风洞中的侦察工作

在奥迪空气声学风洞中，空气动力学家将奥迪 RS e-tron GT 的外形优化至最佳形态。

文字：Bernd Zerelles — 照片：Robert Fischer — 影片：graupause — 阅读时长： 9 分钟

Audi RS e-tron GT: 综合耗电量* (kWh/100 km): 22.1–19.8CO₂ 综合排放* (g/km): 0
有关油耗/耗电量和 CO₂ 排放的数据与所选车辆装备有关。
车辆的能耗和排放值仅根据 WLTP 标准得出，而非 NEDC 标准

当你看向奥迪气动声学风洞的鼓风机吊舱时，一眼就能看到 20 个风洞旋翼叶片尖端与混凝土镶框之间的缝隙。这个缝隙只有令人惊叹的几厘米。这难道是浪费能量的精度失准吗？奥迪空气动力学 & 空气声学研发负责人 Moni Islam 博士明确表示：“当涡轮机以其 2,720 kW 的最大驱动功率运行时，带涂层的铝质叶片会由于离心力而延长，从而使该缝隙被填满。毕竟，此时的作用力与风速高达 300 km/h时对被测车辆所产生的作用力相当。”

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此后，每个人都必须离开风洞。这个宽达五米的鼓风机上的 20 个叶片缓慢地开始摆动，其后方固定片的 27 个导向叶片使旋转的气流首次稳定下来，然后两个换向角出现在了空气通过特制转向叶片而平均分布的地方。在换向角和鼓风机上会难以避免地产生大的空气涡流，而叶片后方的格栅则会打破这种大的空气涡流。随后气流被蜂窝状格栅层拉直并在大腔室中平静下来，之后以 5.5 倍数加速通过喷嘴，以正好所需的速度抵达驻室（即主腔室）中的奥迪 RS e-tron GT。

在风洞中改变方向时，特别设计的换向叶片会尽可能均匀地分配空气。 Thomas Redenbach 是奥迪汽车项目空气动力学/空气声学的研发经理。

这辆汽车在一个精密称重仪上，通过该称重仪可测量车辆上的空气动力学作用力。车轮位于四个微型传送带上，以确保车轮以风速转动。车辆下方的一个宽传送带可模拟各种行驶速度情况下相对于车辆的车道运动。此外，车辆前方地板中的可精细调整的孔板可在气流到达车辆之前吸出部分气流——即所谓的边界层。空气动力学家将此设计称为“全地面模拟”，它可确保车辆周围产生实际的气流流动。
气流经过奥迪 RS e-tron GT 后，来自驻室的增强气流束会被其后的收集器捕获，并被重新送回风洞管道和轴流式涡轮机处，这样就形成了奥迪空气声学风洞中的空气循环。这一过程相当繁琐。

负责奥迪 RS e-tron GT 的空气动力学家 Kentaro Zens 博士正站在这款跑车特别具有空气动力学特点的底板上。 Kentaro Zens 博士和 Thomas Redenbach 正在讨论测量值。窗后是位于风洞驻室中的奥迪 RS e-tron GT。

力求实现完美的气流

负责奥迪 RS e-tron GT 空气动力学和空气声学特性的研发工程师 Kentaro Zens 博士说道：“汽车在道路上穿风而行。在风洞中的情况则恰好相反：车辆静止不动，我们使其周边的空气尽可能均匀地运动。我们竭尽全力确保完美的气流，只有当气流精确地到达车辆时，我们才能精准测算出值得信赖的结果。”
Zens 坐在他位于控制台旁边的工位上，操作员在控制台上调节风洞。他可以在屏幕上读取所有相关数据：cW值是多少，前桥升力有多高，后桥升力怎么样，风速和传送带速度如何？
他旁边是汽车项目空气动力学/空气声学研发负责人 Thomas Redenbach：“当风洞中心投入运营时，我们发现它是世界上第一个将如此安静的空气声学功能与空气动力学模拟的真实道路条件相结合的汽车风洞。”
如今，风洞每周运行六天，每天从 7:00 到 22:30 分两班运行。当立法机关推出 WLTP 工况所要求的上路许可时，它甚至还满负荷工作。Moni Islam 说道：“这个风洞的复杂性要求我们的兄弟部门全力投入并提供技术知识，这个部门多年来日复一日地在为我们运行着风洞。当时，风洞运营部门的同事们每天为我们的研发人员提供 23 小时的测量时间，因为我们必须借助认证的风洞测量结果向立法机关证明 WLTP 值。”

“cW 值每改善千分之一，都会增加续航里程方面的潜力。”

