風(fēng)機(jī)電機(jī)效率_風(fēng)機(jī)電機(jī)效率計(jì)算

　　關(guān)注" 智客"↑，全球頂尖智庫(kù)精選薈萃。

　　本文選編自微信公號(hào)：汽車空氣動(dòng)力學(xué)，ID：Auto-Aerodynamics

　　在汽車風(fēng)洞中，動(dòng)輒300km/h風(fēng)機(jī)電機(jī)效率的風(fēng)速是怎么產(chǎn)生的？是什么樣的設(shè)備帶動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)效率了整個(gè)風(fēng)洞的運(yùn)行？號(hào)稱最昂貴的人造風(fēng)是怎么吹來(lái)的？本期“汽車風(fēng)洞先進(jìn)設(shè)備”系列，我們將為你介紹汽車風(fēng)洞中的幕后英雄——風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

　　風(fēng)洞是根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相似性原理，將汽車固定在地面上，通過(guò)高速氣流流經(jīng)汽車表面，模擬汽車實(shí)際路面行駛狀態(tài)下的氣動(dòng)特性的試驗(yàn)設(shè)備。

　　在汽車風(fēng)洞中可模擬從0-300km/h的速度變化，并且其速度控制精度可達(dá)到0.03%，這么高的速度范圍，一方面有風(fēng)洞收縮段的加速作用，但更為重要的是風(fēng)洞中最核心的設(shè)備——風(fēng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　作為整個(gè)汽車風(fēng)洞的動(dòng)力源，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)堪稱整個(gè)風(fēng)洞的幕后英雄。

　　汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)原理

　　風(fēng)洞風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的基本原理與我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾婏L(fēng)扇的原理類似，主要由電機(jī)和葉片組成，也叫軸流式風(fēng)機(jī)。

　　當(dāng)接通電源后，葉片旋轉(zhuǎn)，空氣從風(fēng)扇的背后被葉片產(chǎn)生的負(fù)壓吸引，通過(guò)葉片吹向風(fēng)扇的正前方，于是在風(fēng)扇前面形成了“人造風(fēng)”。

　　通常我們所感受到的風(fēng)的大小就是風(fēng)速的大小，用過(guò)電風(fēng)扇我們都知道，檔位不同風(fēng)速也不同，不同的檔位其實(shí)就是對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)的不同功率，風(fēng)機(jī)工作功率越大，那么風(fēng)速也就越高。

　　但是我們也知道，站在一臺(tái)小風(fēng)扇前面，即使電風(fēng)扇風(fēng)速再大，也是能吹到頭就吹不到腳，能吹到腳就吹不到頭，這是風(fēng)機(jī)葉片直徑大小造成的，也就是風(fēng)量的區(qū)別。

　　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，葉片直徑越大，風(fēng)量就越大，風(fēng)量越大，所需要的風(fēng)機(jī)功率也會(huì)越高。

　　汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)尺寸

　　那么，風(fēng)洞風(fēng)機(jī)的尺寸到底有多大呢？對(duì)于現(xiàn)代汽車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)而言，直徑通常在9m左右風(fēng)機(jī)電機(jī)效率！汽車環(huán)境風(fēng)洞風(fēng)機(jī)尺寸稍小，直徑通常在4m左右。

　　可以想象，即使姚明站在9m的巨型風(fēng)機(jī)下面也還沒(méi)有一扇葉片高呢。

　　風(fēng)機(jī)中心的輪轂通常會(huì)占到整個(gè)風(fēng)機(jī)直徑的一半左右，巨大的電機(jī)就隱藏在其中。風(fēng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度不等，通常為5m到7m不等，主要取決于電機(jī)的設(shè)計(jì)和尾椎尺寸。

