量流场在各个方向的速度分量，配合适当的信号、数据处理系统可一次完成瞬时速度和速度在各方向上的分量以及湍流度的测量。

湍流度是度量气流速度脉动程度的指标，通常用脉动速度均方和与平均速度之比来表示，即

式中：v'—— 湍流脉动速度的均方根，即风速的标准差；

v—— 平均速度

假定vx，vy，vz为平均速度v在 X，Y，Z 三个方向上的分量，某一时刻t风速在X方向上的分量为vxt，那么流体在X方向上的湍流脉动速度为

v'x=vxt-vx

湍流脉动速度的均方根为

平均速度为

热线风速仪的缺点是难以测量高速的流场且测量时的稳定性有待提高。但仍可尝试在风洞实验段合理地布置数个此类风速仪，在低速段对整个流场进行测试。

风杯或风速计的构造类似于风车，在风力作用下，感应部分绕转轴以正比于风速的转速旋转，是最为常见的风速计量设备。上文提及的两个风洞使用的即是此类设备。风速计的优点是原理简单、使用方便、准确度较高。而其缺点则是使用时要正对风向才能测出准确数值，在现场操作时往往很难保证传感器与流场方向完全垂直，因此靠此类设备测量流场品质相关量也有一定难度。例如湍流度需要多个风速计按合适角度摆放并多次测量方能获得，而边界层厚度基本无法用风速计测得。

3.2 超声波检测风速

超声波测速是利用声波传递时产生的多普勒效应对速度进行测量。

声波的传播速度、波长和频率有如下关系：

v=λω，其中λ为波长，ω为频率。

当声波在空气中传播时，顺风与逆风方向存在速度差。逆风方向声波被压缩，波长变得较短，频率升高，顺风方向则反之。

在专业人员操作设备进行检测时，传感器的采集对象可以是声波的传播时间，也可以是声波的频率。以采集频率的超声波传感器为例，通过标准声源发出频率为ω的声波，在风洞内的传播速度u已知，假设风速为v，传感器接收到的声波频率ω'为

计算得到风速

速度的正负表示其与声波传播方向的关系。当计算得到的风速为负值，表示其与声波方向相反。检测时，传感器有多种摆放方式，在此仅以在二维平面内的一种垂直摆放方法进行说明。

图5 声波测速二维示意图

如图5所示，处于O点的声源向外发出频率为ω的声波，沿相互垂直的X和Y方向各安置一个频率传感器，假设风速在X和Y方向上的分量分别为vx和vy，两台设备分别测得的声波频率ωx和ωy。那么通过上述公式可得

将速度按矢量合成得到风速

进而可以计算出流场方向与X轴的夹角

如果在放置传感器时已准确知道了几何位置信息，如X、Y方向与风洞轴线的夹角，就可以得到平均气流方向偏离风洞轴线的大小。因此推荐使用预制好的配套设备来放置声源和传感器，如直角形的支架、配有角度盘的可转动脚架等。湍流度的计算方法与之前所述基本相同。

声波测速的优点是准确度较高，对流场的影响小，测速范围大，配合信号、数据处理系统能获得理想的检测结果。值得注意的是风洞噪声对声波测速准确度的影响仍需要更多的研究来考证，同时该方法也无法完成对风洞试验段边界层厚度的检测。

3.3 皮托管检测法

皮托管是由支杆和与支杆垂直的圆筒形流量头组成的管状装置。在装置的侧壁有一些静压孔，顶端由一个迎流的全压孔。该装置通过对压差的测量来确定流场中某处的流速。

皮托管的测量原理是伯努利方程在空气中的应用。如图6所示，理想流体均匀地平行流向静止物体，物体在A点与流体接触，并使流体分叉沿物体流过。此处的A点为驻点，即流体在A点的流速为零，vA= 0。

图6 皮托管原理示意图

在静止物体前的流场中和A点处选取两个截面，Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。截面Ⅰ-Ⅰ处的流场没有受到干扰，流束是平行的，流速形成规则的速度分布，截面上各点的静压力相等。截面Ⅱ-Ⅱ处流体受到物体影响，流束密集、流速加快、静压降低。建立这两个截面上的伯努利方程

式中：ζ—— 截面Ⅰ和Ⅱ区间的流体阻力系数，此处可忽略不计，ζ= 0；

ρ—— 流体密度，因为流体是均匀的，ρ1=ρ2=ρ；

K—— 速度分布不均匀系数，此处可认为K1=K2= 1；

p1、p2—— 两个截面的静压力；

v1、v2—— 两个截面的流速，已知v2=vA= 0

式中：p2—— 总压力，因为截面Ⅱ-Ⅱ处动压为零；p1—— 静压力

若在B点开一小孔，由于均匀流场中静压力相等，那么pB=p1=p静。

令p2=p总，v1=v，则获得：

因此通过对A和B处测量可获得流体中某一点的动压力p总-p静，再由上式计算可得到该点的流速。

图7给出了皮托管装置在实际应用中的一个示例。

图7 皮托管测鼓风机出风口风速

在机动车风洞试验及相关检测中，皮托管有结构简单使用方便、测速范围较广、测量准确度高等许多优点，它可用于测量与流场压力有关的压力梯度等指标，也可安装在样车上进行边界层测量，这些都是使用一般检测方法难以测得的参数。而皮托管测量法也有其缺点，首先因其测头很小，用以捕捉来风的面积就很小，因此单个测头的数据无法准确表示流场的平均风速、方向等信息，大量放置皮托管对流场有一定扰动，且读数、操作不够便捷。

4 结语

有关机动车风洞实验室的检测目前仍存在很多值得研究和完善的方面，针对流场品质的检测方法，其成熟度有待提高。随着计量检测技术的发展，也有类似“照相测速”之类的新型技术逐渐产生。在目前的技术手段下对风洞流场进行检测，较为合理的方式是利用风速计或声波测速法确定气流速度分布的均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、气流的湍流度等技术指标，再利用皮托管结合样车对边界层、压力梯度及某些特殊位置的风速进行测量。只有合理运用这些技术手段，方能对风洞流场进行一个全面可靠的评估，从而保证机动车风洞试验的准确性。