流体力学应用/A32：相似性分析应用于车辆

利用风洞对车辆进行相似性分析

动机

随着车辆新模型的不断涌现，需要进行风洞测试来评估车辆周围复杂的湍流，以便更好地了解新模型的能力和限制，并在风洞中优化新车辆的空气动力学性能。

概述

为了提高车辆的空气动力学性能，必须获得有关空气动力学特性的数据，例如升力和阻力，这里主要考虑的是。相似性和建模是强大的工具，它有助于在小型原型上模拟实际情况，进行分析，而风洞则有助于使其成为现实。

介绍

相似性分析应用于车辆，并构建了实际原型的缩小比例模型，以通过风洞模拟确定空气动力学参数的数据，从而改进设计，从而影响实际车辆的性能。风洞内复制了真实环境，这有助于确定车辆的实际动态性能。安装在模型中的传感器提供有关空气动力学力和力矩的数据，以及模型表面的压力值。空气动力学家使用测量的和数值推导的特性来决定必要的

什么是风洞？

飞机制造商使用 NASA 风洞来测试新型飞机设计。

风洞是大型管道，内部有空气流动，并有一些人工来源，如大型螺旋桨或风扇。风洞可以和房间一样大。也有用于实验室的小型风洞。风洞用于模拟物体在飞行中的动作，无论是汽车还是飞机。

NASA 使用风洞来测试飞机和航天器的比例模型。有些风洞足够大，可以容纳全尺寸的车辆。风洞在物体周围移动空气，使其看起来像物体在轨道上实际移动一样。大多数情况下，强大的风扇将空气送入管道。

为什么要使用相似性进行风洞分析？

风洞建模是一种强大的技术，可以确定风对任何结构的影响。由于流动的复杂性和诱发的风荷载，其他技术无法在对这种影响的实际分析中可靠地使用。连接到风洞的仪器提供有关分析的准确可靠信息，并通过应用相似性准则可以将数据转换为实际原型。通过相似性准则制作的比例模型也是一种简单高效的技术。

历史：制造空气动力学汽车 - 汽车风洞

第一个风洞是在莱特兄弟在基蒂霍克取得成功之前整整 30 年建造的。在开发的早期，风洞分析主要局限于飞机测试。来自英国航空学会的弗朗西斯·赫伯特·温厄姆于 1871 年发明了风洞，并运行了相同的风洞，带来了许多基本发现。

风洞分析在经过一个世纪的专家从不同领域进行的高科技模拟后，才应用于汽车行业。这种拖延最可能的原因是汽车空气动力学在许多方面与飞机空气动力学不同。例如，道路车辆的几何形状和配置与飞机相比，流线型程度要低得多。

风洞是如何工作的？

流体力学实验室 ZHCET，AMU 的风洞

工作概述

待测物体牢固地固定在风洞中，使其不会移动。物体可以是任何东西，例如小型车辆模型或大型飞机。它可以是全尺寸飞机或航天器。它甚至可以是像网球这样的普通物体。围绕静止物体的空气运动表明如果物体在空中移动会发生什么。可以采用不同的方法进行分析。

可以在空气中放置烟雾或染料，并在其移动时观察到。可以将线连接到物体上以显示空气的移动方式。测试物体，通常称为风洞模型，配备了合适的传感器来测量空气动力，压力分布或其他与空气动力相关的特性。通常使用特殊的仪器来测量空气对物体的力。

无粘性锥形区域：风洞分析中使用的入口区域，模型放置在其中

概念：入口区域

风洞中使用的概念属于内部管道流动。内部流动受边界壁的约束，如图形所示，随着流动的增长而渗透整个流动。存在一个入口区域，其中几乎无粘性的上游流动汇聚并进入管道。在距入口有限距离处，边界层合并，无粘性核心消失，粘性层发展并阻碍了管道中的轴向流动。因此，风洞中的模拟是通过将物体放置在入口区域的无粘性部分来进行的，以获得无湍流的流动并获得所需的结果。

进步与技术

入口区域：发展流动

为了在风洞中真实地模拟车辆运动，在车轮轴上以高达 20 Hz 的频率感应出振幅为几毫米的垂直运动。为了在风洞模型上产生这种运动，已经开发了一种带有控制单元的液压“振动器”。在模型中，振动器位于称重传感器（即天平）下方，称重传感器又固定在垂直对齐的模型支架上，该支架穿过模型顶部的屋顶。