　　汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)功率

　　風(fēng)機(jī)的最高功率主要取決于風(fēng)洞設(shè)計(jì)的最高風(fēng)速和從靜止到最高速的加速度，現(xiàn)代汽車的最高車速通常都會(huì)超過(guò)200km/h，百公里加速時(shí)間也很容易達(dá)到10秒以內(nèi)，所以電機(jī)額定功率要求也會(huì)隨之提高。為了保證風(fēng)洞中的試驗(yàn)車輛的風(fēng)速模擬要求，風(fēng)機(jī)電機(jī)往往需要具備數(shù)千千瓦的額定功率。

　　汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)控制精度

　　風(fēng)洞風(fēng)機(jī)可以實(shí)時(shí)跟隨車輛模擬行駛的速度，速度跟隨偏差可控制在1秒以內(nèi)，無(wú)論你怎么加減速，都能保證吹出的風(fēng)如影隨形，你快它也快，你慢它也慢。風(fēng)機(jī)的風(fēng)速控制精度可達(dá)0.03%。

　　舉例來(lái)說(shuō)，如果你的車速是100km/h，那么風(fēng)機(jī)處吹來(lái)的風(fēng)速大概就是100±0.03km/h，考慮到取整，那么就是100km/h。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以認(rèn)為這兩個(gè)速度是完全一樣的，當(dāng)然實(shí)際使用中還需要考慮標(biāo)定的問(wèn)題。這也是風(fēng)洞能準(zhǔn)確模擬汽車在外部道路上行駛環(huán)境的主要原因。

　　汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)效率

　　一般家用風(fēng)扇的效率大約為50%，有一半的電能會(huì)通過(guò)熱能浪費(fèi)掉。而風(fēng)洞風(fēng)機(jī)的效率最高可達(dá)90%以上，考慮到風(fēng)機(jī)巨大的功率，如此的高效率會(huì)節(jié)約大量的電能，這在如今節(jié)能減排的背景下，顯得尤為重要。

　　風(fēng)洞風(fēng)機(jī)想要達(dá)到如此高的效率需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行大量的特殊設(shè)計(jì)，例如，選擇適宜的輪轂比和特別優(yōu)化的葉型，葉片通常需要使用碳纖維材料，葉片與機(jī)殼的間隙不超過(guò)風(fēng)機(jī)直徑的千分之一等。通過(guò)這一系列的設(shè)計(jì)才能滿足風(fēng)機(jī)的高效率要求。

　　世界汽車風(fēng)洞先進(jìn)風(fēng)機(jī)

　　現(xiàn)在我們大致了解了風(fēng)洞風(fēng)機(jī)的基本情況，下面我們?cè)賮?lái)看看全球著名汽車制造商及其風(fēng)洞中所使用的風(fēng)機(jī)都有哪些。

　　通用汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)建成于1980年的通用汽車ESAL空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞，其風(fēng)機(jī)的葉片采用加西云杉木制成，一片葉片長(zhǎng)度就達(dá)12英尺（約3.6米），重約1噸，由4500馬力的變速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，測(cè)試區(qū)最高速可達(dá)222km/h。

　　奔馳汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)梅賽德斯-奔馳汽車于2013年投入使用的最新汽車風(fēng)洞，該空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)直徑9m，最大功率5300kw，由18片碳纖維葉片提供高達(dá)265km/h的試驗(yàn)風(fēng)速。

　　豐田汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)日本的豐田汽車在2013年也建成了其最新最先進(jìn)的汽車風(fēng)洞，其風(fēng)機(jī)功率達(dá)到了8MW，直徑為9m，也采用的碳纖維葉片。

　　中國(guó)汽研汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)正在建設(shè)中的中國(guó)汽研氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞的風(fēng)機(jī)功率為4000kw左右，直徑9m，最高風(fēng)速超過(guò)250km/h，采用18片碳纖維葉片。

　　配圖為奔馳汽車風(fēng)洞風(fēng)機(jī)

