參觀汽車風洞實驗是一種什麼樣的體驗-席亞洲
【文/觀察者網專欄作者 席亞洲】
最近，有同事問筆者，有一個汽車的風洞實驗有沒有興趣去看。雖然是有關汽車的，然而作為軍事評論員的筆者一聽到“風洞”倆字，還是來了興趣。畢竟現在的各種軍事研發都跟風洞離不開關係，從來沒瞅過實體風洞的筆者跟着同事不遠千里跑到了大東北，全程觀摩了一番風洞實驗。
在觀摩風洞實驗之前，筆者也是作了一番關於風洞的功課。最早的風洞可以追溯到1871年，英國人韋納姆用它來測量物體與空氣相對運動時受到的阻力。韋納姆的風洞結構非常簡單，一個長3.05米兩端開口的木箱，截面45.7釐米×45.7釐米，木箱的一端安裝有風扇向外吹風。
萊特兄弟風洞的複製品
真正把風洞實用化的是發明飛機的萊特兄弟，他們造的風洞結構和韋納姆的基本一致：一個木頭管子，一頭裝上一組葉片進行吹風，試驗的飛機模型放在管子中間。萊特兄弟的這個風洞截面40.6cm×40.6cm，長1.8m，能模擬40-56.3公里/小時的風速，正是通過這個簡單的風洞，萊特兄弟以非常小的代價重複了上千次試驗，最終獲得了理想的機翼設計。
再到後來，飛機飛行速度和尺寸不斷增加，各種各樣“牛X”的風洞也隨之而誕生。
1931年5月27日，全球首個全尺寸風洞在弗吉尼亞州漢普頓附近的蘭利研究中心投入使用。這個風洞提供了一個19.28米寬，9.144米高的實驗空間，被用於從二戰戰鬥機、太空艙到潛水艇、現代噴氣機的各種空氣動力學測試。
美國建造的全尺寸風洞
到了1980年，美國國家航空航天局艾姆斯中心把一座舊的低速風洞改造成全美最大的全尺寸低速風洞，形成了24.4米×12.2米的實驗空間。這個風洞建成後又增加了一個36.6m× 24.4m的新試驗段，風扇電機功率也由原來25兆瓦提高到100兆瓦。這種大型風洞，可以為真實飛機和全尺寸的縮比模型提供流場條件，研究飛行器各部件的氣動力等。
全尺寸風洞內的風扇
除了風洞尺寸增來提供更大的實驗空間，風洞的還一個發現方向是風速。
1932年，瑞士科學家阿克雷為了解決炮彈的氣動力問題和超音速流動的規律，建造了一段試驗段風速達到2馬赫的連續式超音速風洞。
到上世界50年代，噴氣式飛機跨過了“音障”，進入低超音速發展時期。在此期間航空工業發達的國家為了滿足研發飛機的需要，建造了一批跨音速和超音速風洞。
美國的超音速風洞
如1956年美國NASA Ames研究中心建成世界上最大的超聲速風洞，試驗段截面尺寸4.88m×4.88m，馬赫數Ma=0.8～4.0。俄羅斯1952年建成的T-106型風洞，為試驗段直徑2.48m的亞跨聲速風洞。1953年建成的T-109型風洞，是一座試驗段截面尺寸2. 25 m×2.25 m的暫衝式亞跨超聲速風洞。1957年英國RAE建成試驗段截面直徑2.5 m的跨超聲速風洞，1961年法國國家航空空間研究院的S2-MA型風洞為試驗段截面尺寸1.94m×1.75m亞跨聲速風洞。
當然，這些都是有關飛機的風洞，與這次筆者去參觀的汽車風洞只是在原理上相同，結構和使用方式非常不一樣。
世界上第一輛汽車
德國人朱卡爾•本茨和哥德利普•戴姆勒造的人類歷史上第一輛汽車只有十幾公里每小時的速度，顯然這個速度還不用考慮什麼空氣阻力的問題。隨着汽車發動機功率的變大，車速也越來越快。汽車時速在超過80公里/小時之後，輪胎帶來的滾動摩擦通常就已經小於車身受到的風阻了，這就需要汽車在設計的時候需要考慮空氣阻力的問題。如果是現在時新的純電動汽車，降低風阻還有增加續航能力的“療效”。此外減少噪聲、保證高速行駛時的穩定性和安全性，也都是汽車要在風洞中來解決的問題。
我國第一次汽車風洞實驗
早期的汽車風洞大多改造自航空風洞，直到上世紀80年代，才有了專業汽車風洞的出現。我國的汽車風洞始於1981年，中國空氣動力學研究與發展中心用FL-31低速風洞先後對3個車型進行了測力和流態觀察。
紅旗CA774在FD-09中進行流體試驗
1989年長春汽車研究所和航天部701所合作將FD-09航空風洞改建為汽車模型風洞，改建後的風洞具備汽車模型測力試驗、表面壓力試驗和流態顯示試驗的能力。完成了紅旗CA774轎車、解放CA141載貨汽車、東風EQ140載貨汽車、JT6210大客車等汽車的空氣動力學特性分析試驗。
國內首座汽車專用風洞
筆者這次觀摩的實驗所用的風洞，是國內首座汽車專用風洞。整個風洞是半封閉式的循環結構，一個橢圓形的風道，中間唯一的開口是放置車輛的平台，長8m、寬4m、高2m。根據實驗室工作人員介紹，這個風洞最高能模擬200公里/小時的風速，完全能滿足民用汽車的實驗要求。實際上根據中國的交通法規，120公里就已經是極限了。
這次的實驗主要是為了驗證零跑S01的風阻係數達到什麼樣的水平，有沒有滿足設計指標，至於説具體參數，還要等詳細報告。
實驗主要分兩部分，首先是較為簡單的車身整體風阻測試，風洞裏的風速逐漸從0加到120公里/小時。風吹到車身上會給與車輛一個向後的力，把這個力測出來，就能獲得風阻係數參數了。怎麼測呢？這就涉及到風動內的另一個重要部件，氣動力天平，可以用來測量汽車的阻力、升力、側力、橫擺力矩、俯仰力矩等各種參數。
除了測風阻，還有一項測試內容是用煙流法顯示車輛周圍的氣流流場以及模型表面的分離流和尾部渦流等。
下午則是要收集車身每個部位的具體風壓數據，因此在實驗開始前要在車身上佈滿壓力傳感器來收集數據。這個過程比較漫長，在筆者午睡了一覺之後，工作人員們才完成了傳感器的佈置，隨後就是車身風壓的測試。
總的來説，風洞測試不是簡單的給車子吹吹風就完事兒了，涉及到各種拆裝、搬運和記錄的工作，還要進行細節參數精確調節，而風洞開動起來，又是非常耗電的。這又涉及到另外一個問題，那就是費用。有些車廠為了節約成本，就只做數字模擬風洞實驗。這樣實打實的拿到風洞裏，吹上一整天，至少説明零跑是秉持着精益求精的態度，認認真真地在做車，畢竟對於電動汽車來説，好的風阻係數還能增加不少續航里程不是。
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