风洞设计：可压缩性效应

风洞设计

风洞用于测试拟议的汽车和其他物体的模型。工程师可以控制风洞内的流动条件并对模型进行仔细测量。通过这种方式，工程师可以预测全尺寸原型上的力。

可压缩性效应

风洞是为特定用途和速度范围而设计的，并且存在多种类型的风洞。由于可压缩性效应，速度范围的选择会影响风洞的设计

对于亚音速流动

空气密度几乎保持恒定，减少横截面积会导致流动速度增加，压力降低，反之亦然。测试部分中希望获得最高速度。对于亚音速风洞，测试部分放置在收缩部分的末端和扩散器上游。根据亚音速流动质量守恒定律，可以设计测试部分以产生所需的速度或马赫数，因为速度是横截面积的函数。可以通过图形观察亚音速风洞设计中马赫数、速度和压力的变化。全室是封闭式回流风洞的沉降室，或开放式回流设计的开放空间。

对于超音速流动

与亚音速流动不同，由于可压缩性，风洞中的空气密度会发生变化。实际上，密度的变化速度是速度的马赫数平方倍。在超音速流动中，通过减少横截面积，流动速度降低，压力升高，反之亦然。此外，可压缩流动会遇到质量流量阻塞。当亚音速流动收缩时，速度和马赫数会增加。当速度达到声速 (M = 1) 时，流动会发生阻塞，马赫数不能超过 M = 1。对于超音速风洞，流动会收缩，直到它在喷嘴喉部发生阻塞，以获得最高速度。然后流动被扩散，这会超音速地增加速度。超音速风洞的测试部分放置在扩散器的末端。根据可压缩流动的质量守恒定律，可以设计测试部分以根据测试部分的面积产生所需的速度或马赫数。

超音速和亚音速设计中的相似性

在超音速和亚音速设计中，相对于测试部分的上游站，速度都会增加，压力都会降低。在亚音速风洞中，面积收缩到测试部分；在超音速风洞中，面积正在增加。

什么是阻力？

阻力是作用于车辆的反方向的力，由于以下几个原因，阻力对车辆性能有负面影响，例如它限制了车辆的最高速度并增加了燃油消耗。低阻力车辆通常具有以下一种或几种特性的组合：流线型外形、较小的正面面积以及车身工作部件上用于窗户或冷却管道的小开口。车辆的阻力性能以阻力系数$c_{\mathrm {d} }\,$ 来表征，定义如下

$c_{\mathrm {d} }={\dfrac {F_{\mathrm {d} }}{{\dfrac {1}{2}}\rho v^{2}A}}\,$

其中

$F_{\mathrm {d} }\,$ 是阻力，根据定义，它是流动速度方向上的力分量。

$\rho \,$ 是流体的 **密度**，

$v\,$ 是物体相对于流体的 **速度**，

$A\,$ 是参考 **面积**。

这个无量纲系数允许直接比较不同车辆之间的阻力性能以及同一车辆的不同设置之间的阻力性能。

什么是升力？

升力是作用在车辆上的，垂直于车辆行驶轨迹表面的力。它是作用在赛车上的另一个主要的空气动力学力，但与阻力不同，升力可以被操纵以增强赛车的性能并减少圈速。正如其定义所暗示的那样，升力通常具有将车辆向上拉动的作用，即远离其行驶的表面。它在飞机设计中具有很大的用途和影响。但对于汽车来说，它是弊大于利。然而，通过操纵赛车的几何形状，例如部署扰流板，可以产生负升力，或下压力。下压力通过增加轮胎上的法向载荷来增强车辆性能。这增加了潜在的转向力，从而使车辆能够以更快的速度绕弯并减少圈速。车辆的升力用升力系数 C_L 来表征，定义为

$C_{\mathrm {L} }={\frac {L}{{\frac {1}{2}}\rho v^{2}S}}={\frac {2L}{\rho v^{2}S}}={\frac {L}{qS}}$ ,

其中 $L\,$ 是 **升力**，$\rho \,$ 是 **流体密度**，$v\,$ 是真实的 **空速**，$S\,$ 是 **平面形状面积** 并且 $q\,$ 是流体的 **动压**。负升力系数意味着车辆正在经历下压力

相似准则

缩尺模型用于研究物体的复杂流体动力学，而计算机模拟不足以做到这一点。可以在建造实际原型之前测试设计。但是，除了设计之外，还必须考虑其他条件，例如压力、温度或流体的速度和类型。当测试条件得到发展，使得测试结果适用于实际设计时，据说达到了相似性。

模型与应用之间具有相似性的三个必要条件。为了实现相似性，必须满足以下相似准则；

几何相似性

模型和原型必须具有相同的比例形状。

运动学相似性

流过模型和原型的流体必须具有相同的运动变化速率。

动力学相似性

模型和原型上的力必须具有恒定的比率或是一个常数的倍数。

应正确分析实际工作条件，以确保所有这些相似性并实现正确的相似性。实际条件的复制程度越高，分析就越好

快速原型制作：如何制作用于仿真的缩尺模型？

快速原型设计是一种制造工艺，它利用计算机和高科技仪器来制造原型或其他事物的比例模型。它在开发新产品方面非常有用，因为它可以制作成本效益高的模型并对其进行分析，如果模型没问题，则可以制造实际的昂贵原型。这些模型可用于测试车辆等，例如将机翼形状放入风洞中时。计算机辅助设计也在早期阶段用于开发设计。