　　>>>>延伸閱讀

　　是土豪你就來(lái)，每小時(shí)2.5萬(wàn)元的汽車風(fēng)洞試驗(yàn)！

　　本文選編自微信公號(hào)：汽車空氣動(dòng)力學(xué)，ID：Auto-Aerodynamics

　　汽車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)號(hào)稱是汽車試驗(yàn)中最高大上的一項(xiàng)試驗(yàn)，每小時(shí)2.5萬(wàn)元的試驗(yàn)費(fèi)用，也讓汽車風(fēng)洞吹出的風(fēng)成為了最昂貴的風(fēng)。本期“汽車風(fēng)洞技術(shù)”科普系列，就來(lái)為你講下空氣動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)風(fēng)洞中可開(kāi)展的主要試驗(yàn)。

　　汽車風(fēng)洞是在按照一定要求設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)內(nèi)，使用動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)一股可控制的氣流，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和相似性原理進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的設(shè)備。

　　在氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)開(kāi)展氣動(dòng)力測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量、流場(chǎng)信息測(cè)量和表面壓力測(cè)量等汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。

　　奔馳GLA在風(fēng)洞試驗(yàn)中

　　氣動(dòng)六分力測(cè)量試驗(yàn)

　　氣動(dòng)六分力測(cè)量是在風(fēng)洞中使用氣動(dòng)力天平測(cè)定汽車在某一風(fēng)速下氣動(dòng)力變化的試驗(yàn)。一般在試驗(yàn)中會(huì)將氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩轉(zhuǎn)化成氣動(dòng)力系數(shù)和氣動(dòng)力矩系數(shù)，以對(duì)汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。

　　奔馳汽車風(fēng)洞氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)

　　在氣動(dòng)力測(cè)量中，氣動(dòng)阻力系數(shù)、氣動(dòng)升力系數(shù)（包括前后軸升力系數(shù)）的測(cè)量是較為重要的測(cè)試項(xiàng)目。它們對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車的高速行駛穩(wěn)定性有較大影響。

　　在進(jìn)行氣動(dòng)力測(cè)量時(shí)，一般還需要根據(jù)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)尺寸和模型安裝情況等進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果修正。如對(duì)風(fēng)洞阻塞比修正、噴口干擾修正、軸向靜壓梯度修正、支架干擾修正、地面邊界層修正等，以盡量獲得精確的試驗(yàn)結(jié)果。

　　在氣動(dòng)六分力測(cè)量試驗(yàn)中，主要的測(cè)量設(shè)備包含了測(cè)力天平、轉(zhuǎn)臺(tái)、移動(dòng)帶系統(tǒng)、邊界層抽吸系統(tǒng)等。在現(xiàn)代汽車風(fēng)洞中，這些測(cè)量設(shè)備一般都會(huì)集成在轉(zhuǎn)臺(tái)中。

　　FKFS汽車風(fēng)洞天平何移動(dòng)帶設(shè)備

　　汽車風(fēng)洞分布式邊界層抽吸系統(tǒng)

　　在風(fēng)洞中還可通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)、側(cè)風(fēng)發(fā)生器等方法開(kāi)展汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的試驗(yàn)，研究汽車在側(cè)風(fēng)工況下的行駛穩(wěn)定性。

　　FKFS汽車風(fēng)洞中的Swing側(cè)風(fēng)發(fā)生器

　　聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)

　　汽車風(fēng)噪性能的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為了繼風(fēng)阻之后車企又一重點(diǎn)關(guān)注的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)噪性能成為了影響汽車駕乘體驗(yàn)的重要因素。

　　在氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞中，主要使用人工頭聲學(xué)測(cè)量設(shè)備和麥克風(fēng)陣列測(cè)量汽車的聲學(xué)特性。以對(duì)車外氣動(dòng)噪聲以及車外附件對(duì)車內(nèi)噪聲的影響進(jìn)行測(cè)量分析。

