汽車環境風洞試驗能力綜述

趙豐，孫津鴻，牟連嵩，張藝倫，許翔

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

車輛環境適應性試驗是貫穿于車輛研制、定型、生產、使用等過程中的一項重要基礎性工作，是汽車環境適應性設計的基礎和有效手段[1]?，F階段，車輛環境適應性試驗可通過道路試驗法、虛擬環境試驗法和環境實驗室試驗法實現。道路試驗法可以真實地反應車輛行駛的實際情況，但是受環境條件的影響較大；虛擬環境試驗法是通過建立各種虛擬邊界條件，來模擬車輛行駛環境，使用方便，精度較高，但是邊界條件的設定屬于理想化條件，與真實情況存在一定差異；環境實驗室驗證法主要依托于環境風洞和環境艙，利用實驗室來模擬車輛遇到的溫度、濕度、風速等環境條件，該試驗方法的環境條件易于控制，重復性非常高，試驗結果的一致性非常好。相對于環境艙，環境風洞具有更優越的流場品質、控制精度以及更完備的環境條件[2]，能夠更真實地模擬車輛在道路上行駛的真實情況。重點介紹中國汽車技術研究中心有限公司（以下簡稱中汽中心）的汽車環境風洞實驗室。

1 汽車環境風洞的功能及組成

1.1 汽車環境風洞的功能

環境適應性試驗是車輛研發驗證過程中必不可少的環節，而汽車環境風洞已經成為環境適應性開發驗證的重要設施。汽車環境風洞能夠真實地復現車輛在道路上行駛的環境條件，能夠根據開發工作的需要隨時模擬試驗所需的溫度、濕度、光照強度、道路阻力、降雨、降雪等環境條件，真正實現不受季節和地域的限制。汽車環境風洞可以多次模擬車輛相同的試驗條件，能夠重現車輛在行駛過程中的問題，有利于研發人進行數據分析，進而提供有效的改進方案[3]。

在環境風洞發展的初期，各國風洞通常模擬其本國的氣候條件，隨著汽車市場的全球化，工況范圍逐步擴展，目前各國風洞的溫度范圍通常為–40～+ 60 ℃，相對濕度范圍為10%～90%，最大太陽輻射強度為1200 W/m2，基本上覆蓋了全球的氣候條件；此外，近年新建的風洞增加了對雨雪、熱路、振動、偏航、沙塵等的模擬，不斷完善其功能。早期建設的一些汽車環境風洞，并未考慮到能源多樣性的影響，無法覆蓋全部新型能源汽車試驗，如氫燃料電池汽車試驗[4]。中汽中心的汽車環境風洞不僅能進行傳統的燃油車試驗，還能夠進行純電動汽車、混合動力汽車試驗，以及氫燃料電池汽車試驗。表1為世界各企業汽車環境風洞的主要參數。

表1 世界各企業環境風洞參數 Tab.1 CWT parameters of enterprises around the world

1.2 汽車環境風洞的組成

汽車環境風洞主要由鋼流道系統、保溫板系統、主風機系統、陽光模擬系統、底盤測功機系統、溫度控制系統、濕度控制系統、電氣系統、控制系統、降雨系統、降雪系統等組成。中汽中心汽車環境風洞的整體布局如圖1所示。

圖1 中汽中心汽車環境風洞整體布局 Fig.1 CWT overall layout of the CATARC

鋼流道系統：鋼流道為風洞內氣流循環的載體，主要包括噴口、回風口、擴散段、風機進口段、風機出口段、風機擴散段、沉降艙、收縮段、四個轉角、諧振腔等。鋼流道外部另有四層工藝處理，不僅具有保溫的作用，還具有防火、防潮的功能。

保溫板系統：保溫板主要安裝在汽車環境風洞試驗段和進車段。試驗段和進車段分別是車輛試驗及車輛進出的位置，需要考慮稱量，所以采用混凝土結構支撐，保溫板安裝在混凝土四周內壁，不僅具有保溫的作用，還具有降噪、阻燃的功能。

主風機系統：主風機是汽車環境風洞的心臟，為風洞內氣流的循環提供動力。中汽中心汽車環境風洞的風機選用8葉片結構，額定功率高達1600 kW，風機直徑為4750 mm，最大風量為585 m3/s，從風機啟動到滿負荷加速只需要19 s。

