汽車環(huán)境風(fēng)洞設(shè)計概述

張藝倫，牟連嵩，趙豐

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

目前，環(huán)境風(fēng)洞已經(jīng)成為汽車開發(fā)過程中不可或缺的開發(fā)驗證手段。在整車開發(fā)過程中，利用實驗室進行空調(diào)及整車熱管理實驗是主要開發(fā)實驗手段。環(huán)境實驗室可以模擬自然環(huán)境下溫度、濕度、日照、雨雪等氣候條件，并且相比于道路實驗，環(huán)境實驗室的環(huán)境條件控制更加精確，實驗重復(fù)性更好。而相比于各類的環(huán)境實驗室，環(huán)境風(fēng)洞最能夠模擬真實的自然環(huán)境。環(huán)境風(fēng)洞的空氣流場均勻，且最接近真實的空氣流動，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)洞的實驗結(jié)果可以最好地還原車輛在真實自然條件下的性能表現(xiàn)，并且環(huán)境風(fēng)洞還可以進行降雨、降雪這類獨特的實驗，能夠模擬的自然環(huán)境更全面，對于汽車開發(fā)及優(yōu)化過程起到重要的數(shù)據(jù)支持作用。

汽車環(huán)境風(fēng)洞主要由空氣流道、主風(fēng)機、底盤測功機、陽光模擬系統(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。各個系統(tǒng)需互相配合才能達到優(yōu)秀的性能指標。設(shè)計上需要對性能、成本、安全、維修性等多個方面進行綜合考慮，并且不同設(shè)備對整體空氣動力學(xué)及熱力學(xué)性能均會產(chǎn)生不同程度的影響，需要進行整體規(guī)劃及反復(fù)計算，設(shè)計難度較大。本文重點講述了中國汽車技術(shù)研究中心環(huán)境風(fēng)洞空氣動力學(xué)與環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計概念。

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，整個風(fēng)洞建在層高18 m的建筑內(nèi)。風(fēng)機位于轉(zhuǎn)角2下游，新風(fēng)從風(fēng)機上游進入流道，換熱器、蜂窩器位于轉(zhuǎn)角4與噴口之間的沉降倉內(nèi)。雨雪模擬、陽關(guān)模擬、底盤測功機等設(shè)備則位于實驗段內(nèi)，實驗車輛從可開啟的轉(zhuǎn)角1大門進入。環(huán)境風(fēng)洞重要的技術(shù)參數(shù)見表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)道及空氣動力學(xué)設(shè)計

風(fēng)道是一個由多個部分組成的風(fēng)洞部件，目的是為測試車輛提供能夠滿足速度、流動品質(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)計不能與其他系統(tǒng)的設(shè)計孤立開來。接下來簡要說明了風(fēng)道各部分的空氣動力學(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。

2.1 風(fēng)道的設(shè)計

2.1.1 測試段

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（測試段長度、收集口尺寸、擴散段形狀）根據(jù)以往的類似風(fēng)洞經(jīng)驗進行設(shè)計。整體的幾何尺寸由 CFD計算進行確認，包括預(yù)計的軸向靜壓梯度。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。

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，通過傾斜板，流線的彎曲與軸向靜壓梯度便可以減小。在整個風(fēng)速范圍內(nèi)，1%～2%質(zhì)量流量的風(fēng)會被該系統(tǒng)抽走，并通過怠速風(fēng)門回流到測試段。

2.1.3 擴散段

回風(fēng)段的設(shè)計是為了將氣流高效地擴散。測試段、擴散段為可調(diào)節(jié)設(shè)計，來配合噴口的尺寸。大噴口時，擴散角度會接近于0，甚至有一點點收縮。最終擴散段幾何形狀將在最終調(diào)試時決定，必須滿足軸向靜壓梯度與脈動要求。風(fēng)機擴散段為不對稱擴散器，用來過渡中心線高度上各個交叉腿的不同。所有擴散段為全風(fēng)速范圍內(nèi)保守的設(shè)計尺寸，并且對其進行CFD校核。

2.1.4 轉(zhuǎn)角

中汽中心環(huán)境風(fēng)洞提出了測試段的噪聲要求。此要求不是為實試驗需要，而是為了創(chuàng)造舒適的實驗工作環(huán)境。為了達到該目的，轉(zhuǎn)角1、2、3設(shè)計了降噪措施，轉(zhuǎn)角葉片中含有吸聲材料。其中轉(zhuǎn)角1設(shè)計為可旋轉(zhuǎn)開啟裝置，開啟時，測試車輛由此通過進入測試段。