　　人工頭聲學(xué)測(cè)量設(shè)備

　　奔馳使用麥克風(fēng)陣列測(cè)量車內(nèi)噪聲

　　保時(shí)捷風(fēng)洞框架式麥克風(fēng)陣列

　　保時(shí)捷風(fēng)洞麥克風(fēng)陣列聲學(xué)測(cè)量結(jié)果

　　流場(chǎng)信息測(cè)量試驗(yàn)

　　流場(chǎng)信息測(cè)量試驗(yàn)可分為定性的流場(chǎng)顯示試驗(yàn)和定量的流場(chǎng)氣流參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。

　　一、流場(chǎng)顯示測(cè)量試驗(yàn)

　　流場(chǎng)顯示測(cè)量試驗(yàn)用于觀察車輛周圍和表面的空氣流動(dòng)。主要有四種方法：絲帶法、油膜法、煙流法和粒子圖像測(cè)速法（PIV）。

　　絲帶法 絲帶法是用于觀察汽車表面流動(dòng)的常用方法。通過(guò)觀察粘貼在車身表面上的絲帶的運(yùn)動(dòng)狀況來(lái)確定車身表面的流譜。

　　通常選用輕柔的綢帶和細(xì)小的絲線。絲帶的長(zhǎng)度和間距根據(jù)模型部位和流場(chǎng)的復(fù)雜情況等確定，在流場(chǎng)較復(fù)雜的部位，如前側(cè)窗附近，采用較短的絲線，間距也較小些。反之，在一些結(jié)構(gòu)變化較小、流動(dòng)較簡(jiǎn)單的表面上布置的絲帶較長(zhǎng)，間距也較大。

　　絲帶法也可用于顯示空間流譜。把絲帶粘在模型周圍用細(xì)金屬絲織成的空間框架上，可以清晰地看見(jiàn)模型周圍的氣流狀態(tài)，尤其是模型尾流區(qū)的氣流流動(dòng)情況。

　　油膜法 油膜法是將混有一定顏色的不易揮發(fā)、粘度較大的油液均勻地噴涂在汽車表面。根據(jù)油膜上的風(fēng)紋可看出氣流的方向和流速大小。

　　使用油膜法可使表面流譜圖像一目了然，并可在風(fēng)洞停止吹風(fēng)后一段時(shí)間內(nèi)保持其表面流譜。但是油易流淌，模型及風(fēng)洞容易被污染。

　　保時(shí)捷911模型在進(jìn)行油膜試驗(yàn)

　　煙流法 煙流法是使用煙流發(fā)生器，并由梳狀管排出煙絲，觀察汽車周圍流場(chǎng)和細(xì)節(jié)流動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)。煙流試驗(yàn)風(fēng)速通常選擇在10～20m/s之間。

　　奔馳IAA概念車在進(jìn)行流場(chǎng)顯示試驗(yàn)

　　觀察尾部細(xì)節(jié)氣流形態(tài)

　　在風(fēng)洞流態(tài)顯示試驗(yàn)中，煙流法是采用較多的試驗(yàn)方法，可方便快速的觀察車身分離流、尾部渦流等細(xì)節(jié)部位的流場(chǎng)信息。

　　粒子圖像測(cè)速法 粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry）技術(shù)是一種基于流場(chǎng)圖像互相關(guān)分析的流場(chǎng)測(cè)量新技術(shù)，具有全場(chǎng)性、瞬時(shí)性、定量性、無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)，適于研究渦流、湍流等復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

　　PIV試驗(yàn)獲得的尾流場(chǎng)速度信息

　　PIV試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

　　粒子圖像測(cè)速的基本原理是：在流場(chǎng)中散播示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，在某一時(shí)間內(nèi)，通過(guò)連續(xù)兩次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在CCD相機(jī)上，攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列，并記錄相鄰兩幀圖像序列之間的時(shí)間間隔，進(jìn)行圖像相關(guān)分析，識(shí)別示蹤粒子圖像的位移，根據(jù)速度的定義，就可以得到流體的運(yùn)動(dòng)速度。