——Moni Islam 博士

Moni Islam 博士是奥迪空气动力学/空气声学研发经理。他在此解释风洞主动抗噪系统的工作原理。

烟雾展示出气流在奥迪 RS e-tron GT 的车外后视镜后的特性。空气动力学家可以在工位上随时访问最重要的车辆数据和风洞数据。

模拟不能取代风洞

在空气动力系统研发工作中，计算机模拟也起着越来越重要的作用。CFD（计算流体动力学）可以对气流进行模拟计算，且可以对流向进行分析和可视化管理。那么，为什么仍要在风洞中进行费力且成本高昂的工作呢？Thomas Redenbach 说道：“风洞是我们的日常工具，也是对模拟结果的确认。我们希望继续开发各种模拟，并且为了使它们有效且具有代表性，我们必须检查其中的计算。”
不过计算机上的模拟会越来越好并且越来越重要。Kentaro Zens 说道：“我们对奥迪 RS e-tron GT 进行了大量模拟，超过 900 万 CPU 小时。我和汽车一起在风洞中待了 150 小时，这已经非常少了。相对而言，在研发奥迪 R8 的时候，这一时间是 600 小时。”这不仅表明了奥迪 RS e-tron GT 的设计所赋予的外形质量，而且还表明我们的研发过程被极大地缩短了— 奥迪研发未来的车型时也会寻求这一方式。
Moni Islam 补充道：“风洞和 CFD 模拟是空气动力学家使用的两个互补工具。风洞非常精准而迅速，因此使我们能够在动态研发过程中非常高效地工作。模拟则为我们提供海量的信息，但是这需要我们精心准备并分析结果。只使用这两种工具中的其中一种可能无法完成现代空气动力系统的研发。”

“我们为最后 20% 的空气动力学研究投入了大量时间。”

——Thomas Redenbach

提高续航里程的潜力

对于像奥迪 RS e-tron GT 这样的电动汽车，整个组件包为其空气动力系统提供了诸多便利（底板封闭就是适用原因之一）但是，对 Moni Islam 部门的 31 名车辆空气动力学研发人员而言，挑战也变得更大。“cW 值每改善千分之一，我们就可以增加续航航程方面的潜力。”Moni Islam 在谈及相关要求时如此定义道。
空气动力学家通过显示敏感性的模拟结果识别车辆的潜力：如果我在车辆外形的 X 点处稍微改变几何形状，这会对气流产生多大的影响？这时就会开始出现 Islam 所说的情况：“空气动力学也是细致的侦察工作，因为你根本看不到空气。你必须尝试根据风洞中称重仪所提供的值，通过分析方法来限定问题的范围。
工程师还使用快速原型制作法来处理各种加装部件。首先，创建 CAD 设计图以定义组件的几何形状，例如前裙板上的进气口。然后，模型管理部门的同事实现所需的变体，这可能是三个、四个或五个，并借助这项先进技术将其转变为测试组件。然后在车辆模型上一个接一个地测试组件的不同变体，之后根据测量结果得出 cW 值和升力值。这些结果也将与配置完全相同的 CFD 模拟进行逐项比较，以最终获得可重复的模拟结果。

可以在风洞工作期间在称重仪上升高汽车进行分析和改装。不起眼但有效：底板上的塑料唇可以有针对性地高效引导气流。

细致的侦察工作实现每一次千分之一的改善

“你可以在 20% 的时间内研发出车辆 80% 的空气动力性能，但是对于最后 20% 的空气动力性能（在众多细节处进行千分之一的优化工作），我们则需要投入大量时间。”Thomas Redenbach 在谈及风洞中的侦察工作时如此描述道。“只有通过如此高度的投入以及对细节的关注，我们才能产出最佳结果。”
对于负责奥迪 RS e-tron GT 空气动力系统的人而言，从气流角度看，这款 Gran Turismo 最难的细节是什么？Kentaro Zens 思考了一下，说：“是带有四个交叉部件的前裙板。因为空气会流入进气口中，内部百叶窗会关闭 — 随之就会出现问题。空气会流向任意方向，这是我们不愿看见的。保持对气流的控制并对其进行精确调整是一项至关重要的细致工作，这一个艰难的任务，我们需要和来自车辆安全、设计、生产和装配部门的同事齐心协力去攻破这个难关。”
Zens 还想特别指出与车轮罩相结合的所谓气帘设计：“我们每周会与奥迪设计师进行密切合作，这使得从车辆前部到气帘周边的过渡不仅具有最佳空气动力学特性，同时也使整体设计的主题更具连贯性。奥迪 RS e-tron GT 上的一切都有其功能和目的，实用性是我非常喜欢这款车的一点。”

通过所谓的烟枪使气流变得可见。其展示了气流流经气帘到达车轮罩的最佳路径。

“研究空气动力学的目的是为了实现最佳设计。”

——Kentaro Zens 博士

Zens 还在风洞中以毫米级精度测试了后导流板的位置以确定最佳设计。还有一个例子令他十分满意：集成至尾灯中的边缘。“在奥迪 RS e-tron GT 车尾处有很多空气涡流，这主要归结于其引人注目的三维形状。将气流干净利落地引导至大幅弯曲的表面周围是一项挑战，在模拟时，我们注意到尾灯仍有改进的空间。”
幸运的是，奥迪灯光设计负责人 César Muntada 也参与了此次风洞测量。他亲自在粘土模型上设计了轻微的外部弯曲，并在尾灯中作出了相应的调整，这些调整使粘土模型呈现出与量产车模型一模一样的设计。通过调整，设计人员和空气动力学家共同实现了在车尾以特定方式切开气流，而不是在湍流的作用下向内拉（这会显著增加 cW 值）。“我们尝试在空气动力系统中实现我们的设计。”Kentaro Zens 在描述此次合作时如此说，这其中包括在风洞中进行细致的侦察工作。

奥迪 RS e-tron GT 的后导流板可以位于三个不同的位置 — 在每种行驶情况下都可有效地控制气流。风洞轴流式涡轮机的功率高达 2,720 kW。

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