風(fēng)道是一個(gè)由多個(gè)部分組成的風(fēng)洞部件，目的是為測(cè)試車輛提供能夠滿足要求的速度、流動(dòng)品質(zhì)、氣候條件的氣流。風(fēng)道的不同部件有著不同的功能，風(fēng)道的設(shè)計(jì)不能與其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)孤立開(kāi)來(lái)。本篇將介紹風(fēng)道各部分的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以及如何使風(fēng)道不同部分配合整體環(huán)境風(fēng)洞設(shè)計(jì)。


圖1 風(fēng)洞風(fēng)道

1. 風(fēng)道的設(shè)計(jì)

本節(jié)將介紹風(fēng)道不同部件的作用，以及對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的影響。

1.1 測(cè)試段

最終的噴口尺寸為：大噴口3.3m×4m（寬×高），小噴口3.3m×2.5m（寬×高）。射流部件的配置（測(cè)試段長(zhǎng)度、收集口尺寸、擴(kuò)散段形狀）根據(jù)以往的類似風(fēng)洞經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體的幾何尺寸由CFD計(jì)算進(jìn)行確認(rèn)，包括預(yù)計(jì)的軸向靜壓梯度。尤其需要注意的是收縮段與噴口的形狀需要保證氣流的平穩(wěn)流動(dòng)。

1.2 邊界層消除系統(tǒng)

邊界層消除系統(tǒng)包括噴口外800mm長(zhǎng)的傾斜板，該設(shè)備可以減小流線的彎曲與軸向靜壓梯度。在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，氣流會(huì)被抽走1%-2%質(zhì)量流量的，并通過(guò)怠速風(fēng)門回流到測(cè)試段。

圖2 邊界層處理系統(tǒng)

1.3 擴(kuò)散段

回風(fēng)段的設(shè)計(jì)是要為了將氣流高效地?cái)U(kuò)散。測(cè)試段、擴(kuò)散段為可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，來(lái)配合噴口的尺寸。大噴口的擴(kuò)散角度會(huì)接近于0，甚至有略微收縮。最終擴(kuò)散段幾何形狀將在最終調(diào)試時(shí)決定，必須滿足軸向靜壓梯度與脈動(dòng)要求。風(fēng)機(jī)擴(kuò)散段為不對(duì)稱擴(kuò)散器，用來(lái)過(guò)渡中心線高度上各個(gè)交叉腿的不同。所有擴(kuò)散段為全風(fēng)速范圍內(nèi)保守的設(shè)計(jì)尺寸，并且會(huì)進(jìn)行CFD校核。



圖3，4 擴(kuò)散段

1.4 轉(zhuǎn)角

中汽中心環(huán)境風(fēng)洞提出了測(cè)試段的噪聲要求。此要求不是為實(shí)驗(yàn)需要，而是為了創(chuàng)造舒適的實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境。為了達(dá)到該目的，轉(zhuǎn)角1、2、3設(shè)計(jì)了降噪措施，轉(zhuǎn)角葉片中含有吸聲材料。其中轉(zhuǎn)角1設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟裝置，開(kāi)啟時(shí)測(cè)試車輛通過(guò)這里進(jìn)入測(cè)試段。

1.5 諧振腔

設(shè)計(jì)中通過(guò)三個(gè)赫姆霍茲共鳴器來(lái)衰減低頻壓力波動(dòng)。大的諧振腔位于轉(zhuǎn)角2上方。該諧振腔尺寸設(shè)計(jì)為管風(fēng)琴管路模式。另外兩個(gè)小的諧振腔位于測(cè)試段上方。這兩個(gè)諧振腔尺寸為測(cè)試段管路模式。

1.6 主風(fēng)機(jī)

主風(fēng)機(jī)是空氣流動(dòng)的動(dòng)力源。通過(guò)對(duì)葉片數(shù)量、葉型、以及轉(zhuǎn)速等方面的設(shè)計(jì)以滿足壓升和效率要求。主風(fēng)機(jī)為8片葉片，最大轉(zhuǎn)速550rad/min。為了滿足風(fēng)速跟隨車速的要求，對(duì)風(fēng)機(jī)的加減速性能也提出了很高的要求：能夠在30s內(nèi)完成0至滿負(fù)荷的加速，15s內(nèi)完成從滿負(fù)荷至靜止的減速。


圖5 主風(fēng)機(jī)

2. 空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 整流部件

中汽中心要求達(dá)到世界上汽車環(huán)境風(fēng)洞最高水平的氣流品質(zhì)。這不僅要求氣道的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)需要精心設(shè)計(jì)，其他可能影響氣流品質(zhì)的部件也需要詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

測(cè)試段的氣流品質(zhì)受流過(guò)收縮段的氣流質(zhì)量、測(cè)試段自身的擾動(dòng)和擴(kuò)散段的擾動(dòng)影響。流過(guò)收縮段的氣流質(zhì)量主要由沉降倉(cāng)和收縮段的整流部件的設(shè)計(jì)和加工來(lái)來(lái)決定。這些整流裝置包括：換熱器、蜂窩器、收縮段。

