車輛試驗用環境艙迎面風速優化研究

運偉國 佘高翔 葉連生 李曉鵬

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

關鍵詞：環境艙;流場;迎面風;格柵

中圖分類號：U467.1+9 ? ? ?文獻標識碼：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重要試驗項目[1]。根據試驗設備的類型，汽車熱平衡試驗方法分為：道路法[2]、環境風洞法、環境艙法。其中道路法受天氣影響和道路環境影響較大，無法達到熱平衡條件;環境風洞法對風洞硬件要求高，設計復雜[3]，試驗成本非常高，國內環境風洞試驗試驗資源數量不多;而環境艙法試驗資源眾多，各大主機廠都具備此試驗能力，此種方法已成為熱平衡試驗的主要手段。

環境艙進行熱平衡試驗主要使用環境艙、底盤測功機、風機三個設備[4]，如圖1所示。底盤測功機用于模擬車輛道路負荷，環境艙用于提供整車高低溫環境，風機用于模擬車輛迎面風，迎面風速控制點位于出風口處，試驗時設定出風口風速等于底盤測功機車速，如圖2所示。環境風洞阻塞比小，流場較規則 [5-6]，而環境艙沒有進行專業的流場設計，風機出風口尺寸較小，小于試驗車投影面積，導致流場阻塞比大，帶載試驗條件下環境艙內流場紊流情況嚴重，格柵進氣量不足，格柵處風速低于自然流場的風速。

如果格柵處風速偏低，會嚴重影響散熱系統散熱能力[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]，滿負荷條件下發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，當進氣風速過低，會導致散熱器出氣溫度過高，從而使得散熱器內部水溫變高，最終導致熱平衡試驗失真[9]。

為提高熱平衡試驗的精度，解決環境艙內流場不規則引起的試驗車格柵處風速過低的問題，在不增加設備改造成本的條件下，有必要研究如何優化環境艙迎面風速，從而糾正車輛格柵處風速的偏差。因重型車尺寸龐大，迎風面積大，相比輕型車，對環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境艙作為研究對象。通過試驗方法，獲得環境艙流場和自然流場條件下，格柵處風速與迎面風速關系曲線，通過方程求解，找出當兩種流場格柵處風速相等條件下，環境艙流場迎面風速與自然流場迎面風速關系，以此作為環境艙迎面風速優化的依據。最后再次進行試驗驗證，分析優化前后，熱平衡試驗結果的差異。

1 ? ?兩種流場格柵處風速數據獲取

1.1 ? 風速傳感器安裝

首先需要在車輛格柵進風處安裝風速傳感器，為了獲得高精度、穩定連續的風速數據，選用光柵編碼葉輪式風速傳感器，傳感器參數見表1。格柵上層、中層左側、中層右側、下層左側、下層右側共5個測點，風速傳感器安裝務必牢固，詳見圖3。

1.2 ? 兩種流場試驗

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

環境艙流場格柵處風速數據在環境艙內試驗中獲得，底盤測功機和環境艙參數詳見表1，將車輛固定在底盤測功機上，如圖4所示，面風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，環境艙迎面風速與道路試驗迎面風速一致;

（2）因車輛散熱器背面配有風扇，風扇轉速與發動機轉速相關，風扇會影響格柵進氣口風速，故環境艙內試驗車輛擋位也應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，故環境艙內試驗溫度和濕度應與道路試驗一致，本次試驗溫度為22℃，濕度71%。

1.3 ? 試驗數據處理

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

2 ? ?迎面風速優化

2.1 ? 格柵處風速曲線擬合

求出兩種流場格柵處風速與迎面風速的數學方程后，才能以格柵處風速為關聯對象，對迎面風速進行優化。為方便計算，首先需要將格柵處風速與迎面風速關系曲線進行擬合，求出曲線方程。如果流場是層流，理論上格柵處風速與迎面風速是線性關系，但是環境艙內流場紊流嚴重，綜合考慮擬合誤差、曲線走勢和計算復雜程度，選擇二次曲線進行擬合。以下層右側測點為例，環境艙流場擬合結果見圖8，自然流場擬合結果見圖9。由圖可以看出，自然流場擬合曲線二次項系數小，線性度比環境艙流場好。

2.2 ? 迎面風速求解

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，當自然流場迎面風速為10m/s時，求出下層右側格柵處風速為12.3m/s，再利用環境艙流場擬合方程，求解得到環境艙迎面風速為16.2m/s。自然流場迎面風從2.5～10m/s，每隔2.5m/s求解一個數值，最后各測點求解結果匯總見表2，最左側一列為自然流場迎面風速即車速，第2～6列為各測點對應的環境艙迎面風速，第7列為均值。

優化后各測點環境艙迎面風速均值與車速比值見圖11，比值最高達1.53，與優化前差異很大。

3 ? ?優化前后試驗比對

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

4 ? ?結論

通過試驗手段，對比分析自然流場、環境艙流場車輛格柵處風速數據，對環境艙迎面風速進行優化，得到如下結論：

（1）與自然流場相比，環境艙內流場不規則，車輛格柵處風速顯著偏低，會影響熱平衡試驗結果準確性，十分有必要對環境艙迎面風速進行優化調整，從而修正格柵處風速偏差。

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

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

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

參考文獻：

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專家推薦語

李 ?崢

東風汽車集團有限公司技術中心

整車部總師 ?研究員級高級工程師

論文原理描述和試驗結果分析思路清晰，在產品開發中的實用價值較高，值得推廣應用。

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