风洞的发展与结构概览（一）

风洞最初用于开发飞行器，航空全尺寸和比例模型已经经过几十年的研究，有了长足的发展。随着汽车提速，风洞自然而然地被引入了汽车工业。然而汽车风洞不同于航空风洞，由于车辆接近地面，必然导致一些特有的问题，需要引入新的解决技术。

风洞技术的发展历程

风洞分为两种基本类型，开式和闭式。开式风洞又称埃菲尔式风洞，最初由法国建筑大师Gustave.Effel提出，开式风洞制造成本低，而且污染物（烟雾和尾气）很容易清除。但其缺点也相当明显，如风洞大小必须与其所在的空间相适应，噪音水平高，运营成本高等。


图1 开式风洞结构
https://www.researchgate.net/figure/Low-speed-open-type-wind-tunnel-and-test-section_fig1_223627998

风速与模型比例

根据所需的试验类型，风洞的设计风速范围也不同。同样受到航空业的启发，许多大型的车辆测试对象可用缩比模型来代替。缩比模型的测试要遵循雷诺准则的限制，当然，为了确保试验更加精确，一些航空风洞不惜重金建造得十分巨大，如NASA的兰利研究中心（Langley Research Center ）风洞，可以容纳波音737整机进行试验。


图2 飞机风洞试验，兰利研究中心，1943
https://www.nasa.gov/langley

风洞的设计风速可以覆盖亚音速、跨音速、超音速以及高超音速。对于赛车而言，低速风洞已经足够满足绝大多数测试。还有一些风洞可以满足极低湍流度、高雷诺数或高压的特殊需求，如Benetton Wind Tunne通过高压空气来突破风速的限制。

飞机的风洞试验测量的是自由空气中物体的气动特性，但是车辆的测试是靠近地面的，需要解决边界层的干扰问题——移动带由此诞生。

风洞的尺寸取决于几个因素：成本和空间限制、设计风速、应用领域（例如航空航天、汽车、自然流动等）设计雷诺数和马赫数等。但无论是开式还是闭式，风洞都是由几个基本部分组成。


图3 风洞基本构成
Racecar Engineer, Dec, 2019

风洞试验段

风洞试验段截面可以是矩形、方形、圆形、六角形、椭圆形或八角形，截面形状直接影响建设成本和风洞运转所需的功率。最常见的横截面形状是矩形和八角形，八角形可以最大限度地减少矩形截面直角处的次生流动问题。


图4 航空用的八角形风洞
https://www.ainonline.com/aviation-news/business-aviation/2018-03-14/cessna-wraps-initial-wind-tunnel-tests-skycourier
由于边界层越向下游发展越厚，这降低了有效的流通面积，导致风速增加，静压下降，所以大多数试验段的截面面积都会轻微的增加，例如可以将壁面在各个方向上的角度设计为0.5度。

试验段长度通常是风洞喷口最大尺寸的一到两倍，比如4mx3m喷口应该配备有4到8米的试验段长度。在满足空气动力性能的前提下，试验段应尽量缩短，以减少压力损失。

风洞控制间

从控制间可以监测和控制风机、移动带系统、抽吸与切向吹气系统、测力系统等核心部件。除了此之外，风洞中往往配备多种额外的设备和仪器来扩充观测手段，例如可以配备数采设备、压力探针、粒子图像测速仪、压力测试阵列等等。

测力系统

测力系统除了从外部连接车辆模型外，也可以用试验段顶部的立柱与车身连接，立柱内部除了装备有多个测力单元，同时也集成了伺服位移机构以实现模型的俯仰、偏航和侧倾动作，这可以满足在不停风的状态下进行姿态调整，进而节约了运营成本。

扩散段

扩散段在试验段的下游。尽管可以将整个风洞设计成统一的截面尺寸，但是由于空气能量损失与速度的立方成正比，因此，我们通常可以利用扩散段减小风洞试验段之后的风速，以降低建造和运行成本。

但这引发了新的问题——空气在速度降低的同时静压升高，逆压梯度会导致壁面上的分离，这将带来流速波动和能量损失，同时会使试验段内的流动发生喘振并影响风机的负载波动程度，进而影响风速控制系统的响应。因此，为了避免分离，两个扩散段的总面积增量因数通常控制在5-6以下。

转角损失

回流式风洞使用拐角是气流进行大角度的偏转，大多数为90°偏转，180°的偏转也有应用。为了减少转角处的能量损失，通常在转角装有转向叶片，叶片一般为大曲度的平面或翼型排列而成，有的转向叶片设计甚至可以实现调节角度以确保流场品质。

若拐角处截面面积恒定，拐角处的能量损失也会是恒定的，该损失由表面摩擦和分离阻力造成，这会导致静压急剧下降。若拐角处没有叶片，转角处气流的能量损失会极大，损失系数甚至可以达到1；加装了合适的叶片后，转角损失可以低至0.1。

驱动风机

风机是决定风洞性能的核心部件。风机在流道中驱动空气流动，一般来说，风机会被安置在一段恒定截面积的流道里，也就是说风机并不会加速气流，而是在其上下游两侧产生压差。压差用于驱动流体运动，同时也补充风道内的总（静）压损失，使气流速度保持恒定。

为了尽可能地提升风风机的驱动效率，在高风速下更能得到发挥，因此风扇的安装位置常选在风道喉部。除此之外，为了减少风道中的可能存在的异物对风扇撞击，风扇不会布置在第一扩散段，而选在第二扩散段之前的第二个拐角之后。

图5 风机
https://airrider.my/events-news/the-history-of-wind-tunnels!

旋转的风机扇叶会产生涡流，为了降低对气流的扰动气流，通常采用三种方式对风机进行优化：第一，在下游使用气流矫正叶片与旋转叶片相互配合布置；第二，在风机上游布置预旋转叶片，使气流先朝着与风机相反的方向旋转；第三，使用两个同轴反桨风机。

风机电机一般会安装在一个整流舱内并配备专用的冷却系统。机舱长径比大约为3，且在30%-40%的长度上横截面积是恒定的，随后机舱会以大约5°的角度逐渐收缩。