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行業(yè) | 世界先進(jìn)汽車風(fēng)洞系列之FKFS縮比模型風(fēng)洞
2019-01-18 10:24:27· 來源：中國汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)
現(xiàn)階段國內(nèi)在車輛早期開發(fā)階段的空氣動力學(xué)設(shè)計多通過CFD手段來實現(xiàn)。雖然各大車企在CFD計算方面的能力逐年增強，但是由于很多車輛部件的設(shè)計（比如下車體、后視
現(xiàn)階段國內(nèi)在車輛早期開發(fā)階段的空氣動力學(xué)設(shè)計多通過CFD手段來實現(xiàn)。雖然各大車企在CFD計算方面的能力逐年增強，但是由于很多車輛部件的設(shè)計（比如下車體、后視鏡、附加擾流板）以及冷卻氣流的模擬等都對計算機配置提出較高要求，因此對于車輛的早期開發(fā)優(yōu)化，模型風(fēng)洞試驗仍然是目前最有效且經(jīng)濟的方法。本期將為您介紹坐落在德國FKFS（斯圖加特內(nèi)燃機與車輛研究所）的一座汽車縮比模型風(fēng)洞。
1988年建成的FKFS縮比模型風(fēng)洞為其全尺寸風(fēng)洞的縮小版本，縮比為25%，在2001年和2016年先后進(jìn)行過兩次較大的升級，占地面積為19.25 m*5.75 m。
FKFS縮比模型風(fēng)洞試驗段（1988年）
FKFS縮比模型風(fēng)洞試驗段（2001年升級后）
FKFS縮比模型風(fēng)洞試驗段（2016年升級后）
FKFS縮比模型風(fēng)洞測試模型比例一般為20%-25%，最大可達(dá)30%，測試段長度2.585 m，噴口面積為1.6 平方米，最大風(fēng)速為288 km/h；測試段安裝有天平、五帶移動路面系統(tǒng)、移動測量系統(tǒng)、模型轉(zhuǎn)運等設(shè)備，其轉(zhuǎn)臺橫擺角度為±95°，噴口和轉(zhuǎn)臺安裝有兩級地面邊界層抽吸系統(tǒng)，中央移動帶長度為1.75 m；風(fēng)機功率為350 kw；測試段溫度可恒定在23℃，以降低溫度對測試結(jié)果的影響。
在FKFS模型風(fēng)洞中，每天可能會測試50種以上不同的模型配置，因此為提高測試效率，測試段內(nèi)安裝了模型轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，這樣每次測試可使用兩個模型，一個在測試段內(nèi)進(jìn)行測試，另一個在準(zhǔn)備間內(nèi)進(jìn)行修改，測試和模型修改可以同步進(jìn)行以提高測試效率。
FKFS模型風(fēng)洞的應(yīng)用領(lǐng)域主要為高校教學(xué)、科研、全尺寸風(fēng)洞技術(shù)驗證等方面，面向主機廠的技術(shù)服務(wù)所占比例并不是太大。
FKFS模型風(fēng)洞的設(shè)計比例
FKFS縮比模型風(fēng)洞測試段的設(shè)計比例為1：4，但是該模型風(fēng)洞的部件（流道，風(fēng)機，風(fēng)機室，拐角葉片，沉降室等）卻采用了不同的設(shè)計比例。這是因為該模型風(fēng)洞不是為聲學(xué)測試而設(shè)計的，在這種情況下，只要保證模型和測試段的幾何特性按要求比例進(jìn)行匹配，并保持測試段的流體力學(xué)特性，這樣就可以實現(xiàn)模型風(fēng)洞測試的高精度。
雖然常常認(rèn)為FKFS縮比模型風(fēng)洞是其全尺寸風(fēng)洞的縮小版，但是，兩者間部分設(shè)計是不同的。首先，模型風(fēng)洞測試段的駐室沒有完全復(fù)制全尺寸風(fēng)洞；其次，模型風(fēng)洞收集口的設(shè)計也與全尺寸風(fēng)洞的設(shè)計不同。這是因為模型風(fēng)洞中空測試段的靜壓梯度幾乎可以忽略不計，而且模型風(fēng)洞中近無限大的駐室對測量結(jié)果的影響微不足道，因此在模型風(fēng)洞設(shè)計時，對于全尺寸風(fēng)洞中的這些部位省去了精確的復(fù)制。
FKFS模型風(fēng)洞中的測試模型
