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世界先进汽车风洞系列之FKFS气动-声学风洞

2018-02-26 11:57:51·  
　
德国斯图加特内燃机与车辆研究所（FKFS）的空气动力学-声学风洞处于世界领先水平。该风洞建成于1988年，前后经过了3次升级改造。本文将为您介绍FKFS空气动力学-声学风洞的历史和3次升级改造的情况。一、FKFS风洞简介FKFS是一家专注于汽车技术的研究机构，其在风洞测试和研发领域处于世界最前沿水平，不断引领者汽车风洞技术
德国斯图加特内燃机与车辆研究所（FKFS）的空气动力学-声学风洞处于世界领先水平。该风洞建成于1988年，前后经过了3次升级改造。本文将为您介绍FKFS空气动力学-声学风洞的历史和3次升级改造的情况。
 
一、FKFS风洞简介
FKFS是一家专注于汽车技术的研究机构，其在风洞测试和研发领域处于世界最前沿水平，不断引领者汽车风洞技术的革新。
FKFS在1930年成立，并很快成为当时最大和最前沿的汽车技术研究所。1936年在其老区（与戴姆勒-奔驰公司相邻）先是修建了一个小的开放式模型风洞，1954年又修建了大型的开放式全尺寸风洞，二者均是单回路通道的哥廷根式风洞。
为了迫切地需要扩展研究所的规模，FKFS将老区卖给了奔驰公司，随后全尺寸风洞也卖给了奔驰公司。1978年FKFS整体搬迁至斯图加特大学校内，老区的模型风洞运行到1987年后拆分捐给了德国曼海姆技术博物馆。在新区内，FKFS又重新修建了模型风洞和全尺寸风洞，于1988年开始运行。
新建全尺寸风洞的喷口面积22.45平米（宽5.8米，高3.87米），收缩比4.41，测试段长度9.5米，其最大风速可达80米每秒。
二、第一次升级
随着汽车的发展，人们对车速的要求不断提高，而当汽车车速逐渐增大时，气动噪音也会越来越大。为了降低汽车的气动噪音，FKFS于1993年对着新建的风洞进行了一次升级，将空气动力学风洞改造为空气动力学-声学风洞。
为满足风洞的声学测量，需要降低风洞的背景噪音，FKFS首次采用了创新的U弯消声器和膜式消声器设计。并对风洞包括风道、驻室、收集口等位置增加了吸音材料和吸音装置。经过这次升级，风洞的背景噪音从升级前的91.1分贝降到了71分贝（风速150km/h）,另外，测试段的长度由9.5米增加到9.95米。
三、第二次升级
为了能够更加真实地模拟汽车在道路上行驶的环境，在2001年，FKFS对气动声学风洞进行了第2次升级改造——全新的5带路面模拟系统用于风洞试验。增大了转台，增加了中心移动带、车轮旋转装置、汽车固定系统、边界层控制系统等。这使得风洞对汽车真实道路模拟更进一步。
四、第三次升级
2014年，FKFS对风洞进行了第三次升级。在这次升级中，FKFS采用了多种最新研发的技术，将风洞的试验性能进行了全方位的提升。FKFS开发并应用了4项关键创新技术专利：FKFS first、FKFS besst、FKFS swing、FKFS pace。这些创新将在下面分别介绍，附加的提升措施也会简单介绍到。
1、模块化移动系统
为了改善量产车和赛车的地面模拟效果，能够测量非稳定气动力对汽车的影响，以及提高运营效率，FKFS开发了新的滚动道路系统并申请了专利FKFS first，即可完全互换的地面模拟技术。它结合新的转台和天平，使系统与风洞中心线产生偏转。移动带系统提供移动地面模拟和转动车轮。汽车保持在风洞中的固定位置并使汽车姿态定位和进行受力测量。
新的不锈钢移动带滚动道路系统是5带/3带可完全互换的配置。5带配置包括一长的中心带和4个车轮驱动装置，车轮驱动装置位于每个车轮下面。而3带的配置包括一个长的中心带和两个边带单元。边带位于汽车左右两边车轮之下以对需要高性能地面效应和速度的车辆提供更真实的移动地面模拟。也大大地全尺寸气动声学风洞滚动道路模拟的精确性和可靠性。
2、天平系统
气动天平用于作用在测试车辆上气动力的力和力矩和静态测量。天平的顶架集成了滚动道路装置，这样5带模式下作用在纵梁约束系统和车轮驱动装置上的力、3带模式下作用在边带和支柱约束的力都可以被天平测量。滚动道路系统的附加组件如转台和中心带都不接触连接到汽车的组件，这样可以使只作用在汽车的气动力被测量到。
至于非稳定气动效应的研究，天平系统也适用于动态测量。对这个研究，在天平中激活了一个锁定机制。这个锁定增加了天平的刚度和整个系统（包括固定汽车）的谐振频率性能超过了10Hz，而这个频率要超出气动研究的考虑范围。
