車輛試驗用環(huán)境艙迎面風(fēng)速優(yōu)化研究

運偉國 佘高翔 葉連生 李曉鵬

摘 ?要：車輛試驗用環(huán)境艙流場紊亂，車輛進氣格柵處風(fēng)速偏低，影響整車熱平衡試驗精度，有必要研究如何優(yōu)化迎面風(fēng)速，從而糾正進氣格柵的風(fēng)速偏差。以重型車試驗環(huán)境艙為研究對象，通過試驗手段獲得自然流場和環(huán)境艙兩種流場格柵處風(fēng)速與迎面風(fēng)速的關(guān)系，基于兩種流場車輛格柵處風(fēng)速相等的原則，計算得出環(huán)境艙迎面風(fēng)速與車速關(guān)系結(jié)果，并按照迎面風(fēng)速優(yōu)化前后的狀態(tài)進行了熱平衡比對試驗，結(jié)果表明，優(yōu)化后迎面風(fēng)速與車速比值最高達1.53，優(yōu)化后60km/h熱平衡試驗發(fā)動機出水溫度比優(yōu)化前低2℃。該方法易實施，可向其它主機廠試驗環(huán)境艙進行推廣。

關(guān)鍵詞：環(huán)境艙;流場;迎面風(fēng);格柵

中圖分類號：U467.1+9 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0119-05

Headwind Speed Optimization Study Of Vehicle Experimental

Environment Cabin

Yun Wei-guo， She Gao-xiang， Ye Lian-sheng， Li Xiao-peng

（ Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicles Co.， Ltd， Hang Zhou 310016， China）

Abstract： The flow field of vehicle experimental environmental cabin is disordered， the grille wind speed is low， it has a powerful influence on accuracy of heat balance test， so it is necessary to optimize headwind speed and correct the deviation of grille wind speed. The relationship between grille wind speed and headwind speed is obtained by natural flow field and environmental cabin flow field testing， according to the principle of grille wind speed equality， the results of relationship between headwind speed and vehicle speed is calculated， and the heat balance comparison test is carried out according to the state before and after the optimization of the headwind speed. The results show that the crest ratio of headwind speed to vehicle speed is 1.53， 60km/h heat balance test engine water outlet temperature decreased 2℃after optimization. This method is easily to perform and can be popularized in the environment cabin laboratory of automobile enterprises.

Key Words： Environment Cabin; Flow Field; Headwind Speed; Grille

前 ? ?言

熱平衡試驗是汽車研發(fā)重要試驗項目[1]。根據(jù)試驗設(shè)備的類型，汽車熱平衡試驗方法分為：道路法[2]、環(huán)境風(fēng)洞法、環(huán)境艙法。其中道路法受天氣影響和道路環(huán)境影響較大，無法達到熱平衡條件;環(huán)境風(fēng)洞法對風(fēng)洞硬件要求高，設(shè)計復(fù)雜[3]，試驗成本非常高，國內(nèi)環(huán)境風(fēng)洞試驗試驗資源數(shù)量不多;而環(huán)境艙法試驗資源眾多，各大主機廠都具備此試驗?zāi)芰Γ朔N方法已成為熱平衡試驗的主要手段。

環(huán)境艙進行熱平衡試驗主要使用環(huán)境艙、底盤測功機、風(fēng)機三個設(shè)備[4]，如圖1所示。底盤測功機用于模擬車輛道路負(fù)荷，環(huán)境艙用于提供整車高低溫環(huán)境，風(fēng)機用于模擬車輛迎面風(fēng)，迎面風(fēng)速控制點位于出風(fēng)口處，試驗時設(shè)定出風(fēng)口風(fēng)速等于底盤測功機車速，如圖2所示。環(huán)境風(fēng)洞阻塞比小，流場較規(guī)則 [5-6]，而環(huán)境艙沒有進行專業(yè)的流場設(shè)計，風(fēng)機出風(fēng)口尺寸較小，小于試驗車投影面積，導(dǎo)致流場阻塞比大，帶載試驗條件下環(huán)境艙內(nèi)流場紊流情況嚴(yán)重，格柵進氣量不足，格柵處風(fēng)速低于自然流場的風(fēng)速。

如果格柵處風(fēng)速偏低，會嚴(yán)重影響散熱系統(tǒng)散熱能力[7]。從空氣換熱角度考慮，散熱器散熱功率與空氣流速成正比[8]，滿負(fù)荷條件下發(fā)動機散熱功率是定值，即散熱器散熱功率是定值，散熱器進氣溫度一定，當(dāng)進氣風(fēng)速過低，會導(dǎo)致散熱器出氣溫度過高，從而使得散熱器內(nèi)部水溫變高，最終導(dǎo)致熱平衡試驗失真[9]。