陽光模擬系統：陽光模擬系統安裝在試驗段頂部，可以模擬車輛在道路上行駛的輻照強度，目前行業內建設的風洞光照強度通常為500～1200 W/m2，采用全光譜模擬。中汽中心汽車環境風洞的陽光模擬系統光范圍更廣，為300～1200 W/m2，前后排及兩側燈架能夠翻轉45°，模擬側照功能，且具有烏云模擬和隧道模擬的功能。

底盤測功機系統：底盤測功機系統安裝在試驗段地面，可以模擬車輛在道路上行駛的行駛阻力。環境艙通常使用1.219 2 m（48英寸）轉鼓，只能進行乘用車相關的試驗。中汽中心汽車環境風洞采用1.905 m（75英寸）四驅四電機轉鼓，軸距在2.3～6 m之間連續可調，模擬慣量范圍為600～50 000 kg，測試車型跨度非常大，不僅能滿足知豆，smart等小型乘用車的試驗，還能滿足大巴、卡車等商用車的試驗[5-7]。

環境控制系統：環境控制系統為風洞的經絡，可以模擬車輛在道路上行駛的溫度、濕度等條件，同時也為各個設備的運行提供冷卻。中汽中心汽車環境風洞的環境控制系統由低溫包、高溫包以及普冷系統組成。低溫包主要為汽車環境風洞提供低溫環境條件，制冷主機采用集成式雙機頭，鹽水離開最低溫度可低至–45 ℃。高溫包主要由屋頂冷卻水塔和中央換熱器構成，可以利用自然冷源為汽車環境風洞提供冷卻條件。按照北方的氣候條件，高溫包每年可以使用3個季度，能達到節約能源的目的。普冷系統主要為汽車環境風洞的各個設備提供冷卻，包括轉鼓電機冷卻回路、風機電機冷卻回路、風機驅動冷卻回路等設備。圖2為環境控制系統的三維模型。

圖2 環境控制系統三維模型 Fig.2 The 3D mold of environmental control system

降雨系統：降雨系統為汽車環境風洞特有的功能，能夠模擬車輛在道路上行駛的降雨環境，通常采用在噴口處架設雨架的形式，沿著氣流的方向噴射出經過處理的水和壓縮空氣的混合物，通過控制水和壓縮空氣的混合比來控制降雨流量大小。中汽中心汽車環境風洞的雨模擬系統分為兩種方式，分別是降雨系統和輪胎噴淋系統。降雨系統流量為0～90 L/min，雨架架設在環境風洞噴口前，如圖3所示，由5套30個噴嘴組成，每個噴嘴流量可調，單個噴嘴最大流量可達4.5 L/min。輪胎噴淋系統由安裝在底盤測功機地面的噴淋系統組成，噴淋流量為0～3 L/min。

圖3 中汽中心汽車環境風洞降雨系統 Fig.3 The Rain system of CATARC CWT

降雪系統：降雪系統同樣為汽車環境風洞特有的功能，可以模擬車輛在道路上行駛的降雪環境，降雪系統通常只控制水和壓縮空氣的混合，遇到環境風洞內的低溫環境，凝結成雪花。中汽中心汽車環境風洞的降雪系統分為兩種方式，分別是吹雪模擬和落雪模擬。吹雪模擬時在環境風洞的噴口收縮段之前伸出一根管路，噴嘴上升到流道正中央，逆風吹出水和壓縮空氣的混合物，吹雪最大水流量可達45 L/min，最大吹雪空氣流量可達3.83 m3/min。落雪模式是通過在噴口處架設雪架的形式，模擬雪花自然下落的狀態，最大落雪的水流量可達20 L/min，最大落雪的空氣流量可達1.26 m3/min。

2 汽車環境風洞試驗能力

2.1 試驗車型

環境風洞可以開展的試驗車型及項目主要取決于風洞的尺寸、設備的能力、配套的報警及消防措施等[8]。中汽中心汽車環境風洞配備兩個噴口，噴口面積分別為8.25 m2和13.2 m2，對應的最高車速可達250 km/h和170 km/h，同時配備1.905 m（75英寸）四驅四電機底盤測功機，軸距2.3～6 m可調，模擬慣量范圍為600～50 000 kg，可以開展轎車、越野乘用車、多用途乘用車、中巴、大巴、皮卡、輕卡、重卡等車型的試驗。

