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汽车正投影面积测量技术

2019-11-11 23:05:14·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
当今汽车领域对燃油/能源的经济性无比重视，显而易见的是整个汽车行业加大了对汽车空气动力学特性的研究，尤其增多了风洞试验，以期通过优化汽车外形减少气动阻
当今汽车领域对燃油/能源的经济性无比重视，显而易见的是整个汽车行业加大了对汽车空气动力学特性的研究，尤其增多了风洞试验，以期通过优化汽车外形减少气动阻力系数，进而降低能源的消耗。 
 
通过风洞试验确定汽车的值需要测量该车的气动阻力和它的正投影面积。 
 
汽车正投影面积测量技术对风洞试验的重要性：
在风洞试验中, 与 是影响阻力系数至关重要的两个参数。
 
阻力系数：
： 气动阻力
：空气密度
：车速
：汽车正投影面积
在风洞试验中，通常由昂贵、高精密的天平系统测量汽车的气动阻力，这是一种非常成熟的技术方案。而为确保 的准确计算，汽车正投影面积也需要高精度地测量。所谓汽车正投影面积，就是指汽车在行驶方向的投影面积，包括车身、轮胎、底盘等零部件的前视投影。
汽车正投影面积常用的测量方法：
1.近似法
有学者定义了一个系数，汽车正投影面积表示为：
：一系数 
：车宽
： 车高
如 1985 年，针对欧洲车的汇总，这个系数的平均值约为 0.81，离散度很小。
这种方法主要用于预测一辆汽车的正投影面积，做出一个估值判断。针对不同车型，存在一定偏差。
 
2 照相求积法
照相求积法需要的基本条件包括较大的试验场地，尽量满足平行光线垂直照射到汽车和标准板上。其次是具备长焦镜头的数码相机，并配有三脚架。最佳的拍摄距离是相机距车辆 90～110m，试验的重复性比较好。以及一块 1×1m 的标准板。
得到相片后，通过电脑软件，将照片中的车辆和标准板截取并抽出，删除背景图像。将抽出的图像打印出来，然后利用数字式求积仪分别测量出同一张图片上标准板的面积和车辆的面积，进而可以计算得出车辆的实际正投影面积。这种方法使用设备相对简单，操作也并不复杂。但相机作为点光源，距车辆一定距离拍摄，其光 束发散会导致放大车辆的正投影面积，理论上存在一定偏差。
 
3 激光投射轮廓法
激光投射轮廓法要求配有激光头、光电反馈系统、一座二维移动系统、以及一块背景墙。激光和光电检测系统可以被整合在同一个测量头上面，该测量头被固定在一座二维移动设备上（y-z方向），涂有特殊涂层的背景墙具有较好的反光特性。
激光需要垂直照射到背景墙，而汽车纵轴（x 轴）需要严格平行于激光照射方向。测量时，光电 检测系统持续分析被背景墙反射的光线强度，当激光接触到汽车轮廓的时候，可以自动记录汽车 轮廓的位置坐标数据；最后将记录的数据拟合成一个封闭轮廓的图形，即汽车的正投影面轮廓， 再计算出该图形面积。采用这种方式，测量速度快，准确度较高；激光追踪汽车轮廓的数据可以实时获得，采集数据越 密集，拟合汽车正投影轮廓的封闭曲线越接近理论值。
 
4 三维扫描系统测量法
 
众所周知，如果已知汽车三维数模，那么利用做逆向工程软件的方法，可以计算得出汽车正投影面积。该方法准确度较高，基本接近理论值。三维扫描仪设备具备非常成熟的市场，稳定性较好；越来越多的手持式设备在不失精度的情况下，为用户带来了更大的便捷性，并且提高了扫描的速度。
手持式三维扫描系统主要包含两部分，光学追踪仪和手持式三维激光扫描装置。前者主要是定位扫描装置实时的空间位置和姿态。后者用于测量出被测点距扫描头之间的距离。通过扫描出来的数据，进而得到被测物体的外形轮廓三维数模。最后通过逆向工程软件，便可以计算得出精度较高的正投影面积，该方法得到普遍认可。
总结：
针对不同试验目的，可以有多种测量、计算汽车的正投影面积的方法。而汽车正投影面积的精确测量，对风洞试验计算风阻系数尤为重要。汽车正投影面积数据上的不稳定性、或者较大的偏差，会严重影响气动阻力系数 的计算。尤其针对不同车辆的横向对标，不可靠的投影面积数值，会严重影响对标车辆 值及气动造型方案的评估。
 
参考文献：
[1] 傅立敏. 汽车空气动力学[M]. 北京： 机械工业出版社，1998.
[2] 吴展，沈南，袁建军，王雪莹.利用数字式求积仪测量汽车迎风面积的探讨. 北京汽车,2015(3): 13-15
[3] M.-A. Beeck, B. Stoffregen. Measurement of the Projected Frontal Area of Vehicles - A New Contour-Tracking Laser Device in Comparison to Other Methods. SAE International Congress and Exposition, 1987.
编校：中汽中心空气动力学实验室 
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