汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞設(shè)計(jì)概述

張藝倫，牟連嵩，趙豐

（中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300）

目前，環(huán)境風(fēng)洞已經(jīng)成為汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證手段。在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行空調(diào)及整車(chē)熱管理實(shí)驗(yàn)是主要開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)手段。環(huán)境實(shí)驗(yàn)室可以模擬自然環(huán)境下溫度、濕度、日照、雨雪等氣候條件，并且相比于道路實(shí)驗(yàn)，環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件控制更加精確，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性更好。而相比于各類(lèi)的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境風(fēng)洞最能夠模擬真實(shí)的自然環(huán)境。環(huán)境風(fēng)洞的空氣流場(chǎng)均勻，且最接近真實(shí)的空氣流動(dòng)，溫度控制穩(wěn)定性、均勻性非常好，所有設(shè)備精度高。因此，環(huán)境風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以最好地還原車(chē)輛在真實(shí)自然條件下的性能表現(xiàn)，并且環(huán)境風(fēng)洞還可以進(jìn)行降雨、降雪這類(lèi)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)，能夠模擬的自然環(huán)境更全面，對(duì)于汽車(chē)開(kāi)發(fā)及優(yōu)化過(guò)程起到重要的數(shù)據(jù)支持作用。

汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞主要由空氣流道、主風(fēng)機(jī)、底盤(pán)測(cè)功機(jī)、陽(yáng)光模擬系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾大主要系統(tǒng)組成。各個(gè)系統(tǒng)需互相配合才能達(dá)到優(yōu)秀的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)上需要對(duì)性能、成本、安全、維修性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，并且不同設(shè)備對(duì)整體空氣動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，需要進(jìn)行整體規(guī)劃及反復(fù)計(jì)算，設(shè)計(jì)難度較大。本文重點(diǎn)講述了中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心環(huán)境風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)與環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念。

1 風(fēng)洞整體布局

中汽中心環(huán)境風(fēng)洞的整體布局俯視圖如圖1所示。該風(fēng)洞為臥式風(fēng)洞，整個(gè)風(fēng)洞建在層高18 m的建筑內(nèi)。風(fēng)機(jī)位于轉(zhuǎn)角2下游，新風(fēng)從風(fēng)機(jī)上游進(jìn)入流道，換熱器、蜂窩器位于轉(zhuǎn)角4與噴口之間的沉降倉(cāng)內(nèi)。雨雪模擬、陽(yáng)關(guān)模擬、底盤(pán)測(cè)功機(jī)等設(shè)備則位于實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，實(shí)驗(yàn)車(chē)輛從可開(kāi)啟的轉(zhuǎn)角1大門(mén)進(jìn)入。環(huán)境風(fēng)洞重要的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 風(fēng)洞整體布局圖Fig.1 Overall layout of CWT

表1 環(huán)境風(fēng)洞技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of CWT

2 風(fēng)道及空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

風(fēng)道是一個(gè)由多個(gè)部分組成的風(fēng)洞部件，目的是為測(cè)試車(chē)輛提供能夠滿(mǎn)足速度、流動(dòng)品質(zhì)、氣候條件要求的氣流。風(fēng)道的不同部件有著不同的功能，風(fēng)道的設(shè)計(jì)不能與其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)孤立開(kāi)來(lái)。接下來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明了風(fēng)道各部分的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以及如何使風(fēng)道不同部分配合整體環(huán)境風(fēng)洞設(shè)計(jì)。

2.1 風(fēng)道的設(shè)計(jì)

2.1.1 測(cè)試段

最終的噴口尺寸為：大噴口3.3 m×4 m（寬×高），小噴口 3.3 m×2.5 m（寬×高）。射流部件的配置（測(cè)試段長(zhǎng)度、收集口尺寸、擴(kuò)散段形狀）根據(jù)以往的類(lèi)似風(fēng)洞經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體的幾何尺寸由 CFD計(jì)算進(jìn)行確認(rèn)，包括預(yù)計(jì)的軸向靜壓梯度。尤其需要注意的是收縮段與噴口的形狀需要保證氣流的平穩(wěn)流動(dòng)。

2.1.2 邊界層消除系統(tǒng)

邊界層消除系統(tǒng)包括在噴口外800 mm處的傾斜板，通過(guò)傾斜板，流線(xiàn)的彎曲與軸向靜壓梯度便可以減小。在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，1%～2%質(zhì)量流量的風(fēng)會(huì)被該系統(tǒng)抽走，并通過(guò)怠速風(fēng)門(mén)回流到測(cè)試段。

