風洞最初用于開發(fā)飛行器，航空全尺寸和比例模型已經(jīng)經(jīng)過幾十年的研究，有了長足的發(fā)展。隨著汽車提速，風洞自然而然地被引入了汽車工業(yè)。然而汽車風洞不同于航空風洞，由于車輛接近地面，必然導致一些特有的問題，需要引入新的解決技術(shù)。

風洞技術(shù)的發(fā)展歷程

風洞分為兩種基本類型，開式和閉式。開式風洞又稱埃菲爾式風洞，最初由法國建筑大師Gustave.Effel提出，開式風洞制造成本低，而且污染物（煙霧和尾氣）很容易清除。但其缺點也相當明顯，如風洞大小必須與其所在的空間相適應(yīng)，噪音水平高，運營成本高等。


圖1 開式風洞結(jié)構(gòu)
https://www.researchgate.net/figure/Low-speed-open-type-wind-tunnel-and-test-section_fig1_223627998

風速與模型比例

根據(jù)所需的試驗類型，風洞的設(shè)計風速范圍也不同。同樣受到航空業(yè)的啟發(fā)，許多大型的車輛測試對象可用縮比模型來代替?？s比模型的測試要遵循雷諾準則的限制，當然，為了確保試驗更加精確，一些航空風洞不惜重金建造得十分巨大，如NASA的蘭利研究中心（Langley Research Center ）風洞，可以容納波音737整機進行試驗。


圖2 飛機風洞試驗，蘭利研究中心，1943
https://www.nasa.gov/langley

風洞的設(shè)計風速可以覆蓋亞音速、跨音速、超音速以及高超音速。對于賽車而言，低速風洞已經(jīng)足夠滿足絕大多數(shù)測試。還有一些風洞可以滿足極低湍流度、高雷諾數(shù)或高壓的特殊需求，如Benetton Wind Tunne通過高壓空氣來突破風速的限制。

飛機的風洞試驗測量的是自由空氣中物體的氣動特性，但是車輛的測試是靠近地面的，需要解決邊界層的干擾問題——移動帶由此誕生。

風洞的尺寸取決于幾個因素：成本和空間限制、設(shè)計風速、應(yīng)用領(lǐng)域（例如航空航天、汽車、自然流動等）設(shè)計雷諾數(shù)和馬赫數(shù)等。但無論是開式還是閉式，風洞都是由幾個基本部分組成。


圖3 風洞基本構(gòu)成
Racecar Engineer, Dec, 2019

風洞試驗段

風洞試驗段截面可以是矩形、方形、圓形、六角形、橢圓形或八角形，截面形狀直接影響建設(shè)成本和風洞運轉(zhuǎn)所需的功率。最常見的橫截面形狀是矩形和八角形，八角形可以最大限度地減少矩形截面直角處的次生流動問題。


圖4 航空用的八角形風洞
https://www.ainonline.com/aviation-news/business-aviation/2018-03-14/cessna-wraps-initial-wind-tunnel-tests-skycourier
由于邊界層越向下游發(fā)展越厚，這降低了有效的流通面積，導致風速增加，靜壓下降，所以大多數(shù)試驗段的截面面積都會輕微的增加，例如可以將壁面在各個方向上的角度設(shè)計為0.5度。

試驗段長度通常是風洞噴口最大尺寸的一到兩倍，比如4mx3m噴口應(yīng)該配備有4到8米的試驗段長度。在滿足空氣動力性能的前提下，試驗段應(yīng)盡量縮短，以減少壓力損失。

風洞控制間

從控制間可以監(jiān)測和控制風機、移動帶系統(tǒng)、抽吸與切向吹氣系統(tǒng)、測力系統(tǒng)等核心部件。除了此之外，風洞中往往配備多種額外的設(shè)備和儀器來擴充觀測手段，例如可以配備數(shù)采設(shè)備、壓力探針、粒子圖像測速儀、壓力測試陣列等等。

測力系統(tǒng)

測力系統(tǒng)除了從外部連接車輛模型外，也可以用試驗段頂部的立柱與車身連接，立柱內(nèi)部除了裝備有多個測力單元，同時也集成了伺服位移機構(gòu)以實現(xiàn)模型的俯仰、偏航和側(cè)傾動作，這可以滿足在不停風的狀態(tài)下進行姿態(tài)調(diào)整，進而節(jié)約了運營成本。

擴散段

擴散段在試驗段的下游。盡管可以將整個風洞設(shè)計成統(tǒng)一的截面尺寸，但是由于空氣能量損失與速度的立方成正比，因此，我們通常可以利用擴散段減小風洞試驗段之后的風速，以降低建造和運行成本。

但這引發(fā)了新的問題——空氣在速度降低的同時靜壓升高，逆壓梯度會導致壁面上的分離，這將帶來流速波動和能量損失，同時會使試驗段內(nèi)的流動發(fā)生喘振并影響風機的負載波動程度，進而影響風速控制系統(tǒng)的響應(yīng)。因此，為了避免分離，兩個擴散段的總面積增量因數(shù)通?？刂圃?-6以下。

轉(zhuǎn)角損失

回流式風洞使用拐角是氣流進行大角度的偏轉(zhuǎn)，大多數(shù)為90°偏轉(zhuǎn)，180°的偏轉(zhuǎn)也有應(yīng)用。為了減少轉(zhuǎn)角處的能量損失，通常在轉(zhuǎn)角裝有轉(zhuǎn)向葉片，葉片一般為大曲度的平面或翼型排列而成，有的轉(zhuǎn)向葉片設(shè)計甚至可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)角度以確保流場品質(zhì)。

若拐角處截面面積恒定，拐角處的能量損失也會是恒定的，該損失由表面摩擦和分離阻力造成，這會導致靜壓急劇下降。若拐角處沒有葉片，轉(zhuǎn)角處氣流的能量損失會極大，損失系數(shù)甚至可以達到1；加裝了合適的葉片后，轉(zhuǎn)角損失可以低至0.1。

驅(qū)動風機

風機是決定風洞性能的核心部件。風機在流道中驅(qū)動空氣流動，一般來說，風機會被安置在一段恒定截面積的流道里，也就是說風機并不會加速氣流，而是在其上下游兩側(cè)產(chǎn)生壓差。壓差用于驅(qū)動流體運動，同時也補充風道內(nèi)的總（靜）壓損失，使氣流速度保持恒定。

為了盡可能地提升風風機的驅(qū)動效率，在高風速下更能得到發(fā)揮，因此風扇的安裝位置常選在風道喉部。除此之外，為了減少風道中的可能存在的異物對風扇撞擊，風扇不會布置在第一擴散段，而選在第二擴散段之前的第二個拐角之后。

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

旋轉(zhuǎn)的風機扇葉會產(chǎn)生渦流，為了降低對氣流的擾動氣流，通常采用三種方式對風機進行優(yōu)化：第一，在下游使用氣流矯正葉片與旋轉(zhuǎn)葉片相互配合布置；第二，在風機上游布置預旋轉(zhuǎn)葉片，使氣流先朝著與風機相反的方向旋轉(zhuǎn)；第三，使用兩個同軸反槳風機。

風機電機一般會安裝在一個整流艙內(nèi)并配備專用的冷卻系統(tǒng)。機艙長徑比大約為3，且在30%-40%的長度上橫截面積是恒定的，隨后機艙會以大約5°的角度逐漸收縮。