汽车、高速列车与低速飞行器空气动力研究.docx

汽车、高速列车与低速飞行器空气动力研究.docx汽车、高速列车与低速飞行器空气动力研究
姜霖
摘 要：木文结合课堂学****知识，参考课件和有关论文，首先阐述了风洞试验，汽车风洞边界层效应： 其次解释了爆响告诉列车形状对气动性能的爆响以及列车通过隧道时的空气动力效应；最后对比了翼型优 化的随机梯度遗传算法和响应面法，并以课件中匝点的NACA0012翼型为算例，对比了两种算法并得出各 自的优缺点。
关键词：风洞试验：边界层：流线外形：翼型优化
引言
风洞作为研究空气动力学必不可少的一项重要工具，被广泛应用与汽车、飞行器和高速 列车的研究Z屮。针对不同研究课题，风洞类型也卸式各样，对于汽车来说，风阻系数是计 算汽车空气阻力的i个重要系数，而汽车风洞试验有别予其他风洞试验的关键在于边界层问 题。空气动力学研究在高速列车的研究屮同样是不可忽视的问题，今年4月18 口科技部印 发的《高速列车科技发展“十二五〃专项规划》屮便提出继续“提高列车速度〃的忖标，而列车 形状对气动性能影响颇大，因此和提高列车速度的关系更是密切相关，还有列车通过隧道时 的动力效应祁是今年来的热点研究课题。而对于飞行器，空气动力学的研究更是重屮Z重, 木文重点叙述的是低速飞行器翼型的两种优化方法，尤其针对经典的NACA0012翼型进行了 算例分析。
1汽车空气动力学研究
空气动力学特性育接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性隔和乘坐舒适性等。为改 进汽车性能，汽车工业界投入大量人力、物力和财力研究汽车内外的空气流动及其相关的备 种现象。木文从汽车空气动力学传统方法风洞试验对此问题进行探索。

风洞就是用来产生人造气流（人造风）的管道。在这种管道屮能造成一段气流均匀流动的 区域，汽车风洞试验就在这段风洞屮进行。汽车风洞屮用来产生强大气流的风扇是很大的, 比如图1屮奔驰公司的汽车风洞，,驱动风扇的电动功率高达4000kW, 风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270km/ho风洞分两种：校大的、可容纳敕辆汽车 进行试验的风洞叫做实物性风洞；小一点的，主要用于测试按比例制作的整车模型或者汽车 部件的风洞叫做模型风洞。如图2展示的是三菱公司的实物风洞和模型风洞的平面图，从图 屮可以看出两种风洞在尺寸上的差异。
图1 奔驰公司实车试验
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图2三菱公司的实物风洞和模型风洞

冋流型风洞和断流型风动：
冋流型风洞：如果一个风洞屮的气流在穿过试验区以后又I叫到试验区，那么这样的风洞 就叫做冋流型风洞；
断流风洞：气流在穿过试验区后貞接流出外部的风洞被称为断流风洞；
冋流型风洞可以使用功率较大的风扇，因为这种风洞中的气流能量能够恢复并能让空气 湿度和温度保持在一个恒定的水平。但是这种风洞的构造比较复杂，设备皆地较大，制造成 木也较高；断流风洞构造和设备安装了都比较简单，但是需要大功率的电扇来从外界抽取空 气，同时它不能保持洞内气温的恒定。这种类型的风洞还可以根据风扇的位置分成冲击型和 鼓风型两种。
埃菲尔型风洞和哥廷根风洞：
埃菲尔风洞：从内向外空气呈肓线流动的断流型风洞；
哥廷根风洞：空气流动路线呈单循环形状的冋流型风洞；
宝马公司在2002年便建造了一种复合型风洞，这种风洞兼具有两种风洞的特点；
根据试验区有无I刑墙对风洞分类：
闭合式风洞：在一个风洞里，如果实验区被囤墙包围住，从外部进入的气流就会真接与 围墙接触，这样的风洞就被称为闭合式风洞；
半开放式风洞：围墙与气流还有一段距离，但是囤墙的作用也不可忽视的风洞被称为半 开放式风洞；
根据喷嘴尺寸和最大风速划分风洞类型：
喷嘴面积W10平方米：包括成比例模型风洞和气候风洞，喷嘴面积较小的气候型风洞 主要被应用在对热能比较集屮的发动机舱的周边区域的测试屮；
10平方米W喷嘴面积W30平方米：应用于任何针对小型客车或其它体积相对较小的汽
车的空气动力试验；
喷嘴面积230平方米：这种风洞可以进行各种车型的测试，从小型客车到屮型卡车及 客车。

风阻系数，是计算汽车空气阻力的一个重要系数。它是通过风洞实验和下滑实验所确定 的一个数学参数，用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大小取决于汽车的 ，则空气阻力愈大。。
风阻是车辆行驶时来|'|空气的阻力，一般空气阻力有三种形式，一是气流撞击车辆正面 所产生的阻力，是气流撞击所产生的阻力；二是摩擦阻力，空气与划过车身一样会产生摩擦 力，然而以一般车辆能行驶的最快速度来说，摩擦阻力小到几乎可以忽略；三是外型阻力, 一车辆高速行驶时，外型阻力是最主要的空气阻力来源。外型所造成的阻力来1'1车麻方的其 空区，真空区越大，阻力就越大。