世界风洞系列：奔驰气动-声学风洞

2013年12月位于德国辛德尔芬根的戴姆勒-奔驰新风洞中心正式投入运行。该风洞中心包含一座气动-声学风洞、两座环境风洞、工作间和办公区域等。其中气动声学风洞安装有五带路面模拟系统、边界层抽吸系统、汽车专用天平、移动测量系统等先进设备。本期“世界先进汽车风洞”将带您了解奔驰这座全新的空气动力学-声学风洞。
早在1974年奔驰便开始使用位于斯图加特的风洞开展空气动力学测试，1993年开始使用FKFS的风洞进行气动测量，到了2002年声学测量也转到了FKFS风洞进行。由于奔驰拥有的这座位于斯图加特的风洞建设于20世纪30年代，技术上的升级已经比较困难，同时奔驰车型系列越来越多，空气动力学和声学的要求也越来越高，因此单靠原有的风洞和FKFS的风洞已经难以满足奔驰的车型开发需求，鉴于此，奔驰决定建造一座全新的空气动力学-声学风洞。

奔驰S-Class 126在原风洞中测试场景

奔驰位于斯图加特的风洞
一、全新风洞项目规划
戴姆勒-奔驰全新气动-声学风洞项目在2008年启动，以便提前识别项目风险点和机会点以及预估建设费用，整个项目预算确定为7500万欧元。在确定德国WBI公司为风洞设计商后，正式设计工作在2009年开始，奔驰公司有4名工程师参与在项目组中，以确保WBI的设计能够最终完全满足奔驰的要求。

奔驰气动-声学风洞布局（来源：奔驰官网）
整个气动-声学风洞长90m，宽47m。两个单独的控制室分别用于空气动力学测量和声学测量。车辆通过准备间直接进入风洞驻室，准备间内的举升机朝向转台中心，这样车辆可以直接转运到天平上。所有的这些设计都高效的支撑风洞的工作，但是必须要在设计的早期阶段做出说明。
二、风洞设计指标
在项目启动阶段奔驰就对气动-声学风洞的技术指标提出了严格的要求，这主要体现在几个方面：
1）非常低的轴向静压梯度；
2）非常低的湍流强度；
3）驻室内很小的静压脉动频率；
4）非常低的风洞背景噪声；
因此WBI在风洞设计阶段，预先建立了一座1:10的比例模型风洞，模型风洞由玻璃钢、木材和钢材制成。在比例模型风洞中WBI对喷口、收集口等部件进行了优化处理，以满足奔驰对风洞静压分布和流场品质的要求。同时WBI还使用了CFD仿真技术优化了试验段的结构尺寸。

CFD获得的试验段速度场分布
奔驰气动-声学风洞主要的空气动力学指标如下：


三、风洞关键设备
1天平和路面模拟系统
在直径12m的转台上安装有德国MAHA生产的气动六分力汽车天平和五带路面模拟系统。六分力天平为了达到较高的精度，一方面天平框架与转台是分离的，另一方面力传感器也有着非常高的温度和湿度要求。



奔驰全新气动-声学风洞全貌
路面模拟系统由9m长，1.1m宽的中央移动带和4条车轮驱动单元移动带组成，移动带最大速度可达265km/h。其中车轮驱动单元移动带外露面只有240mm，这大大减小了其带来的附加升力（Parasitic Forces）。

奔驰风洞转台和移动带裙边约束系统能将车辆举升400mm，同时附加的车辆举升装置可以将车辆在转台上举升1.9m，以便试验时进行车辆状态的调整。


裙边约束系统（红色圈内）同时在转台上留有一个2m×2m的玻璃窗口，可以借助激光偏振仪或摄像机对汽车底部气流进行观察和测量。下图红色方框内区域。


车底气流观察区域（红色框内）2）边界层控制系统
为减小边界层对气动力测量的影响，奔驰风洞安装有边界层抽吸系统，包括：中央移动带上游抽吸、中央移动带侧面抽吸、切向吹气和缝隙吸气。抽吸系统吸出的空气，将会通过管道重新回到驻室内。


此图可清晰辨认出边界层抽吸措施
通过抽吸系统奔驰风洞的边界层控制达到了很高的水平，其中央移动带纵向和侧面位置的边界层剖面如下图：

中央移动带纵向位置和侧面的边界层剖面图三、移动测量系统
驻室内安装的7轴（3轴移动，4轴旋转）移动测量系统可允许工程师在测试车辆周围布置高精度的传感器和麦克风，进行压力、声学和速度测量。该系统重约26吨，系统主要部件由碳纤维制成，可确保传感器在最大风速下的稳定测量。


奔驰风洞移动测量系统（红色方框内）注：同济大学风洞没有此设备，位于重庆的中国汽研气动-声学风洞将安装中国首台汽车风洞移动测量系统，位移控制精度高达0.01mm。
四、风机
奔驰气动-声学风洞安装有直径9m的风机，最大功率为5300 kw，有18片碳纤维制成的叶片和23片定子叶片，最大转速可达242rpm，可满足试验段265km/h的风速要求。


奔驰风洞风机（注意看叶片中间站立的人的高度）为减小风机噪声，在风机周围进行了消声处理，在13.8m长的风机扩散器上也安装有消声器，以进一步降低风洞背景噪声。
五、声学测量系统
为快速详细的对气动噪声源进行测量分析，奔驰风洞中安装有360通道的麦克风阵列系统，包含有3个独立的麦克风阵列，两侧各100通道，顶面160通道。


奔驰风洞麦克风阵列系统在奔驰风洞中进行声学测量时，移动带和边界层抽吸系统都是关闭的，并且会使用泡沫板将移动带和车轮驱动单元遮盖，以减少对声学测量的影响。


声学试验时驻室状态CAERI 视点
在奔驰气动-声学风洞设计和建设过程中，奔驰工程师在风洞试验操作中积累的长期经验，在风洞设计阶段发挥了重要作用，在风洞投入使用后，其试验操作时间和流程均已经实现了最优化，但在这一方面国内目前还缺乏足够的经验积累。可喜的是，目前国内建设中的重庆中国汽研气动-声学风洞设计商同样为德国WBI公司，我们相信这座风洞在设计和建设阶段定会吸收奔驰汽车风洞的经验和优点，站在巨人的肩膀上，更进一步，为中国汽车工业提供强大的试验科研支撑。
奔驰IAA概念车在该新风洞试验视频：


看完视频是不是感觉热血沸腾呢？很快中国也将具备如此高端的气动-声学风洞了，2018年，中国汽研邀您一起来吹吹风！