对于动态力的测量，专业的载荷传感器集成在纵梁约束系统上。适配器安装在其顶上的执行器基座上以便给测压元件提供刚性连接。简而言之，在载荷传感器和汽车之间需要安装刚性汽车适配器。
3、寄生力消除
车轮驱动装置在风洞的应用并不仅止于旋转车轮。它同样与风洞天平相连接，这样可以测量轮胎接地面积的受力以及作用在汽车上的横向力和纵向力。当气流经过汽车时，会造成汽车和地面间的真空区，这会持续地对汽车底部产生下压力。但由于车轮驱动装置的表面要比轮胎接地面积大，真空区也会作用在称重元件未覆盖的部分。这会改变测量结果，因为这部分寄生的附加升力在真实驾驶环境中不存在也被测量在内了。
因此，FKFS开发了一种新的解决方法。在这里，经过一个简短的修正测量，通过特殊方法将汽车直接锁定在风洞地板上。这样，作用在汽车上的所有力不再被天平所检测而是被地板截取。这个配置直接提供了所求升力的衬垫，这个专利即FKFS pace，即衬垫修正程序。这个进程已经在大量的模型风洞中的试验得到了证实，也使得对升力的测量更加精确。
4、低频脉动的抑制
闭环开口式风洞易于受到压力和速度波动的影响，特别是在一个特定风速范围。这些波动调整管道中气流噪声并会影响气动声学的测量结果。在将来汽车发展中，像侧向力和表面压力的非稳定测量会越来越重要。风洞的压力波动越低越好是这种研究的必然要求。而且，压力脉动也会对建筑结构造成损害。风洞的低频波动也因此需要被最小化。
在风洞的开口式测试区由于自由射流在喷口和收集口之间会产生剪切层。在剪切层内气流在脱落喷口出口后发生旋涡结构，喷口和收集口之间的额外激励可以上升，即所谓的边棱音回路。在旋涡与收集口碰撞时会产生压力扰动，这个扰动引起的压力波会传播到上游并引起新的离散涡的分离。若旋涡脱落频率和边棱音频率都不和流线响应频率相合，在测试段会产生谐振。
为抑制这种低频脉动，FKFS开发出气流导流单元这项专利FKFS besst，即在喷口位置置下游气流一个确定的角度将气流偏转部分角度。由于在有无这种气流导流单元的区域的静压差的不同，纵向的旋涡会在喷口的墙面和顶上产生。这两种机理扰乱了喷口平面远端下游的连续旋涡链的形成，因此很有效地减小了风道响应频率的激励。
风洞中的另一种共振现象被称为驻室亥姆赫兹共振，它是由另一种不同的激励机制引起，因此不能被气流引导单元消除。驻室亥姆赫兹频率表征驻室充当亥姆赫兹共振器时的频率。一种有效抑制这种共振激励的方法是采用调谐的亥姆赫兹谐振器。在升级风洞的时候采用了这种方式，谐振器的空间近220立方米，谐振频率2Hz并且合并到了驻室的一角。
5、非稳定的空气动力学和气动声学研究
近年来空气动力学和气动声学中非定常效应得到了越来越多的关注。这些非定常效应可以是阵风、不同侧风、大气湍流或者汽车前缘湍流等引起的。为了能够最灵活地在大范围地模拟湍流的长度尺度和频率，FKFS开发了一套新的系统在全尺寸气动声学风洞中模拟非定常效应。名为FKFS swing(侧风发生器)。
相比于常见的稳定方法和类似的湍流发生器，FKFS swing自身模拟真实来流的阵风和侧风，而不需要旋转汽车。气流的偏转是靠喷口平面处的垂直翼的转动实现的。每片垂直翼都靠独立的驱动器驱动，是一个具有独立的阵风和湍流发生器的主动系统。当垂直翼并联驱动时，FKFS swing产生一个垂向和横向一致的流场。这样的流场所提供的与道路上普遍的流动特性是和非定常效应相关的。其对车的流动偏离角度可达10°，频率可达10Hz。
五、结语
作为世界上最著名的汽车技术研究机构之一，FKFS在风洞测试和研发领域处于世界最前沿水平，其对技术的不懈追求促进了风洞测试技术的进步。FKFS与国内同济大学和中国汽车工程研究院（位于重庆，简称“中国汽研”）均建立了长期合作关系，其中，FKFS风洞中心主任Jochen Wiedemann教授担任同济大学上海地面交通工具风洞中心技术总顾问，为同济大学汽车风洞的立项及可行性评估发挥了关键作用。在Wiedemann教授的支持下，同济大学设计和建设了1:15气动-声学风洞模型，开展风洞设计关键技术的科研。目前，此模型风洞仍然是教学和基础科研的重要工具。
2015年，位于重庆的国内第三方独立汽车研究机构－中国汽研与FKFS签订了无限期战略合作协议，FKFS将在中国汽研两座风洞建设过程中，提供技术咨询、风洞对标和人员培训。相信在FKFS这类国际领先技术机构的支持和帮助下，中国汽车风洞测试技术和空气动力学开发技术必将得到快速的发展。
                                       作者：重庆中汽研彭超 
 
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