2.1.5 諧振腔

設(shè)計中通過三個赫姆霍茲共鳴器來衰減低頻壓力波動。大的諧振腔位于轉(zhuǎn)角2上方，該諧振腔尺寸設(shè)計為管風(fēng)琴管路模式。另外兩個小的諧振腔位于測試段上方，這兩個諧振腔尺寸為測試段管路模式。

2.1.6 主風(fēng)機

主風(fēng)機是空氣流動的動力源。利用葉片數(shù)量、葉型以及轉(zhuǎn)速等方面的設(shè)計，可以滿足壓升和效率的要求。主風(fēng)機為8片葉片，最大轉(zhuǎn)速為550 rad/min。為了滿足風(fēng)速跟隨車速的要求，對風(fēng)機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至滿負荷的加速，15 s內(nèi)完成從滿負荷至靜止的減速。

2.2 空氣動力學(xué)設(shè)計

2.2.1 整流部件

中汽中心要求達到世界上汽車環(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力學(xué)參數(shù)需要精心設(shè)計，其他可能影響氣流品質(zhì)的部件也需要詳細設(shè)計。

測試段的氣流品質(zhì)受流過收縮段的氣流質(zhì)量、測試段自身的擾動和擴散段的擾動影響。流過收縮段的氣流質(zhì)量主要由沉降倉和收縮段的整流部件的設(shè)計和加工來決定。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入測試段的空氣溫度和溫度均勻性。風(fēng)道中沒有其他能夠控制溫度的部件，因此進入測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到要求，主換熱器的每一個回路包含了節(jié)流系統(tǒng)，并配合手動可調(diào)閥門，這些閥門僅在風(fēng)洞調(diào)試時進行調(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，是第一個整流部件。

主換熱器還有另外一個功能—消除不均勻流動和降低湍流度。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，降低流動角度。通過流過大量平行的狹窄管道可以達到這個目的。蜂窩器長度和大小的設(shè)計可以保證全風(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產(chǎn)生湍流，但會快速減小，因為這些湍流都是較小的湍流長度尺度。

收縮段是氣流進入測試段之前，最后的整流部件。收縮段在保持其他流動參數(shù)保持不變的前提下，通過提高平均流速來增加流場均勻性。比如無量綱總壓分布（ΔPt/q）會急速升高，由于收縮段對總壓分布（絕對壓力）幾乎沒有影響，動壓的增加大約是收縮率的平方。

2.2.2 空氣動力學(xué)效果

每個整流部件都有他們獨特的功能，提供均勻且湍流度低的流動。選擇、配置不同功能的整流部件，并把他們組合成為一個完整的部件，才能夠優(yōu)化流動特性，減少湍流。對于其他的流動特性，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，蜂窩器影響流動角度均勻性，收縮段影響總壓力均勻性）。

總壓/靜壓和流動角度均勻性表現(xiàn)是沉降倉不同部件組合產(chǎn)生的影響。其關(guān)鍵問題是解決整流部件組合帶來的其他影響：1）剪切層的增加會帶來流動均勻性的惡化，盡管需要對剪切層有關(guān)部件位置的仔細調(diào)整，但這個影響最好通過實驗來估計。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。

收集口是達到軸向靜壓梯度指標的關(guān)鍵。收縮口尺寸設(shè)計目標為零軸向靜壓梯度，并且裝備了許多調(diào)整裝置，來調(diào)整靜壓分布。最重要的便是可調(diào)整的收集口和測試段、擴散段進口高度。這些可移動裝置需要適應(yīng)兩個噴口的尺寸，并且收集口設(shè)計了一些可移動裝置，進行微小調(diào)整，收集口與擴散段的最終運行高度由調(diào)試時的結(jié)果來決定。

2.2.3 CFD計算

在設(shè)計過程中進行了CFD計算，如圖2、3所示。主要目的是：1）評估整個風(fēng)道的性能表現(xiàn)，尤其是擴散段。2）評估收縮段的設(shè)計（在大、小兩個噴口尺寸下）。3）計算噴口處邊界層的厚度，用來設(shè)計邊界層抽吸系統(tǒng)。4）估計軸向靜壓梯度。