換熱器的主要功能是控制進(jìn)入測(cè)試段的空氣溫度和溫度均勻性。風(fēng)道中沒(méi)有其他能夠控制溫度的部件，因此進(jìn)入測(cè)試段的溫度均勻性直接由主換熱器的溫度均勻性決定。為了保證環(huán)境風(fēng)洞的溫度均勻性能夠達(dá)到要求，主換熱器的每一個(gè)回路包含了節(jié)流系統(tǒng)并配合手動(dòng)可調(diào)閥門，這些閥門僅在風(fēng)洞調(diào)試時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整。此外，鹽水供給的均勻性也是空氣溫度能夠均勻分布的保證。主換熱器位于轉(zhuǎn)角4的下游，是第一個(gè)整流部件。

主換熱器還有另外一個(gè)功能——消除不均勻流動(dòng)和降低湍流度。為了主換熱器的整流功能最大化，所有換熱器頭部及其他大的管路都位于流道之外，并且用蓋板遮擋，避免泄露，保證沉降室墻壁的完整。

蜂窩器主要目的是降減小湍流，降低流動(dòng)角度。通過(guò)流過(guò)大量平行的狹窄管道可以達(dá)到這個(gè)目的。蜂窩器的長(zhǎng)度和大小的設(shè)計(jì)可以保證全風(fēng)速下蜂窩器出口均能達(dá)到充分發(fā)展管流。在蜂窩器出口的剪切層會(huì)產(chǎn)生湍流，但會(huì)快速減小，因?yàn)檫@些湍流都是較小的湍流長(zhǎng)度尺度。

收縮段是氣流進(jìn)入測(cè)試段之前，最后的整流部件。收縮段在保持其他流動(dòng)參數(shù)保持不變的前提下，通過(guò)提高平均流速來(lái)增加流場(chǎng)均勻性。比如無(wú)量綱總壓分布(?Pt/q)會(huì)急速升高，由于收縮段對(duì)總壓分布（絕對(duì)壓力）幾乎沒(méi)有影響，動(dòng)壓的增加大約是收縮率的平方。

2.2 空氣動(dòng)力學(xué)效果

為提供均勻且湍流度低的流動(dòng)，每個(gè)整流部件都有他們獨(dú)特的功能。選擇、配置不同功能的整流部件，并把他們組合成為一個(gè)完整的部件，才能夠優(yōu)化流動(dòng)特性，減少湍流。對(duì)于其他的流動(dòng)特性，不同的整流部件影響不同的特性（主換熱器影響溫度均勻性，蜂窩器影響流動(dòng)角度均勻性，收縮段影響總壓力均勻性）。

總壓/靜壓和流動(dòng)角度均勻性表現(xiàn)是沉降倉(cāng)不同部件組合產(chǎn)生的影響。其關(guān)鍵問(wèn)題是解決整流部件組合帶來(lái)的其他影響，包括：1）剪切層的增加會(huì)帶來(lái)流動(dòng)均勻性的惡化，盡管需要對(duì)剪切層有關(guān)部件位置仔細(xì)調(diào)整，但這個(gè)影響最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)估計(jì)。2）由邊界層控制裝置引起的靜壓區(qū)。3）由收縮段產(chǎn)生的靜壓扭曲。

收集口是達(dá)到軸向靜壓梯度指標(biāo)的關(guān)鍵。收縮口尺寸設(shè)計(jì)目標(biāo)為零軸向靜壓梯度，并且裝備了許多調(diào)整裝置，來(lái)調(diào)整靜壓分布。最重要的便是可調(diào)整的收集口和測(cè)試段、擴(kuò)散段進(jìn)口高度。這些可移動(dòng)裝置需要適應(yīng)兩個(gè)噴口的尺寸，并且收集口設(shè)計(jì)了一些可移動(dòng)裝置，進(jìn)行微小調(diào)整，收集口與擴(kuò)散段的最終運(yùn)行高度由調(diào)試時(shí)的結(jié)果來(lái)決定。

2.3 CFD計(jì)算

在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了CFD計(jì)算，如圖2、3所示。主要目的是：1）評(píng)估整個(gè)風(fēng)道的性能表現(xiàn)，尤其是擴(kuò)散段。2）評(píng)估收縮段的設(shè)計(jì)（在大、小兩個(gè)噴口尺寸下）。3）計(jì)算噴口處邊界層的厚度，用來(lái)設(shè)計(jì)邊界層抽吸系統(tǒng)。4）估計(jì)軸向靜壓梯度。

通過(guò)CFD計(jì)算，得到整個(gè)風(fēng)洞的流場(chǎng)，如下圖。從仿真結(jié)果我們可以看出目前風(fēng)洞的設(shè)計(jì)，尤其像噴口、收集口、主風(fēng)機(jī)等重要部件的設(shè)計(jì)，可以滿足最大風(fēng)速250km/h的設(shè)計(jì)要求，并且邊界層厚度及軸向靜壓梯度等空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)非常優(yōu)秀，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。


圖6　整體速度場(chǎng)模擬


圖7　風(fēng)機(jī)擴(kuò)散段速度場(chǎng)模擬

3. 流場(chǎng)品質(zhì)驗(yàn)證

風(fēng)道設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求進(jìn)行的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了CFD計(jì)算，最終的流場(chǎng)品質(zhì)（氣流的均勻性、湍流度、邊界層厚度、軸向靜壓梯度等重要指標(biāo)）還需要在風(fēng)洞完成后通過(guò)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。