汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的性能評(píng)價(jià)與分析

孫濤 郭輝 宋安

摘? 要：近年來(lái)，汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室在整車(chē)性能研發(fā)中的作用越來(lái)越受到研發(fā)人員的重視，如何評(píng)價(jià)試驗(yàn)室本身的模擬精度，目前還并未形成完整的評(píng)價(jià)體系?；趪?guó)內(nèi)某風(fēng)洞試驗(yàn)室的實(shí)測(cè)案例，本文對(duì)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室氣動(dòng)參數(shù)的含義、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了詳細(xì)闡述;展示了環(huán)境參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，并與環(huán)境艙參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明環(huán)境風(fēng)洞的空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)環(huán)境模擬指標(biāo)具有重要影響。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室;環(huán)境指標(biāo);氣動(dòng)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U467? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0073-06

Abstract： Recently ，the application of Full-scaled Climatic Wind tunnel（ab. CWT） in vehicle performance tests is paid more attentions by researchers. There is no standard evaluation system established how to evaluate the testing accuracies. Based on the real testing examples in a domestic CWT facility， aerodynamic parameters、the measurement methods and data analysis of CWT are introduced in this article，environment parameters are shown and compared with Climatic chambers ，the result reveals that aerodynamic properties of CWT have important effects on environment parameters.

Key Words： Automotive Environment Wind Tunnel Laboratory; environment parameters; aerodynamic parameters

序? ?言

汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已非常成熟，近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，很多企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識(shí)到風(fēng)洞在整車(chē)研發(fā)技術(shù)中的重要性，紛紛投建自己的風(fēng)洞試驗(yàn)室。試驗(yàn)室的模擬精度對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接的影響，因此，需要對(duì)其關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，保證試驗(yàn)的高重復(fù)性和穩(wěn)定性。

風(fēng)洞試驗(yàn)室建設(shè)完成后的測(cè)量和標(biāo)定是驗(yàn)證其整體設(shè)計(jì)和性能的重要環(huán)節(jié)，主要包括氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量和環(huán)境參數(shù)測(cè)量。環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室優(yōu)于普通環(huán)境艙的關(guān)鍵在于其更接近實(shí)際道路的氣動(dòng)特性，環(huán)境艙基本不做空氣動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)，而對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)室這是非常重要的。

1? ?氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量

氣動(dòng)參數(shù)主要包括風(fēng)速均勻性、風(fēng)速穩(wěn)定性、軸向靜壓梯度、風(fēng)壓脈動(dòng)、氣流偏角等[1]。

測(cè)試前先對(duì)測(cè)試段的有效區(qū)域進(jìn)行定義，測(cè)試范圍為：X軸方向+1.5m～+8m，Y軸方向-1.6m～+1.6m，Z軸方向+0.25m～+2.25m，如圖1所示。我們將測(cè)量區(qū)域按等網(wǎng)格劃分取測(cè)試點(diǎn)，Y軸方向和Z軸方向間距為250mm，X軸方向范圍較大，可按1m間距劃分，所有測(cè)試在空艙狀態(tài)下進(jìn)行。

1.1? 風(fēng)速均勻性

采用網(wǎng)格法進(jìn)行測(cè)量，用S型皮托管測(cè)量噴口基準(zhǔn)面的實(shí)際動(dòng)壓值，用百分誤差法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表1所示。藍(lán)色數(shù)值對(duì)應(yīng)流場(chǎng)的核心區(qū)域，為有效數(shù)據(jù)，紅色數(shù)值對(duì)應(yīng)實(shí)際流場(chǎng)的邊緣，屬于無(wú)效數(shù)據(jù)，僅對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

由計(jì)算結(jié)果可知，流場(chǎng)中心區(qū)域風(fēng)速均勻性偏差控制在0.5%以內(nèi)。

1.2? ?風(fēng)速穩(wěn)定性

風(fēng)速穩(wěn)定性是針對(duì)工況變化后，風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)量值與設(shè)定值的偏差，風(fēng)速范圍15～250km/h，風(fēng)速改變30s后達(dá)到穩(wěn)定，截取2分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

由計(jì)算結(jié)果可知，全范圍內(nèi)平均偏差控制在±0.5km/h以內(nèi)。

1.3? 軸向靜壓梯度

風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)關(guān)注軸向靜壓梯度，它的大小影響汽車(chē)氣動(dòng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)段靜壓系數(shù)和靜壓梯度（如無(wú)特別說(shuō)明均指中心軸向）主要受?chē)娍诔叽纭⒃囼?yàn)段長(zhǎng)度、收集口大小和角度等試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)因素的影響[3]。軸向靜壓系數(shù)和梯度的定義如式（1-4）、式（1-5）所示，測(cè)量區(qū)域是沿x軸方向1m～8m，每隔1m設(shè)定測(cè)量點(diǎn)，采用皮托管分別測(cè)量靜壓和動(dòng)壓值。

1.4? 風(fēng)壓脈動(dòng)

由于風(fēng)洞尺寸較大，噴口邊界層的湍流、射流邊界層與收集口相互作用的脈動(dòng)壓力頻率低，包含的能量大，需要在設(shè)計(jì)中盡量降低，避免出現(xiàn)共振，即所謂低頻顫振[3]。湍流是具有脈動(dòng)特性的流體，隨時(shí)間周期性變化，分為時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力，如圖3所示，試驗(yàn)采樣的脈動(dòng)壓力用離散函數(shù)表示，

