汽车时速达到110公里的时候,风的阻力就占总阻力的70%,大部分燃油用在了克服风阻上,因此通过风洞试验,模拟汽车在行驶中的情况,优化汽车外形设计,减少风阻、节约燃油、降低噪音,这是汽车风洞试验的主要目的。顾名思义,“风洞”就是一个一头喷气进去,一头抽气出来、中间有管道循环的筒子,风洞的大小是以风扇进气口面积来算的,要装整个汽车进去做测试的进气口,也叫做喷口,面积一般在15平方米以上,大的可以20多平方米,测试的内容不仅仅是车身的造型,也包括了噪音、雨刷设计、空调性能、寒冷情况下启动情况、刹车冷却、放霜放雾、放泥放溅等等性能,大车小车都要通过风洞试验才能够决定设计。风洞的喷口前端还安装有喷头,可以喷水,测试大雨情况下汽车的状况。
风洞最开始的时候其实不是用来测试汽车,而是用来测试飞机、研究飞机的气动性能的。我在美国教书的这个学院有两个校区,其中南校区的那个庞然大物一样的混凝土建筑原来就是第二次世界大战时期的轰炸机的风洞试验室,后来麦道飞机公司捐给学院用,那个建筑物没有窗户,就是一个巨大的长方形的盒子,原来两端是喷气入口和出口,不用之后拆除了机械部分,学院用来做艺术展览活动,从地面到顶部有五层楼高,可以想象当年把轰炸机放在里面的壮观情况。
大约从1970年代开始,为了追求更好的气动效果,各汽车厂首先开始关注他们出品的赛车气动性能的研究。比如F1竞赛规则对车体外形、空气动力学指数有着极其严格的规定,就使得与其有直接联系的风洞测试显得特别重要了。据我所知,如今几乎所有的参加一级方程式的大车队都有自己的一个或者几个风洞试验室,比如米纳尔迪拥有一个价值300万美元的二手风洞,法拉利建在博洛尼亚的带有金属滚道的风洞则价值2200万美元,索伯车队在瑞士建造的全新风洞造价高达4500万美元。赛车测试用的所有风洞都保证最少50米/秒的强力风速,用以模拟F1赛车在高速行驶时车体各部位所受到的空气阻力和下压力。通过风洞试验能让F1赛车的外形向着更符合空气动力学的方向发展。
法拉利风洞由意大利建筑师伦佐·皮亚诺(Renzo Piano设计),这个设计师在1970年代和英国的理查德·罗杰斯联合设计了巴黎的朋皮度艺术中心,1980年代又设计了大阪附近的日本关西国际机场,是世界顶级的建筑师。法拉利风洞竣工于1997年,据说专门用于模拟F1赛车在赛道上所能遇到的真实场景。风洞配有金属轧制路,5米宽,功率为2,200kW的风机,能够根据紊流度、角度和均匀性生成极高质量的气流。风洞还具有世界最先进的数据获取系统和作用力及压力监控系统,可使用汽车的比例模型,结合由300多个传感器监控的复杂机构模拟任何一种设置或运动,类似滚动、侧滑、俯仰和过度转向。
并非所有的风洞都是强风类型的,其实风洞也分有超音速、高速、低速几种,就我所知,全世界目前用于汽车空气动力学研究的风洞有50多座,大部分分布在欧、美、日等国。跟进尺寸大小来分,汽车风洞有两大类:一种叫做全尺寸风洞,还有一种就是小一点的模型风洞。前者用来为试验1:1模型的全尺寸模型,或做真车的测试,因此叫做“全尺寸风洞”,而为试验缩比模型或零部件的较小尺寸的风洞叫做“模型风洞”。日本和苏联多采用1:5比例的模型;欧美国家多采用1:3或1:4比例模型。目前全世界有近30座可用于全尺寸汽车试验的风洞。最近在上海同济大学建成了一个大型风洞,是中国汽车设计的大飞跃了。
针对汽车的情况,风洞也有不同的功能,其中最主要的分为全天候风洞、声学风洞、气动力风洞三种,我们一般人心目中的其实是最后这种。所谓全天候风洞,或者叫做气候风洞是模拟气候的风洞,它可改变气流温度、湿度、阳光强弱和其他气候条件,比如下雨、下雪、大雾、冰封等等情况做测试;声学风洞本身具有强力的降噪性能,背景噪声极低,因此可以分离并测量出汽车行驶时产生的气动噪声,这两种风洞统称为特种风洞。我们一般说的风洞都是气动力风洞。近年来新建的风洞,都是气动、声学风洞,或气动、气候风洞,甚至气动、声学、气候风洞,这类风洞又称为多用途风洞。是比较经济的方法,虽然造价高一点。
我去过几个汽车厂看风洞试验,其中比较多见的是截面积小于10平米的风洞,包括缩比模型风洞和全天候风洞,还有一种是10-30平米的风洞,这种风洞主要用于试验各种轿车及其它比较小的车辆,很多用来测试实车。还有一种是大于30平米的风洞,主要用于试验轿车到中级载货汽车以及大客车,我在底特律看过的通用汽车公司的全尺寸风洞。
汽车设计要求空气阻力越小越好,因此要外形非常流畅,我去底特律看汽车风洞,见设计师经常把缩小或者原大的模型放在低速的风洞里,把好多白色的线贴在车身的各个部位上上,启动风扇,可以从线条的吹动方向了解到汽车车体的整体圆韵情况,很直观,虽然电脑现在很发达,或者用白色的气流放在风扇前,看气流经过车体时候的流畅情况,再修改设计。这种试验,和前面讲过的F1的高速风洞测验的目的不同了。
豪车总是马力大、速度快,因此风洞试验更加重要,我们看见法拉利、兰博基尼这样的超级跑车风驰电挚的飞过的时候,可以要知道它们曾经在多种风洞里面经历过好长时间的测试啊!
2008年8月4日,于洛杉矶