设置：如何从风洞分析中确定升力和阻力？

• 将比例模型安装到风洞内的测力仪上，使车轮刚好接触到风洞地板，模型的前部朝向气流方向。

风洞设置显示不同的仪器和汽车模型

• 测力仪连接到数据采集箱，数据采集箱插入计算机。
• 皮托管在风洞中正确放置，并使用 Tygon 管连接到压力传感器，然后压力传感器再连接到数据采集箱。
• 然后使用附带的旋钮对测力仪进行调零。
• 与皮托管、升力和阻力相关的结果以电压表示。
• 在电机以特定频率运行时记录数据，并以一定间隔重复记录，直到达到一定范围。
• 注意确保在进行任何读数之前，风洞中的气流稳定。一名学生观察汽车的行为，以记录任何可疑的运动（例如，模型的前部向上倾斜）。

示例实验：1/12 比例 NASCAR 汽车模型在升力和阻力方面的數據

升力和阻力系数与雷诺数的关系图：显示升力对雷诺数的独立性

升力和阻力系数与雷诺数关系图中显示了获得的实验数据的详细信息。

发现

风洞测试结果表明，升力系数在大约 5X10⁵ 的雷诺数之后达到了雷诺数独立性。然而，阻力系数似乎从未达到雷诺数独立性，尽管它似乎在风洞的上限速度约束附近接近雷诺数独立性。由于升力达到了雷诺数独立性，因此在超过 5.0X105 的雷诺数之后，作用在模型上的力可以按比例放大到全尺寸汽车。

分析

图中显示的升力和阻力系数提供了对赛车的空气动力学的宝贵见解。力系数代表作用在车辆上的升力/阻力的相对大小。升力和阻力系数与流经该物体的粒子的动量变化以及这些动量变化发生的突然程度直接相关。赛车设计师采用一种称为流线型的技术来实现最小的升力和阻力，以最大限度地提高车辆性能。

由于阻力系数没有达到雷诺数独立性，因此在 7.15X10⁵ 的雷诺数之前不存在动力相似性。通常，升力和阻力系数都遵循类似的趋势。它们从高开始，快速下降，然后逐渐上升。

类比

为了说明，我们以流体绕球流动为例，因为这种行为是众所周知的，并且与本实验的结果相关。在球体周围的层流中，分离发生在球体中间。在球体后部形成低压区域，从而增加阻力。当流动变得湍流并获得更大的动量时，分离发生在中点之后，球体后部的低压区域变小。结果，阻力减小。鉴于此，围绕 NASCAR 模型的流动可能表现出类似的行为。

数据从模型到原型转换

考虑模型和原型的雷诺数等效性

$\mathrm {Re} _{m}={{\rho _{m}{\mathbf {v} _{m}}L_{m}} \over {\mu _{m}}}={{\rho _{p}{\mathbf {v} _{p}}L_{p}} \over {\mu _{p}}}=\mathrm {Re} _{p}$

如果 ρ_p = ρ_m 且 η_p = η_m

$\mathrm {\mathbf {v} _{m}} ={{\ {\mathbf {v} _{p}}L_{p}} \over {L_{m}}}$ ... (1)

这是汽车模型和实际原型的速度关系，其中

L_p / L_m

是比例比例。

现在阻力系数 $c_{\mathrm {d} }\,$ 定义为

$c_{\mathrm {d} }={\dfrac {F_{\mathrm {d} }}{{\dfrac {1}{2}}\rho v^{2}A}}\,$

将实际原型和模型的阻力系数相等，如下所示

FD_p/ ρ_p (v_p)² L_p² = FD_m/ ρ_m (v_m)² L_m² ... (2)

因此，从 (1) 和 (2) 可知，

FD_p = FD_m

这表明模型和原型上的阻力将相等。因此，我们只需在模型上进行分析，它将适用于原型汽车。

同样地，

模型的升力可以转换为原型，升力系数

$C_{\mathrm {L} }={\frac {FL}{{\frac {1}{2}}\rho v^{2}S}}={\frac {2FL}{\rho v^{2}S}}={\frac {L}{qS}}$

其中FL表示升力。

通过将(C_L)_m = (C_L)_p等式。

2(FL)_m/ρ_m(v_m)²S_m = 2(FL)_p/ρ_p(v_p)²S_p

FL_m = FL_p

结论

利用相似性准则进行风洞分析，制作比例模型是汽车行业不可或缺的技术，如果需要根据实际情况而不是计算机模拟获得准确的结果，以开发高效且可靠的汽车。就汽车行业而言，这是一种简单、可靠且廉价的技术。流体力学为这种相似性分析提供了核心要点和概念，这在开发新型混合动力汽车和发展一个国家的汽车景观方面非常有效。