為提高熱平衡試驗的精度，解決環(huán)境艙內(nèi)流場不規(guī)則引起的試驗車格柵處風(fēng)速過低的問題，在不增加設(shè)備改造成本的條件下，有必要研究如何優(yōu)化環(huán)境艙迎面風(fēng)速，從而糾正車輛格柵處風(fēng)速的偏差。因重型車尺寸龐大，迎風(fēng)面積大，相比輕型車，對環(huán)境艙流場影響更為明顯，研究重型車更有意義，故選取某6×4重型牽引車和重型車試驗環(huán)境艙作為研究對象。通過試驗方法，獲得環(huán)境艙流場和自然流場條件下，格柵處風(fēng)速與迎面風(fēng)速關(guān)系曲線，通過方程求解，找出當(dāng)兩種流場格柵處風(fēng)速相等條件下，環(huán)境艙流場迎面風(fēng)速與自然流場迎面風(fēng)速關(guān)系，以此作為環(huán)境艙迎面風(fēng)速優(yōu)化的依據(jù)。最后再次進行試驗驗證，分析優(yōu)化前后，熱平衡試驗結(jié)果的差異。

1 ? ?兩種流場格柵處風(fēng)速數(shù)據(jù)獲取

1.1 ? 風(fēng)速傳感器安裝

首先需要在車輛格柵進風(fēng)處安裝風(fēng)速傳感器，為了獲得高精度、穩(wěn)定連續(xù)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，選用光柵編碼葉輪式風(fēng)速傳感器，傳感器參數(shù)見表1。格柵上層、中層左側(cè)、中層右側(cè)、下層左側(cè)、下層右側(cè)共5個測點，風(fēng)速傳感器安裝務(wù)必牢固，詳見圖3。

1.2 ? 兩種流場試驗

自然流場車輛格柵處風(fēng)速數(shù)據(jù)在自然環(huán)境道路試驗中獲得。為消除自然風(fēng)的影響，選擇晴朗無風(fēng)的夜晚進行試驗。受最高車速限制，試驗的迎面風(fēng)速即車速為10～90km/h，每間隔10km/h采集一組數(shù)據(jù)，需要記錄的數(shù)據(jù)包括：格柵處風(fēng)速、迎面風(fēng)速（車速）、變速箱擋位、氣溫、濕度。

環(huán)境艙流場格柵處風(fēng)速數(shù)據(jù)在環(huán)境艙內(nèi)試驗中獲得，底盤測功機和環(huán)境艙參數(shù)詳見表1，將車輛固定在底盤測功機上，如圖4所示，面風(fēng)速選擇跟隨車速模式，其它試驗要求如下：

（1）為方便比對分析，環(huán)境艙迎面風(fēng)速與道路試驗迎面風(fēng)速一致;

（2）因車輛散熱器背面配有風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)，風(fēng)扇會影響格柵進氣口風(fēng)速，故環(huán)境艙內(nèi)試驗車輛擋位也應(yīng)與道路試驗保持一致;

（3）因空氣溫度和濕度會影響空氣粘性，從而影響流場，故環(huán)境艙內(nèi)試驗溫度和濕度應(yīng)與道路試驗一致，本次試驗溫度為22℃，濕度71%。

1.3 ? 試驗數(shù)據(jù)處理

受環(huán)境影響，格柵處風(fēng)速數(shù)據(jù)會存在波動，需截取平穩(wěn)段數(shù)據(jù)，30s左右為宜，如圖5所示，然后求時域平均值，作為穩(wěn)定結(jié)果。以迎面風(fēng)速為變量，作出格柵處風(fēng)速與迎面風(fēng)速關(guān)系曲線圖，道路測試結(jié)果即自然流場結(jié)果見圖6，環(huán)境艙測試結(jié)果見圖7。對比圖6和圖7，自然流場格柵處風(fēng)速曲線走勢更陡，格柵處風(fēng)速明顯高于環(huán)境艙流場，即通過迎面風(fēng)速優(yōu)化，糾正格柵處風(fēng)速偏差是有必要的。

