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  伴随着能源紧张和人们对于交通舒适性的持续需求,汽车的研发设计工作已远比我们想象的复杂;相应的,空气动力学应用的问题就变得更加严肃,风洞实验室建造和使用也变得更加意义深远,这决定了汽车70%的行进阻力怎样应对(车时速达到110公里的时,风阻约占总阻力的70%)。本篇文章会以通用汽车技术中心的气动力风洞为例简要介绍。

  顾名思义,风洞试验就是人工模拟一组管道并产生人造气流,进而帮助工程师对测试模型完成一系列空气动力学方向的研发工作。而关于第一个风洞何时诞生于何处的说法其实很多,比较公认的是1871年英国人韦纳姆(E.Mariotte)所设计的,事实上,与其说是风洞,它更像是一个两端开口的木箱。而真正应用到空气动力学试验并带有里程碑意义的,则是美国的莱特兄弟,他们在1901年制造了试验段0.56米见方,风速12m/s的风洞,并在1903年发明了世界第一架飞机。这也奠定了航空工业与空气动力学试验密不可分的联系,图为美国航空航天局(NASA)在1921年建造的第一个风洞。

  从那之后,风洞试验伴随着航空工业的迅速兴起便一发不可收拾,从1932年瑞士人阿克雷特(G.Ackttet)建成了世界第一座超声速风洞,到1980年美国建成了世界最大的全尺寸风洞(可容纳1:1原形飞机直接放入试验段内测试)再到1977年,中国空气动力研究与发展中心建成亚洲最大的低速风洞,人类对于更舒适更快捷的飞向蓝天,总是动力充沛的。而真正应用到汽车研发领域,还是上世纪70年代以后的事情。

  顺理成章的,根据实验目的不同,风洞类型也得到了更科学的细分。按尺寸分:风洞可分为全尺寸风洞和模型风洞两种;分别很简单,能直接放入1:1测试模型的,比如航空器、飞机就称为全尺寸;而模型风洞就是试验1:5或者1:3、1:4比例模型的风洞;目前,全世界已有30多座可容纳全尺寸汽车试验的风洞。另外,根据用途不同,风洞的类型还可分为:全天候风洞、声学风洞和气动力风洞(或称多用途风洞),近些年新建的风洞均属于这类,比如我们将要举例介绍的通用汽车技术中心风洞实验室(沃伦风洞)。

  其实早在通用汽车研发庞蒂亚克火鸟 I 概念车时(1953年)就已开始使用风洞实验室,并在接下来的时间里,通用汽车使用过美国航空航天局艾姆斯(NASA Ames)研究中心的风洞,并与加州理工大学有过深入合作,直到70年代末期,由于市场对于汽车燃油经济性、舒适性的广泛需求,通用决定建造自己的空气动力学实验室,1980年8月实验室正式落成在通用汽车技术中心,地址就在毗邻底特律的工业城市沃伦。

  组成上,通用汽车技术中心包括:设计中心、研发中心、车辆工程中心、全天候风洞、空气动力学实验室、虚拟现实工程中心、质量测试设施、圆顶设计大厅以及生产车间。由埃利尔萨里宁(Eliel Saarinen)在第二次世界大战前设计,但受战争影响,相关工作被迫中断。战后,其子埃罗萨里宁(Eero Saarninen)和园林设计师托马斯丘奇(Thomas Church)继续了这项工作并重新进行了设计。1986年,通用汽车技术中心被美国建筑师协会评为时代最杰出建筑。

  就风洞而言,基本结构是相同的,都会包括一个巨型风扇、检测平台、任务控制室、冷却塔以及一些闭环回流风道之类的设计;更冠冕一点的说法:风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。但关键点在于,风洞的边界效应是怎样克服的(风洞是封闭的,但真实大气环境是无边界的);另外,风洞内气流温度和静音稳定性是怎样控制的等等技术问题,这也是各国、各厂家在空气动力学研究方面的高度机密内容。举例来说,通用的这个风洞内,就有一个处于风洞口的气流作用筛(flow-conditioning screen),它可有助于空气在流入半消声测试室之前对其进行处理。而在筛子的前面,还有175个铝制叶片组成的热传导装置可以将空气温度保持在22℃。

  作为风洞实验室的主体结构,巨型风扇作用在于吹出模拟真实情况的大风,通用沃伦风洞采用的风扇为六片结构,每扇叶片约3.6米长,重约1吨;转动时由4500马力变速直流电机驱动。得益于此,测试区最大风速可达222km/h,但需要说明的是:可实现最大风速并非衡量风洞先进程度的唯一标准,各个结构匹配以及标定测试等问题同样重要,因此,设计时速超过测试区最大风速的车型同样可以在风洞下试验,并得出准确结果。简单说,风洞是一个庞大复杂的测试系统,并非是一个风扇决定全部。

  值得一提的是,这台风扇的扇叶采用一种名为西加云杉的木制材料,经过切片、密度测试最终装配马达上,这样做有利于风扇的运转平稳和安静性,当风扇以最高时速转起时,巨大叶片的时速可达668km/h。

  测试平台是对实物模型(通常是粘土模型)进行试验的地方,平台的转盘可以更方便工程师移动分析模型,比如正向、侧风情况等等。通常情况下,工程师会先对1:3模型测试,之后再对实物或1:1模型测试,最终得出结论和后续研发的数据依据。

  在任务控制室内,工程师可以监控和记录风洞内风速和压力及其对汽车拉力、升力等的影响。并且完全监控风洞运行情况,相对整套风洞系统,这里就是核心和“大脑”。

  工程师利用其中的空气声学风洞,可使用加速的稳定气流,使之经过整个车身和局部,进而得到高速行驶状态下噪音控制能力,以及更贴近真实驾驶情况时的气流流动方向,最终对车辆整体或局部的空气动力学设计优化,综合提升车辆燃油经济性和驾乘舒适感。车轮会静止在测试台上,工程师会升高、降低、转换车头方向,以得到全面的阻力数据。

  可以想象,建造风洞实验室实际是绝对的高精尖项目,并且耗资巨大。实际上,在航空领域使用后,风洞和空气动力学起初是用于赛车运动上的,比如我们熟悉的红牛、法拉利丰田车队等等均有自己的一个或多个风洞实验室,用于优化自己的赛车,并且这部分内容也属于高度机密。

  关于赛车风洞实验室的建造费用,更多的厂商仅仅是公布了基础建设费。也就是说,这并不包括高昂的日常维护和改造费用,尽管如此,它依然是价格不菲的。比如法拉利建在博洛尼亚建造的带有金属滚道的风洞造价2200万美元,而索伯车队在瑞士建造的新风洞造价则高达4500万美元。相应的,早前还有米纳尔迪购买过二手的风洞实验室,成交价也超过了300万美元。

  事实上,经过多年发展,风洞和空气动力学早已不再局限于航空航天和工业产品制造,在我们生活的更多层面也能看到它们的身影,比如滑雪比赛项目,4688美高梅登录中心就可以根据风洞的气流情况,改善运动员姿势,同时优化头盔、服装带来的不必要风阻,在比赛场上取得更好的成绩。也许,此时此刻,你未来将要购买的新型汽车就正在风洞实验室的平台上测试着。

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