世界先进汽车风洞系列之丰田空气动力学-声学风洞

 

2013年3月,历时3年由丰田公司和三菱重工共同设计和建造的丰田汽车气动-声学风洞投入使用。这座风洞采用了很多独特的设计以提高风洞的流场品质,使得该风洞位列最安静的汽车风洞之列。本期“世界先进汽车风洞“将带您了解丰田的这座气动-声学风洞。...



号外:中国汽研风洞即将开工啦!

为了进一步促进中国汽车工业发展,推动汽车技术进步,中国汽研投资4.3亿元建设的具有国际先进水平的汽车空气动力学-声学风洞和环境风洞,将于2016年6月17日在重庆中国汽研本部举办中国汽研风洞建设启动暨风洞联盟签约仪式。敬请期待!
【正 文 开 始】


2013年3月,历时3年由丰田公司和三菱重工共同设计和建造的丰田汽车气动-声学风洞投入使用。这座风洞采用了很多独特的设计以提高风洞的流场品质,使得该风洞位列最安静的气动-声学风洞之列。本期“世界先进汽车风洞“将带您了解丰田的这座气动-声学风洞。

丰田汽车一句“车到山前必有路,有路必有丰田车”的广告语,为其树立了销量大,技术好的品牌形象。这其中既有丰田精益化生产和科学管理的功劳,更反映了丰田汽车在技术上丰富的积累,这其中就包含了丰田汽车在风洞试验领域的技术积累。早在上世纪60年代丰田就已经在风洞中进行了大量的试验,在2009年前丰田还没有退出F1赛场时,丰田汽车更是一掷千金在欧洲建设了两座赛车专用风洞。最近十年随着燃油经济性标准的提高和新能源汽车的发展,丰田汽车在其总部又投资兴建了一座全新的汽车气动-声学风洞。
丰田汽车气动-声学风洞外景图


先进的风洞设计
1
减少压力脉动的措施

开口回流式风洞易受压力脉动的影响,特别是在特定的风速条件下,由于压力脉动引起的气动噪声将会增加风洞的背景噪声水平。目前,汽车风洞中越来越侧重于非稳态力的测量,较大的压力脉动也将会影响测量结果。同时压力脉动也会对建筑本身带来损害。

因此在丰田风洞设计中,在收集口下游的扩散段中开有若干个小孔,减小扩散段内较高压力的气流对驻室的影响。
收集口下游扩散段的开口


在3/4开口式风洞中由于驻室内气流与喷口气流存在速度差异,会在喷口射流边界层上方出现周期性脱落的涡流,这也会带来压力的脉动。
驻室内速度差异带来的脱落涡


为了尽量减小这种脱落涡流,丰田汽车风洞设计了一套独特的伴流装置,在驻室上方从流道外引入一股气流,其与从喷口喷出的气流形成伴流,以减少驻室内气流与喷口气流的速度差,从而达到减少压力脉动的目的。
伴流装置及其内部气流流动示意图


在收集口表面包裹的纤维材料也降低了收集口的压力反射,进一步降低了气流的压力脉动。
风洞收集口包裹的纤维
2
优化轴向静压梯度分布

为了获得较小的风洞轴向静压梯度,丰田风洞在设计中对喷口角度、抽吸率、收集口与喷口的面积比进行了优化。下图为实际获得的风洞轴向静压梯度分布,相对于对标的欧洲和美国某汽车风洞,丰田汽车风洞的轴向静压梯度处于非常先进的水平上。
轴向静压梯度测量结果@140km/h
3
减少速度不均匀性

该风洞的喷口面积达到了31.5㎡,为了在整个喷口范围内减少速度的不均匀性,丰田通过优化喷口的形状和收缩比,并安装了3层整流网和一层蜂窝器,达到提高速度均匀性的目的。

由实际测量获得喷口界面速度分布可看出,该截面速度误差的平均值是0.44%,标准差是0.07%,速度均匀性非常好。
速度分布测量结果@140km/h
4
降低背景噪声的措施

在风洞内主要噪声源包括:风机、喷口、收集口、边界层抽吸设备等。为降低风洞背景噪声丰田采取了一系列消声措施。

在风机外包裹有消声材料,采用了消声导流片,在收集口边缘覆盖玻璃纤维吸声材料,驻室也被设计成为一个半消声室。下图展示了该风洞中采取的消声部位和措施。
风洞消声部位和措施


值得一提的是,在丰田风洞中绝大部分内壁都采用的了一种“小孔结构”的混凝土吸声层
具有小孔结构的混泥土墙面


通过这些措施丰田风洞在150km/h的风速下,背景噪声仅为59.8dB(A),可以称得上是世界上最安静的风洞。

悄悄地告诉你,2018年建成的重庆中国汽研气动-声学风洞在140km/h下背景噪声


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