2.1.3 擴(kuò)散段

回風(fēng)段的設(shè)計(jì)是為了將氣流高效地?cái)U(kuò)散。測(cè)試段、擴(kuò)散段為可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，來(lái)配合噴口的尺寸。大噴口時(shí)，擴(kuò)散角度會(huì)接近于0，甚至有一點(diǎn)點(diǎn)收縮。最終擴(kuò)散段幾何形狀將在最終調(diào)試時(shí)決定，必須滿(mǎn)足軸向靜壓梯度與脈動(dòng)要求。風(fēng)機(jī)擴(kuò)散段為不對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散器，用來(lái)過(guò)渡中心線(xiàn)高度上各個(gè)交叉腿的不同。所有擴(kuò)散段為全風(fēng)速范圍內(nèi)保守的設(shè)計(jì)尺寸，并且對(duì)其進(jìn)行CFD校核。

2.1.4 轉(zhuǎn)角

中汽中心環(huán)境風(fēng)洞提出了測(cè)試段的噪聲要求。此要求不是為實(shí)試驗(yàn)需要，而是為了創(chuàng)造舒適的實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境。為了達(dá)到該目的，轉(zhuǎn)角1、2、3設(shè)計(jì)了降噪措施，轉(zhuǎn)角葉片中含有吸聲材料。其中轉(zhuǎn)角1設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟裝置，開(kāi)啟時(shí)，測(cè)試車(chē)輛由此通過(guò)進(jìn)入測(cè)試段。

2.1.5 諧振腔

設(shè)計(jì)中通過(guò)三個(gè)赫姆霍茲共鳴器來(lái)衰減低頻壓力波動(dòng)。大的諧振腔位于轉(zhuǎn)角2上方，該諧振腔尺寸設(shè)計(jì)為管風(fēng)琴管路模式。另外兩個(gè)小的諧振腔位于測(cè)試段上方，這兩個(gè)諧振腔尺寸為測(cè)試段管路模式。

2.1.6 主風(fēng)機(jī)

主風(fēng)機(jī)是空氣流動(dòng)的動(dòng)力源。利用葉片數(shù)量、葉型以及轉(zhuǎn)速等方面的設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足壓升和效率的要求。主風(fēng)機(jī)為8片葉片，最大轉(zhuǎn)速為550 rad/min。為了滿(mǎn)足風(fēng)速跟隨車(chē)速的要求，對(duì)風(fēng)機(jī)的加減速性能也提出了很高的要求，要求能夠在30 s內(nèi)完成0至滿(mǎn)負(fù)荷的加速，15 s內(nèi)完成從滿(mǎn)負(fù)荷至靜止的減速。

2.2 空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

2.2.1 整流部件

中汽中心要求達(dá)到世界上汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞最高水平的氣流品質(zhì)。這不僅要求氣道的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)需要精心設(shè)計(jì)，其他可能影響氣流品質(zhì)的部件也需要詳細(xì)設(shè)計(jì)。

測(cè)試段的氣流品質(zhì)受流過(guò)收縮段的氣流質(zhì)量、測(cè)試段自身的擾動(dòng)和擴(kuò)散段的擾動(dòng)影響。流過(guò)收縮段的氣流質(zhì)量主要由沉降倉(cāng)和收縮段的整流部件的設(shè)計(jì)和加工來(lái)決定。這些整流裝置包括換熱器、蜂窩器、收縮段。

換熱器的主要功能是控制進(jìn)入測(cè)試段的空氣溫度和溫度均勻性。風(fēng)道中沒(méi)有其他能夠控制溫度的部件，因此進(jìn)入測(cè)試段的溫度均勻性直接由主換熱器的溫度均勻性決定。為了保證環(huán)境風(fēng)洞的溫度均勻性能夠達(dá)到要求，主換熱器的每一個(gè)回路包含了節(jié)流系統(tǒng)，并配合手動(dòng)可調(diào)閥門(mén)，這些閥門(mén)僅在風(fēng)洞調(diào)試時(shí)進(jìn)行調(diào)整。此外，鹽水供給的均勻性也是空氣溫度能夠均勻分布的保證。主換熱器位于轉(zhuǎn)角4的下游，是第一個(gè)整流部件。

主換熱器還有另外一個(gè)功能—消除不均勻流動(dòng)和降低湍流度。為了主換熱器的整流功能最大化，所有換熱器頭部及其他大管路都位于流道之外，并且用蓋板遮擋，避免泄露，保證沉降室墻壁的完整。

蜂窩器主要目的是減小湍流，降低流動(dòng)角度。通過(guò)流過(guò)大量平行的狹窄管道可以達(dá)到這個(gè)目的。蜂窩器長(zhǎng)度和大小的設(shè)計(jì)可以保證全風(fēng)速下蜂窩器出口均能充分發(fā)展管流。在蜂窩器出口的剪切層會(huì)產(chǎn)生湍流，但會(huì)快速減小，因?yàn)檫@些湍流都是較小的湍流長(zhǎng)度尺度。