　　PIV測(cè)量原理示意圖

　　二、流場(chǎng)氣流參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)

　　流場(chǎng)氣流參數(shù)測(cè)量包括氣流速度測(cè)量、氣流方向測(cè)量、氣流壓力測(cè)量、氣流湍流度測(cè)量等。

　　通常使用風(fēng)速儀、熱線風(fēng)速儀、激光測(cè)速儀等設(shè)備進(jìn)行速度測(cè)量；使用五孔探頭測(cè)量氣流俯仰和偏航方向。

　　五孔探頭

　　在風(fēng)洞中一般需要對(duì)汽車周圍的邊界層厚度進(jìn)行測(cè)量，以便調(diào)整抽吸系統(tǒng)的抽吸率等參數(shù)。在測(cè)量時(shí)一般采用邊界層耙進(jìn)行，它是將多個(gè)風(fēng)速儀，沿縱向固定在一塊翼型板上。

　　測(cè)量邊界層厚度的邊界層耙

　　表面壓力測(cè)量試驗(yàn)

　　汽車車身表面壓力分布與汽車外形有著非常密切的聯(lián)系，通過(guò)表面壓力測(cè)量可以分析判斷氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力過(guò)大的根源，確定車身各部位所承受的載荷，進(jìn)出風(fēng)口的最佳位置，以及檢查局部造型的合理性。

　　汽車表面壓強(qiáng)分布測(cè)量按測(cè)量方式分一般有表面壓力傳感器測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。

　　接觸式表面壓力測(cè)量接觸式表面壓力測(cè)量一般采用皮托管或膜片式壓力傳感器進(jìn)行。

　　使用皮托管測(cè)壓時(shí)，需要沿模型表面法向開(kāi)孔，以便將測(cè)壓管埋入孔內(nèi)。為了不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般應(yīng)盡量使孔徑小，并使用砂紙打磨來(lái)保證測(cè)壓孔表面光滑，避免孔周圍的毛刺帶來(lái)測(cè)量誤差。

　　皮托管測(cè)壓布置示意圖

　　一般在壓強(qiáng)變化劇烈的地方應(yīng)將測(cè)壓孔布置得適當(dāng)密一些，壓強(qiáng)變化平緩處則適當(dāng)?shù)南∫恍?。各測(cè)壓孔所感受的壓強(qiáng)通過(guò)測(cè)壓管、傳導(dǎo)管與壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x器相連接，以獲得車身表面壓力分布。

　　獲得的車身縱截面表面壓力分布

　　對(duì)于表面不能鉆孔的整車測(cè)壓，目前大多采用片式壓力傳感器，這樣就不需要在汽車表面打孔且方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理。但是片式傳感器的存在會(huì)對(duì)汽車周圍的流場(chǎng)造成一定的干擾。

　　片式壓力傳感器

　　非接觸表面壓力測(cè)量非接觸表面壓力測(cè)量包括激光測(cè)壓裝置、壓敏漆測(cè)壓等。

　　其中壓敏漆測(cè)壓是利用氧分子的猝滅效應(yīng)測(cè)量物體表面壓力變化的。采用壓敏漆測(cè)壓，可快速的獲得整個(gè)車身表面的壓力情況，克服了布置測(cè)點(diǎn)困難的問(wèn)題；缺點(diǎn)是壓敏漆會(huì)對(duì)風(fēng)洞帶來(lái)污染，并且其測(cè)量準(zhǔn)確性還有待提高。

　　在氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)測(cè)量設(shè)備和測(cè)量位置的精確定位是非常重要的，這就需要用到移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

　　目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專業(yè)的汽車風(fēng)洞移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，建設(shè)中的重慶中國(guó)汽研氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞安裝有與奔馳汽車類似的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，將在氣動(dòng)-聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)中發(fā)揮重要的作用。

　　奔馳汽車風(fēng)洞移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（圖中紅圈處）

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