脈動(dòng)強(qiáng)度則用統(tǒng)計(jì)特征量壓力均方根來(lái)反映，如式（1-8）;且根據(jù)雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則，在一定范圍內(nèi)流動(dòng)形態(tài)相同，壓力值的大小是與空氣流動(dòng)速度大小成正比[4]，可推導(dǎo)得到脈動(dòng)壓力均方根系數(shù)：

實(shí)際測(cè)量中用聲壓級(jí)（SPL）表征脈動(dòng)壓力均方根，聲學(xué)中通常將rms省去，直接用P表示，利用麥克風(fēng)測(cè)量在不同風(fēng)速下的聲壓級(jí)[5]，再進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算即得到脈動(dòng)壓力均方根系數(shù)，如下圖4所示：

以上為全風(fēng)速段測(cè)試結(jié)果，只有一個(gè)振幅較大的測(cè)試點(diǎn)，共振頻率約為2.3Hz，共振點(diǎn)的風(fēng)速在70km/h左右，此時(shí)湍流脈動(dòng)能量出現(xiàn)了一個(gè)峰值，總體指標(biāo)小于0.08%。

2? ?環(huán)境參數(shù)

對(duì)于環(huán)境風(fēng)洞來(lái)講，環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)同樣重要，主要包括溫度均勻性、溫度控制精度、溫度變化速率、相對(duì)濕度控制精度、相對(duì)濕度均勻性、相對(duì)濕度變化速率等。

同樣采用網(wǎng)格法進(jìn)行測(cè)量，在移測(cè)架上均勻布置熱電偶和濕度計(jì)，所有傳感器應(yīng)在測(cè)試前用溫箱進(jìn)行標(biāo)定。以溫度均勻性測(cè)試為例，設(shè)定溫度值20℃，風(fēng)速120km/h，距離噴口1.5m處溫度均勻性測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)上表結(jié)果所示，車(chē)輛進(jìn)氣口前端的平均溫度偏差為±0.13℃，接下來(lái)沿X軸，在1m～8m范圍內(nèi)，每間隔1m重復(fù)測(cè)量Y-Z平面的溫度點(diǎn)，得到每個(gè)平面的溫度均勻性偏差，濕度測(cè)量與溫度測(cè)量方法相同。溫度變化速率則采用分段測(cè)量法，將全溫度場(chǎng)分為高溫段、常溫段和低溫段，驗(yàn)證各級(jí)系統(tǒng)的制冷能力，最終計(jì)算得到平均溫變速率。

將風(fēng)洞試驗(yàn)室與環(huán)境艙的實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可更直觀地比較出兩者的性能差異。如表6所示：

通常，環(huán)境艙的跟隨風(fēng)機(jī)僅能模擬車(chē)輛前端進(jìn)氣口處的氣流，由于車(chē)身周?chē)臻g受限，車(chē)身四周的氣流會(huì)受到艙壁表面的湍流和渦流影響，無(wú)法達(dá)到自然道路上的均勻流場(chǎng)，車(chē)身周?chē)沫h(huán)境參數(shù)偏差較大;而風(fēng)洞試驗(yàn)室則在大空間內(nèi)得到了更好的流場(chǎng)，環(huán)境參數(shù)控制的精確性優(yōu)于環(huán)境艙，這與流場(chǎng)品質(zhì)息息相關(guān)。而相同溫度下高風(fēng)速工況下的溫度場(chǎng)更好。例如，在20℃、80km/h時(shí)，氣流在Y軸邊界位置均勻性較差，這是由于風(fēng)場(chǎng)邊界處于層流狀態(tài)，流體傳熱熱阻主要集中在該層中，溫差較大;隨著風(fēng)速的增加至120km/h時(shí)，層流及緩沖層在邊界以外范圍，邊界變?yōu)橥牧?，流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合，可近似認(rèn)為無(wú)傳熱熱阻，溫度均勻性變好。結(jié)果如圖5和6所示。

3? ?總結(jié)

本文基于汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)室的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)的含義和分析流場(chǎng)品質(zhì)常用的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行介紹，包括風(fēng)速均勻性百分誤差法、靜壓梯度差分法和風(fēng)壓脈動(dòng)的麥克風(fēng)測(cè)試法，對(duì)比風(fēng)洞與環(huán)境艙的環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果，表明風(fēng)洞試驗(yàn)室具有更好的流場(chǎng)品質(zhì)，均勻的流場(chǎng)有助于更精準(zhǔn)的環(huán)境場(chǎng)形成，使得環(huán)境模擬更接近真實(shí)路面。許多整車(chē)企業(yè)已經(jīng)擁有或正在規(guī)劃風(fēng)洞試驗(yàn)室，未來(lái)應(yīng)該建立環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂騁予，趙志軍，張笑雷. 低速高溫風(fēng)洞設(shè)計(jì)及性能測(cè)試[J]. 能源研究與信息，2018，34（1）： 51-55，61.

[2]韓書(shū)新，孫仁霞，魏新華. 氣象低速風(fēng)洞參數(shù)及性能測(cè)試.氣象水文海洋儀器，2018，30（4）：122-124，128.

[3]伍榮林，王振羽，風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理，北京航空學(xué)院出版社，1985.

[4]兩種改善汽車(chē)風(fēng)洞軸向靜壓系數(shù)的方法，同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（3）：422-426.

[5]鄭志強(qiáng)，彭為，靳曉雄. 汽車(chē)風(fēng)洞聲學(xué)控制研究[J].噪聲與振動(dòng)控制動(dòng)，2006，26（3），64.