圖2 整體速度場模擬Fig.2 Simulation of overall velocity field

圖3 風(fēng)機擴散段速度場模擬Fig.3 Simulation of velocity field for fan diffusion section

通過 CFD計算，得到了整個風(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，尤其針對噴口、收集口、主風(fēng)機等重要部件的設(shè)計，可以滿足最大風(fēng)速 250 km/h的設(shè)計要求，并且邊界層厚度及軸向靜壓梯度等空氣動力學(xué)指標非常優(yōu)秀，能夠達到設(shè)計目標。

2.3 流場品質(zhì)驗證

風(fēng)道設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和空氣動力學(xué)設(shè)計是根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的要求進行的，并進行了 CFD計算，最終的流場品質(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）還需要在風(fēng)洞完成后，通過實驗進行驗證。

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)、陽光模擬系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)這幾個主要設(shè)備組成，用來模擬不同的自然環(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)中汽中心提供的測試工況以及極限設(shè)計點得出，見表2。總體制冷量由整個風(fēng)道內(nèi)的熱負荷決定，包括：主風(fēng)機熱量、車的熱量、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。整個風(fēng)洞內(nèi)的熱平衡還要考慮車輛的熱負荷，包括：輪胎發(fā)熱、發(fā)動機熱量傳到至空氣、尾氣熱量。除了表1列出的穩(wěn)定負荷，溫度變化速率要求也應(yīng)該考慮，因此風(fēng)洞鋼殼和車輛的熱容量也必須進行考慮，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Fig.4 Load estimation of cooling system

表2 極限測試工況Tab.2 Extreme test condition

在考慮溫度變化速率要求之后，最終計算結(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，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程模擬。溫度變化的設(shè)計要求在20 min內(nèi)從46°降低至34°，風(fēng)速最大值可達120 km/h。在這個變化過程中，最大制冷負荷點剛好在空氣溫度達到目標溫度之前出現(xiàn)，然后制冷負荷在溫度變化結(jié)束后迅速下降，這是因為空氣溫度已經(jīng)達到了目標溫度。隨后制冷量緩慢下降，來平衡鋼殼和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)降溫時存在的部分熱負荷。

對加熱過程也同樣進行了模擬，鹽水加熱器的設(shè)計要求在風(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程。1000 kW加熱器的加熱時間過長，達到了46 min，無法滿足設(shè)計要求。1250 kW的加熱器可以在 40 min左右完成加熱過程，剛好滿足要求，因此確定加熱器的功率為1250 kW。

圖6 溫度變化過程模擬Fig.6 Simulation of temperature change process

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

3.2 道路模擬系統(tǒng)

為了模擬不同車型的道路載荷（覆蓋從乘用車到商用車的測試需求），底盤測功機采用1.905 m轉(zhuǎn)轂，并且模擬慣量范圍為 600～50 000 kg。考慮到輪轂電機的開發(fā)需求，轉(zhuǎn)轂為四驅(qū)四電機，每個電機可以獨立控制，能夠模擬各種工況的道路載荷。

3.3 陽光模擬系統(tǒng)

陽關(guān)模擬系統(tǒng)為全光譜陽光模擬系統(tǒng)，可以通過兩種不同的遮光罩，模擬烏云和隧道工況。整個燈架高度可調(diào)，保證進行不同高度的車型實驗時，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)通過放置于噴口前的雨架，將水滴噴出，以模擬降雨過程，并且可通過不同的噴嘴型號和流量，控制雨滴直徑以及雨量的大小。雪模擬系統(tǒng)通過放置在噴口前的雪槍，噴出空氣與水霧的混合物，在低溫條件下凝結(jié)成為雪花。雪槍可以通過控制空氣和水的流量來控制雪量，并且不同的水與空氣的比例也會產(chǎn)生不同形式和濕度的雪。

4 結(jié)語

簡述了汽車環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計思路，著重講述了環(huán)境風(fēng)洞最重要的兩個方面：空氣動力學(xué)和環(huán)境模擬系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計。通過風(fēng)洞各個部件及設(shè)備細致而全面的設(shè)計，保證了風(fēng)洞整體性能能夠滿足設(shè)計目標和實驗需求。空氣動力學(xué)、熱力學(xué)及測試精度能夠達到較高水平。