风洞的发展与结构概览（二）

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。

收缩段

收缩段位于扩散段之后，有时位于沉降室之后，其目的是将气流从低功率损失速度加速到试验段速度。这是流道设计的一个关键点，因为收缩段的入口和出口处存在不利的压力梯度，可能导致边界层分离和矩形截面锥角处的二次回而流干扰试验段流场，试验段流场需要尽可能均匀和恒定。

将收缩段做成八角形可以解决二次回流问题，而逆压梯度需要更仔细地对流道结构进行设计。借助CFD手段可进行设计优化，使收缩比达到8时，损失和流动扰动都非常小。


收缩段
Racecar Engineer, Dec, 2019

热量控制

当风洞运行时，能量以热的形式从气流中损失，并不断被风机补充，随着试验的进行，气流的温度逐渐升高，直到热增量与对环境的热损失相平衡。但对于试验对象而言，平衡温度可能过高。由于流体（空气）特性取决于温度和压力，因此保持恒定的环境对于精确和可重复的数据采集至关重要。有时必须在炎热的环境中进行多次短时间运行，以避免测量值发生缓慢变化。

对制冷功率不足的风洞来说，在炎热的夏天甚至可能出现这种尴尬的情况：打开试验段的门，借助控制室的冷气给流道内的空气降温。

为了保持最佳温度条件，常在流道内部设置自来水冷却器，或在流道的最大截面段使用水冷旋转叶片或水冷散热器。另外，使用空气交换器，将冷的外部空气替换流道内的热空气是最常用的解决方案之一，这需要额外的设备。处于温带的风洞可以使用这种方法，因为由于当地环境温度变化带来的应力较小。

气流品质

流场气流品质是风洞关键指标。一般包括气流的稳定性和均匀性，均匀性是指空间空速波动，不应超过平均空速的0.2-0.3%，空间角变化最多应在0.1度左右。

稳定性指的是试验段内流体速度随时间的变化应该是小幅度和低频率的，流道内的流动分离可能造成上述现象。风洞需要进行前期大量计算设计和后期调试以确保其具有最佳流场质量时，这需要花费相当多的时间。

转向叶片的形状不当可能导致气流周期性变化，这就是喘流。湍流可以通过在旋转叶片的末端安装轮床襟翼来改善。

湍流对流场的影响，和在风洞中放入一辆汽车一样大。这是由尾迹、噪声、粗糙度等引起的频率更高的不稳定性。通过在收缩段上游安装蜂窝整流器和筛网，可以减少轴向湍流，蜂窝整流器可以减少横向速度.


转角叶片
图片来源 https://cn.omega.com/subsection/benchtop-windtunnels.html?utm_campaign=Baidu%3EFlow%20%26%20Level&utm_media=CPC&utm_source=Baidu&utm_term=%E9%A3%8E%E6%B4%9E&bd_vid=6207106887513492032

力的测量

风洞是一种测量车身产生的力的仪器。这些力主要是前轴和后轴上的阻力、升力和分布，缩写为Cd、CI、Clf和Clr。系数是无量纲的。若将车辆正投影面积考虑在内，可以给出我们计算车辆动力学所需的力（CdA、ClA）。

风洞试验中常对车辆的部件或局部结构进行快速改型来比较方案的优劣，使用烟流、表面压力测量、空间压力测量和PIV等使流场更易于可视化、分析和理解。

移动地面

美国航天局曾对移动地面展开研究，调查的主要目的是确定飞机周围的边界层在多大程度上影响模型汽车风洞数据，以及是否需要或需要移动带地面。该实验测试了三个1:8缩比模型在地面带移动和不移动的情况下的模拟飞行情况（https://ntrs.nasa.gov/citations/19720014685）大部分研究是在29m/s自由流速度下进行的，但有些是以较低的速度运行来检验雷诺数的影响。随着对移动地面系统重要性的了解不断加深，移动带对大多数风洞都是必要设备。

但是，如何解决气流对移动带的抽吸的问题成了一个棘手的问题。汽车受到下压力也就是移动带受到升力，对赛车来更容易造成移动带被吸起。因此天平中集成了抽吸系统来防止移动带被气流提起或错位，并使其以与试验段中空气相同的速度移动。


移动带地下结构
Racecar Engineer, Dec, 2019

虚拟试验

同其他行业一样，计算机被用来进行模拟流体的自由流动和多相流之间的相互作用。然而，软件仍是实验验证之外的辅助手段此，优点在于前期可以对对特定问题进行分析和比较。最后的验证通常是使用全尺寸测试来进行的。尽管CFD已经发展了数十年，但是风洞仍然被用作验证它的必要工具，在被计算机取代之前，风洞可能还有至少十年的使用寿命。


CFD计算结果
Racecar Engineer, Dec, 2019