“FKFS swing”系統(tǒng)
FKFS縮比模型風(fēng)洞噴口處配置了名為“FKFS swing”的可拆卸系統(tǒng)，主要用于模擬非定常流動的氣流。
FKFS swing系統(tǒng)中可移動的翼片可以在不同頻率下改變迎面氣流的角度，可以模擬被測車輛在另一車輛后面行駛或者存在不穩(wěn)定側(cè)風(fēng)的情況。
FKFS swing系統(tǒng)目前也配置在FKFS全尺寸風(fēng)洞中，而這種系統(tǒng)最早是在模型風(fēng)洞中開發(fā)的。
FKFS模型風(fēng)洞中的“FKFS swing”系統(tǒng)
FKFS全尺寸風(fēng)洞中的“FKFS swing”系統(tǒng)
5帶式移動路面系統(tǒng)
為了實現(xiàn)對車輛實際道路行駛的真實模擬，車輛在風(fēng)洞中的運動邊界條件必須與道路上相同。這意味著必須在風(fēng)洞中保持車輛與地面之間的相對運動，而且車輪必須模擬真實行駛速度旋轉(zhuǎn)。
因此，在模型風(fēng)洞中建立地面模擬系統(tǒng)是非常重要的。FKFS縮比模型風(fēng)洞中配置了5帶式移動路面系統(tǒng)，包括一個中心鋼帶，以及4個可以實現(xiàn)車輪旋轉(zhuǎn)的聚合物材質(zhì)的驅(qū)動裝置。
事實上，在汽車風(fēng)洞發(fā)展的早期階段，車輛與地面的相對運動（包括車輪旋轉(zhuǎn)特性）的重要性并未被風(fēng)洞開發(fā)者和使用者所意識到。然而，隨著研究的進(jìn)一步深入，全尺寸風(fēng)洞的測試顯示，如果不考慮車輛與地面的相對運動，會對測試精度造成很大的影響，尤其是影響車輛下車體開發(fā)以及車輛冷卻氣流入口設(shè)計、剎車?yán)鋮s性能評估以及車輪擾流器的設(shè)計等方面的精度。
車輛前端中心鋼帶的特寫
后輪驅(qū)動裝置（聚合物移動帶和裙邊約束系統(tǒng)）
其他先進(jìn)系統(tǒng)
為了盡量減小移動帶和車輪驅(qū)動裝置前側(cè)的迎面流邊界層，F(xiàn)KFS縮比模型風(fēng)洞中配置了邊界層抽吸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將地面邊界層的滯流逐漸吸走，從而使邊界層的流動動量損失降至最小。
為了進(jìn)行尾跡測量，F(xiàn)KFS縮比模型風(fēng)洞還配備了移動測量系統(tǒng)。通過這個系統(tǒng)，噴口和收集口之間的測量體積可以直接延伸到試驗段外的風(fēng)洞控制室。
在2016年升級后，F(xiàn)KFS縮比模型風(fēng)洞中開始使用新的WTCS控制系統(tǒng)，在這個控制系統(tǒng)的支撐下，目前模型風(fēng)洞中的所有子系統(tǒng)都可以由單個系統(tǒng)控制，這使得模型風(fēng)洞的操作更容易，更高效。
FKFS模型風(fēng)洞控制間
結(jié)語
作為世界上最著名的汽車技術(shù)研究機構(gòu)之一，F(xiàn)KFS在風(fēng)洞測試和研發(fā)領(lǐng)域處于世界最前沿水平，不斷引領(lǐng)著汽車風(fēng)洞技術(shù)的革新。
2015年，位于重慶的國內(nèi)第三方汽車測試研發(fā)機構(gòu)——中國汽研與FKFS簽訂了無限期戰(zhàn)略合作協(xié)議，F(xiàn)KFS將結(jié)合自身在風(fēng)洞領(lǐng)域的研究成果，對中國汽研汽車風(fēng)洞的建設(shè)以及建設(shè)完成后的運行和發(fā)展提供全方位的技術(shù)支持。
2019年，具備國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流技術(shù)指標(biāo)的中國汽研汽車整車風(fēng)洞即將在萬眾矚目中落成。相信在FKFS等知名技術(shù)機構(gòu)的支持下，中國汽研汽車風(fēng)洞中心將為客戶提供更專業(yè)、更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)，敬請期待！
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