收縮段是氣流進(jìn)入測(cè)試段之前，最后的整流部件。收縮段在保持其他流動(dòng)參數(shù)保持不變的前提下，通過(guò)提高平均流速來(lái)增加流場(chǎng)均勻性。比如無(wú)量綱總壓分布（ΔPt/q）會(huì)急速升高，由于收縮段對(duì)總壓分布（絕對(duì)壓力）幾乎沒(méi)有影響，動(dòng)壓的增加大約是收縮率的平方。

2.2.2 空氣動(dòng)力學(xué)效果

每個(gè)整流部件都有他們獨(dú)特的功能，提供均勻且湍流度低的流動(dòng)。選擇、配置不同功能的整流部件，并把他們組合成為一個(gè)完整的部件，才能夠優(yōu)化流動(dòng)特性，減少湍流。對(duì)于其他的流動(dòng)特性，不同的整流部件影響不同的特性（主換熱器影響溫度均勻性，蜂窩器影響流動(dòng)角度均勻性，收縮段影響總壓力均勻性）。

總壓/靜壓和流動(dòng)角度均勻性表現(xiàn)是沉降倉(cāng)不同部件組合產(chǎn)生的影響。其關(guān)鍵問(wèn)題是解決整流部件組合帶來(lái)的其他影響：1）剪切層的增加會(huì)帶來(lái)流動(dòng)均勻性的惡化，盡管需要對(duì)剪切層有關(guān)部件位置的仔細(xì)調(diào)整，但這個(gè)影響最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)估計(jì)。2）由邊界層控制裝置引起的靜壓區(qū)。3）由收縮段產(chǎn)生的靜壓扭曲。

收集口是達(dá)到軸向靜壓梯度指標(biāo)的關(guān)鍵。收縮口尺寸設(shè)計(jì)目標(biāo)為零軸向靜壓梯度，并且裝備了許多調(diào)整裝置，來(lái)調(diào)整靜壓分布。最重要的便是可調(diào)整的收集口和測(cè)試段、擴(kuò)散段進(jìn)口高度。這些可移動(dòng)裝置需要適應(yīng)兩個(gè)噴口的尺寸，并且收集口設(shè)計(jì)了一些可移動(dòng)裝置，進(jìn)行微小調(diào)整，收集口與擴(kuò)散段的最終運(yùn)行高度由調(diào)試時(shí)的結(jié)果來(lái)決定。

2.2.3 CFD計(jì)算

在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了CFD計(jì)算，如圖2、3所示。主要目的是：1）評(píng)估整個(gè)風(fēng)道的性能表現(xiàn)，尤其是擴(kuò)散段。2）評(píng)估收縮段的設(shè)計(jì)（在大、小兩個(gè)噴口尺寸下）。3）計(jì)算噴口處邊界層的厚度，用來(lái)設(shè)計(jì)邊界層抽吸系統(tǒng)。4）估計(jì)軸向靜壓梯度。

圖2 整體速度場(chǎng)模擬Fig.2 Simulation of overall velocity field

圖3 風(fēng)機(jī)擴(kuò)散段速度場(chǎng)模擬Fig.3 Simulation of velocity field for fan diffusion section

通過(guò) CFD計(jì)算，得到了整個(gè)風(fēng)洞的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，目前風(fēng)洞的設(shè)計(jì)，尤其針對(duì)噴口、收集口、主風(fēng)機(jī)等重要部件的設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足最大風(fēng)速 250 km/h的設(shè)計(jì)要求，并且邊界層厚度及軸向靜壓梯度等空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)非常優(yōu)秀，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3 流場(chǎng)品質(zhì)驗(yàn)證

風(fēng)道設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求進(jìn)行的，并進(jìn)行了 CFD計(jì)算，最終的流場(chǎng)品質(zhì)（氣流的均勻性、湍流度、邊界層厚度、軸向靜壓梯度等重要指標(biāo)）還需要在風(fēng)洞完成后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 環(huán)境模擬系統(tǒng)

環(huán)境模擬系統(tǒng)由高低溫模擬系統(tǒng)、道路模擬系統(tǒng)、陽(yáng)光模擬系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)這幾個(gè)主要設(shè)備組成，用來(lái)模擬不同的自然環(huán)境。