中汽中心汽車環境風洞在試驗段內配備兩套共6個四波段的火焰探測器以及高壓細水霧系統，在試驗段頂部和車身周圍配備氫氣傳感器，同時尾排風機采用防火花結構風機，能夠進行汽油車、柴油車、純電動汽車、混合動力汽車以及氫燃料電池汽車試驗[9-11]。

2.2 試驗項目

車輛在汽車環境風洞中可進行動力性試驗、經濟性試驗、舒適性等試驗。一般重點測試整車空調性能試驗、整車熱管理性能試驗、極限工況或氣候性能試驗。

2.2.1 整車空調性能試驗

整車空調性能試驗主要包括：整車采暖性能試驗、整車空調降溫性能試驗、汽車空調風霜玻璃除霜除霧性能試驗、整車空調系統制冷劑加注量試驗、整車空調系統抗結霜性能試驗。以上試驗主要驗證整車的空調性能，對試驗環境條件有非常高的要求，試驗環境條件可參照相關國家標準[12-15]。

2.2.2 整車熱管理性能試驗

1） 乘用車熱平衡性能試驗。乘用車熱平衡試驗為目前環境風洞的主流試驗項目，GB/T 12542－2009 《汽車熱平衡能力道路試驗方法》中規定了詳細的試驗環境條件、試驗要求、試驗方法及判定依據，各個汽車企業參考國標制定了自己的環境艙、環境風洞的試驗標準。通常，各企業會根據車輛銷售區域、出口國家等來制定相應的試驗工況，進行研發驗證[16-20]。

2） 商用車熱平衡性能試驗。相比于乘用車，由于商用車的外形和質量較大，且牽引力遠大于乘用車，試驗工況更惡劣，所以對試驗設備要求較高，必須考慮車輛進出通道及設備載荷等問題。中汽中心汽車環境風洞配備有商用車專用噴口，寬度為3.3 m，高度為4 m，完全滿足商用車迎風面積的需要，且采用1.905 m（75英寸）四驅四電機底盤測功機，軸距在2.3～6 m之間連續可調，模擬慣量范圍為600～ 50 000 kg，對應的最高車速可達170 km/h，完全能夠滿足商用車的測試需求，而且具有最大為6 t的液壓加載裝置，能夠給商用車一個主動的下壓力，如圖4所示，防止車輛出現打滑現象。

圖4 商用車專用液壓加載裝置 Fig.4 Special hydraulic loading device for commercial vehicles

3） 整車熱害性能試驗。整車熱害性能試驗主要通過熱路面模擬系統及邊界層抽吸系統來完成。熱路面模擬系統可以模擬除高溫空氣外，高溫路面帶來的額外熱輻射，真實還原高溫路面給車底零部件，如排氣系統帶來的熱害挑戰。調查研究表明，當環境溫度相同時，不同材質的路面，所呈現的地表溫度完全不同（見表2）。以柏油路面、水泥路面和泥沙路面為例，當環境溫度為40 ℃時，路面的溫度相差非常大。通過模擬計算得出，柏油路面工況下，發動機艙內最高溫度較不考慮路面熱輻射的情況高約7.3 ℃，水泥路面工況下，發動機艙內最高溫度較不考慮路面熱輻射的情況高約4.9 ℃，而泥沙路面工況下，發動機艙內溫度較不考慮路面輻射變化不大。在考慮柏油路面熱輻射的情況下，油底殼的表面溫度分布要比不考慮路面輻射的情況下普遍要高一些，最高溫度要高約5.8 ℃[21]。由此可見，熱路面模擬系統對整車熱害性能相關的測試試驗是非常必要的，中汽中心汽車環境風洞的熱路面模擬系統能夠模擬20～80 ℃的熱路面。

表2 不同路面所呈現的特性 Tab.2 Characteristics of different road surfaces

邊界層抽吸系統：風洞邊界層厚度可以通過邊界層抽吸系統大大減少[22-23]，在某些特定速度甚至可以接近消除，最惡劣工況下邊界層厚度也可以減少至4 mm。車底流場與實際流場非常接近[24]。

通過環境風洞的溫度模擬和熱路面模擬功能，可以真實地模擬汽車行駛在高溫環境道路上的工況。如圖5所示，通過溫度傳感器監控重點零部件溫度，通過熱成像儀監控整個車底溫度場，考察整車熱害情況，重點考察動力系統及其相關附件的熱害情況，是否存在零部件過熱失效的風險。

圖5 熱成像儀下車底溫度場 Fig.5 Temperature field under the car under the thermal imaging camera