2 ? ?迎面風(fēng)速優(yōu)化

2.1 ? 格柵處風(fēng)速曲線擬合

求出兩種流場格柵處風(fēng)速與迎面風(fēng)速的數(shù)學(xué)方程后，才能以格柵處風(fēng)速為關(guān)聯(lián)對象，對迎面風(fēng)速進行優(yōu)化。為方便計算，首先需要將格柵處風(fēng)速與迎面風(fēng)速關(guān)系曲線進行擬合，求出曲線方程。如果流場是層流，理論上格柵處風(fēng)速與迎面風(fēng)速是線性關(guān)系，但是環(huán)境艙內(nèi)流場紊流嚴(yán)重，綜合考慮擬合誤差、曲線走勢和計算復(fù)雜程度，選擇二次曲線進行擬合。以下層右側(cè)測點為例，環(huán)境艙流場擬合結(jié)果見圖8，自然流場擬合結(jié)果見圖9。由圖可以看出，自然流場擬合曲線二次項系數(shù)小，線性度比環(huán)境艙流場好。

2.2 ? 迎面風(fēng)速求解

將各測點兩種流場擬合后的曲線放在同一個曲線圖里，如圖10所示，當(dāng)自然流場迎面風(fēng)速為10m/s時，求出下層右側(cè)格柵處風(fēng)速為12.3m/s，再利用環(huán)境艙流場擬合方程，求解得到環(huán)境艙迎面風(fēng)速為16.2m/s。自然流場迎面風(fēng)從2.5～10m/s，每隔2.5m/s求解一個數(shù)值，最后各測點求解結(jié)果匯總見表2，最左側(cè)一列為自然流場迎面風(fēng)速即車速，第2～6列為各測點對應(yīng)的環(huán)境艙迎面風(fēng)速，第7列為均值。

優(yōu)化后各測點環(huán)境艙迎面風(fēng)速均值與車速比值見圖11，比值最高達1.53，與優(yōu)化前差異很大。

3 ? ?優(yōu)化前后試驗比對

選擇某6×4重型自卸車分別按照優(yōu)化前和優(yōu)化后的迎面風(fēng)速要求進行熱平衡試驗，根據(jù)車輛常用工況，低速爬坡車速設(shè)為20km/h，中高速爬坡車速設(shè)為60km/h，試驗時選擇合適擋位，車輛加速踏板開度100%，底盤測功機設(shè)置為定速模式，根據(jù)踏板需求動態(tài)調(diào)整車輛負(fù)荷，并采集發(fā)動機出水溫度。由圖12可知，低速爬坡工況優(yōu)化后發(fā)動機出水溫度降低0.3℃，中高速速爬坡優(yōu)化后發(fā)動機出水溫度降低2℃，即低速工況環(huán)境艙流場對熱平衡試驗精度影響較小，但中高速工況，環(huán)境艙流場對熱平衡試驗精度影響非常大。

4 ? ?結(jié)論

通過試驗手段，對比分析自然流場、環(huán)境艙流場車輛格柵處風(fēng)速數(shù)據(jù)，對環(huán)境艙迎面風(fēng)速進行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）與自然流場相比，環(huán)境艙內(nèi)流場不規(guī)則，車輛格柵處風(fēng)速顯著偏低，會影響熱平衡試驗結(jié)果準(zhǔn)確性，十分有必要對環(huán)境艙迎面風(fēng)速進行優(yōu)化調(diào)整，從而修正格柵處風(fēng)速偏差。

（2）以兩種流場格柵處風(fēng)速相等為條件，求解得到環(huán)境艙迎面風(fēng)速，優(yōu)化后迎面風(fēng)速與車速比值最高達1.53，與優(yōu)化前差異很大。

（3）按照優(yōu)化前和優(yōu)化后的迎面風(fēng)速要求對某重型自卸車進行熱平衡試驗，60km/h滿負(fù)荷爬坡工況，優(yōu)化后發(fā)動機出水溫度比優(yōu)化前低2℃。

（4）本文提供的方法——以自然流場和環(huán)境艙流場車輛格柵處風(fēng)速相等原則，對環(huán)境艙迎面風(fēng)速進行優(yōu)化，其理論計算過程清晰，實際操作性好，不涉及設(shè)備改造，可向其它主機廠試驗環(huán)境艙進行廣泛推廣。

參考文獻：

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專家推薦語

李 ?崢

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

整車部總師 ?研究員級高級工程師

論文原理描述和試驗結(jié)果分析思路清晰，在產(chǎn)品開發(fā)中的實用價值較高，值得推廣應(yīng)用。

但是正如作者所述，因環(huán)境艙流場受環(huán)境艙尺寸、車輛尺寸的影響大，該研究結(jié)果不能直接應(yīng)用，需要主機廠根據(jù)實際情況，不同車型需要單獨進行試驗對標(biāo)，重新優(yōu)化計算。