3.1 高低溫模擬系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)能力的設(shè)計(jì)是基于主換熱器出風(fēng)溫度要求。制冷載荷的分解如圖4所示。制冷載荷是根據(jù)中汽中心提供的測(cè)試工況以及極限設(shè)計(jì)點(diǎn)得出，見(jiàn)表2。總體制冷量由整個(gè)風(fēng)道內(nèi)的熱負(fù)荷決定，包括：主風(fēng)機(jī)熱量、車(chē)的熱量、流道熱量、鹽水系統(tǒng)損失（管道泵和管路損失）、雨雪光照邊界層系統(tǒng)等。整個(gè)風(fēng)洞內(nèi)的熱平衡還要考慮車(chē)輛的熱負(fù)荷，包括：輪胎發(fā)熱、發(fā)動(dòng)機(jī)熱量傳到至空氣、尾氣熱量。除了表1列出的穩(wěn)定負(fù)荷，溫度變化速率要求也應(yīng)該考慮，因此風(fēng)洞鋼殼和車(chē)輛的熱容量也必須進(jìn)行考慮，這是影響升降溫速率的重要因素。

圖4 制冷系統(tǒng)載荷估計(jì)Fig.4 Load estimation of cooling system

表2 極限測(cè)試工況Tab.2 Extreme test condition

在考慮溫度變化速率要求之后，最終計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)狀態(tài)下的制冷系統(tǒng)能力要求可以覆蓋溫度變化速率要求。也就是說(shuō)，溫度變化要求不是制冷能力的決定因素。

圖6顯示了溫度變化速率的過(guò)程模擬。溫度變化的設(shè)計(jì)要求在20 min內(nèi)從46°降低至34°，風(fēng)速最大值可達(dá)120 km/h。在這個(gè)變化過(guò)程中，最大制冷負(fù)荷點(diǎn)剛好在空氣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度之前出現(xiàn)，然后制冷負(fù)荷在溫度變化結(jié)束后迅速下降，這是因?yàn)榭諝鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到了目標(biāo)溫度。隨后制冷量緩慢下降，來(lái)平衡鋼殼和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)降溫時(shí)存在的部分熱負(fù)荷。

對(duì)加熱過(guò)程也同樣進(jìn)行了模擬，鹽水加熱器的設(shè)計(jì)要求在風(fēng)速 110 km/h下、43.75 min內(nèi)從 10°升至45°，速度為0.8 (°)/min。圖7顯示了不同功率加熱器的加熱過(guò)程。1000 kW加熱器的加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，達(dá)到了46 min，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。1250 kW的加熱器可以在 40 min左右完成加熱過(guò)程，剛好滿(mǎn)足要求，因此確定加熱器的功率為1250 kW。

圖6 溫度變化過(guò)程模擬Fig.6 Simulation of temperature change process

圖7 不同加熱器的加熱過(guò)程模擬Fig.7 Heating process simulation of different heaters

3.2 道路模擬系統(tǒng)

為了模擬不同車(chē)型的道路載荷（覆蓋從乘用車(chē)到商用車(chē)的測(cè)試需求），底盤(pán)測(cè)功機(jī)采用1.905 m轉(zhuǎn)轂，并且模擬慣量范圍為 600～50 000 kg?？紤]到輪轂電機(jī)的開(kāi)發(fā)需求，轉(zhuǎn)轂為四驅(qū)四電機(jī)，每個(gè)電機(jī)可以獨(dú)立控制，能夠模擬各種工況的道路載荷。

3.3 陽(yáng)光模擬系統(tǒng)

陽(yáng)關(guān)模擬系統(tǒng)為全光譜陽(yáng)光模擬系統(tǒng)，可以通過(guò)兩種不同的遮光罩，模擬烏云和隧道工況。整個(gè)燈架高度可調(diào)，保證進(jìn)行不同高度的車(chē)型實(shí)驗(yàn)時(shí)，均能保持良好的光照均勻性。

3.4 雨雪模擬系統(tǒng)

雨模擬系統(tǒng)通過(guò)放置于噴口前的雨架，將水滴噴出，以模擬降雨過(guò)程，并且可通過(guò)不同的噴嘴型號(hào)和流量，控制雨滴直徑以及雨量的大小。雪模擬系統(tǒng)通過(guò)放置在噴口前的雪槍?zhuān)瑖姵隹諝馀c水霧的混合物，在低溫條件下凝結(jié)成為雪花。雪槍可以通過(guò)控制空氣和水的流量來(lái)控制雪量，并且不同的水與空氣的比例也會(huì)產(chǎn)生不同形式和濕度的雪。

4 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)述了汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)思路，著重講述了環(huán)境風(fēng)洞最重要的兩個(gè)方面：空氣動(dòng)力學(xué)和環(huán)境模擬系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)。通過(guò)風(fēng)洞各個(gè)部件及設(shè)備細(xì)致而全面的設(shè)計(jì)，保證了風(fēng)洞整體性能能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)需求?？諝鈩?dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及測(cè)試精度能夠達(dá)到較高水平。