2.2.3 極限工況或氣候性能試驗

1） 極限高速性能試驗。中汽中心環境風洞的設計最高車速和風速可達250 km/h，這種車速在整車模擬環境倉或道路試驗場是很難實現的。因此，汽車極限高速性能試驗一般都在環境風洞中進行[25-28]。

2） 雨吸收性能試驗。模擬車輛在降雨條件下，在不同的車速、風速、雨量下，通過無線攝像頭的記錄對比試驗前后汽車發動機艙濺水和積水情況，稱量并記錄空氣濾清器的濾芯在試驗前后的質量變化，判定車輛機艙及進氣系統是否會進水導致發動機及車輛故障，無法正常工作。

3） 雨刮性能試驗。模擬車輛在降雨條件下，在不同的車速、風速、雨量下，通過高速攝像機記錄以及試驗人員標記，計算雨刷的掛刷頻率與刮刷面積，判定雨刷對擋風玻璃的清潔能力及其噴頭的噴霧性能，并確保雨刷的抬升能力。

4） 污染物飛濺試驗。模擬車輛在積水、泥濘道路上行駛時，在不同的車速和風速條件下，通過記錄對比車身、后視鏡、前大燈、制動尾燈和車門把手等位置是否存在污染物，判定其是否能夠滿足相關車輛舒適性和安全性標準的要求。

5） 雪吸收試驗。模擬車輛在降雪條件下，在不同的車速、風速和雪量大小下，通過觀察空濾中的積雪是否影響發動機的進氣量，導致發動機功率下降；積雪是否在機艙前端會出現聚集或結冰現象，降低散熱器、油冷器等散熱模塊的散熱效果，進而導致水溫、油溫過高而限制發動機扭矩，判定其是否能夠滿足相關車輛在雪天行駛要求。

6） 靜態除雪試驗。模擬車輛在降雪條件下，通過落雪設備模擬車輛在暴雪環境中停車狀態。在落雪達到規定雪量時啟動車輛，考察車輛在該狀態下的啟動及行駛性能。通過觀察車輛能否正常啟動行駛，除雪性能，以及低溫易損零部件的工作情況等，來判定汽車的除冰能力及車輛零部件的低溫抗雪能力是否能夠滿足汽車相關性能試驗標準的要求。

2.2.4 氫燃料電池汽車性能試驗

氫氣被認為是宇宙中最豐富的清潔能源，現階段世界各地已經開始利用氫能源作為車輛的燃料。然而氫氣在空氣中的體積分數在4.0%～75.6%之間時，遇火源就會爆炸。因此氫燃料電池汽車的試驗需要完備的氫氣檢測設備、排放設備以及應急處理方案。中汽中心汽車環境風洞配備氫氣傳感器系統、防爆尾排系統、新風系統、換氣系統等來確保試驗的安全運行[29-30]。

氫氣傳感器：在試驗段頂部、車輛周圍、底盤下、乘員艙、前機艙、排水口/排氣口布置各種型號、不同的限值要求的氫氣傳感器。表3為各個位置氫氣傳感器的限值要求。當風洞本身傳感器檢測到氫氣體積分數達到4×10–3為一級警報，此時，環境風洞會發出聲音報警；當檢測到氫氣體積分數達到1×10–2為二級警報，此時，環境風洞會發出聲音和燈光報警，并停止設備運行，開啟掃風系統，關閉人員進入門，防止人員進入。

表3 各個位置氫氣傳感器限值要求 Tab.3 Hydrogen sensor limit requirements at various locations

新風和尾排系統：采用6 kg/s的最大新風量參與環境風洞內的換氣，并且尾排風機采用防火花結構，避免產生火花導致爆炸情況的發生。

換氣系統：環境風洞配備5個換氣口，當氫氣體積分數達到報警限值時，能夠立刻換氣，并且在10 min內把環境風洞內所有的空氣進行置換。

3 結語

簡述了汽車環境風洞的基本構成，著重講述了環境風洞的測試能力，包括試驗車型、試驗項目及與其相匹配的試驗設備，并且簡述了降雨試驗和降雪試驗的試驗方法。目前國內許多車企及檢測機構已經擁有環境風洞實驗室，但是對于環境風洞的試驗應用技術研究還不是很深入，未來應該基于環境風洞的能力開發出與其相匹配的試驗方法，制定相應的試驗標準，建立環境風洞實驗室統一的試驗評價體系，更好地為車輛開發設計、性能測試提供平臺。