廣汽氣動、聲學及熱力學汽車風洞工藝布局

劉 政，楊 輝，郭西全，李舒雅，黃憲波

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

工藝布局是工業廠房建設十分重要的一環，直接關系到基本功能、工作效率的實現。不論是汽車總裝車間[1]，還是焊裝車間[2]或者裝載機產品線[3]等，均對工藝布局開展了不同程度的分析與優化。風洞試驗室作為一類特殊的工業廠房，其工藝布局對其預期功能及提高工作效率具有非常重要的意義，因而受到風洞建設者的高度關注，并往往會在風洞建設初期就投入大量的人力物力對其進行研究。汽車風洞試驗室，尤其是全尺寸的大型汽車風洞試驗室，具有投資大、系統復雜、技術難度高的特征。因此，大型風洞在規劃建設時都會對其工藝布局進行詳細研究，如歐洲跨聲速風洞(ETW)在建設前就成立了專門的工作組，并聘請專業的咨詢機構對風洞工藝布局進行了詳細的研究[4]。CARDC(中國空氣動力研究與發展中心)在科研新區建設的0.6 m暫沖式風洞也對風洞的工藝布局進行了分析與探討[5]。

風洞按試驗段的氣流速度可分為低速風洞、亞聲速風洞、跨聲速風洞、超聲速風洞、高超聲速風洞和超高速風洞。亞聲速風洞、跨聲速風洞、超聲速風洞、高超聲速和超高速風洞主要用于航空航天領域，國外比較有代表性的有美國NASA的風洞群、歐洲聯合的ETW、法國ONERA的SIMA以及荷蘭的NLR等[6-9]，國內比較有代表性的有CARDC的FL-24、FL-26、FL-28，CARIA的FL-2、FL-3以及CAAA的FD-12[10-13]。汽車風洞試驗段的風速一般都低于100 m/s，屬于低速風洞。汽車風洞按大小可分為模型風險和實車風洞，模型風洞主要進行汽車比例模型風洞試驗，實車風洞主要用于實車或1∶1模型風洞試驗。

汽車風洞按功能可分為環境風洞、聲學風洞和氣動力風洞。全天候風洞主要用于模擬車輛行駛的各種實際氣候環境，如下雨、結冰、風力等。聲學風洞用于測量汽車行駛時產生的氣動噪聲，氣動風洞用于測量汽車行駛時產生的氣動六分力。目前主流風洞的形式主要為2種：一是氣動-聲學二合一風洞，二是環境風洞。比較知名的有國外的戴姆勒奔馳的氣動聲學風洞[14]、奧迪的氣動聲學風洞[15]、FKFS的氣動聲學風洞[16]，以及國內的上海同濟大學的氣動聲學風洞與環境風洞[17]、重慶CAERI的氣動聲學風洞與環境風洞[18]、天津CATARC的氣動聲學風洞與環境風洞[19]。

汽車風洞按構造及布局形式可分為直流開式、直流閉式、回流開式、回流閉式。隨著風洞技術的不斷發展，常規低速風洞的基本形式已趨于統一，主要包括直流式和單回流式2種，單回流式通常直接被稱為回流式風洞。直流式風洞具有造價便宜、便于做帶內燃機或用煙進行流動顯示試驗的優點，但缺點是試驗段流場品質、背景噪聲容易受外界影響，且無法形成增壓運轉。與直流式風洞相比，回流式風洞能很好地克服上述缺點，試驗段的流場品質與背景噪聲基本不受外界的影響，且可實現增壓運行，但缺點是造價偏高[20-22]。

廣汽擬新建一座全新的三合一全尺寸汽車風洞，該風洞同時包含空氣動力學、風噪及熱力學三大功能，與傳統風洞具備相同點的同時又具有明顯的差異性。因此十分有必要對該風洞的工藝布局進行深入探討與研究，以便通過合理設計，使該風洞滿足各方面的要求，同時為后續同類試驗室的建設提供有效參考。

1 常見汽車風洞洞體布局

汽車風洞洞體按氣流方向依次主要由試驗段、第一擴散段、拐角1、拐角2、動力段、風機擴散段、拐角3、換熱段、拐角4、穩定段和收縮段組成(見圖1)。

圖1 常見汽車風洞洞體布局

試驗段是風洞洞體的核心部位，天平、移動測量架等重要設備都安裝在這里，試驗車輛的安裝及試驗的開展也在這里進行。第一擴散段通過增加流道橫截面積降低氣流速度，使氣流動能轉變為壓力能，從而減小能量損失。4個拐角承擔相似的功能，拐角通常均安裝有導流片，引導氣流在拐角處順利轉彎，降低能量損失。動力段是氣流動力的來源，主風機安裝在此處，風機的葉片經過嚴格的氣動設計。換熱段安裝有換熱器，氣流經過換熱器后充分換熱，達到預期的溫度范圍，滿足試驗需求。穩定段安裝有蜂窩器、阻尼網，氣流的湍流度及不均勻性在此處得到極大改善。收縮段橫截面面積不斷減小，收縮曲線經過合理設計，氣流經過收縮段被加速到試驗所需速度。

2 廣汽風洞概況

廣汽風洞位于廣汽研究院化龍研發基地，總投資約3.5億元，占地面積約4 500 m2，兩面分別與其他試驗室相鄰(見圖2)。整個風洞建筑分為兩部分：一部分為風洞流道，另一部分為輔助建筑，主要作為風洞試驗的功能區域，兩者在結構上相對獨立。

圖2 廣汽風洞位置示意圖

3 廣汽風洞洞體布局

廣汽風洞為空氣動力學、風噪及熱力學三合一風洞，對試驗段流場品質、背景噪聲有著極高的要求，因此風洞洞體布局形式及規模尺寸與國內外主流氣動聲學全尺寸汽車風洞類似，采用回流式布局(見圖3)。

圖3 廣汽風洞洞體布局

但由于廣汽風洞三合一的特殊屬性，其布局又具有與主流氣動聲學汽車風洞不同的鮮明特征，主要包括如下方面。

3.1 底盤測功機

為了模擬熱力學試驗中車輛在實際道路中的行駛工況，在天平下游布置了一套底盤測功機(見圖4)，為了減小底盤測功機對氣動及聲學試驗的影響，其設計有專門的蓋板，在不使用時可以將其覆蓋，達到與周圍地面完全平整的狀態。

圖4 底盤測功機布局

3.2 陽光模擬

為了模擬熱力學試驗中車輛在實際環境中的光照工況，在底盤測功機正上方布置了一套全光譜陽光模擬(見圖5中紅色框所示)。此外，為了減小其對氣動及聲學試驗的影響，該設備可以通過軌道運行至位于試驗段下游、擴散段正上方的存儲間(見圖5中綠色框所示)。

圖5 陽光模擬布局

3.3 新風及掃氣系統

為了滿足熱力學試驗中對空氣的特定要求，以及補充因車輛發動機燃燒而消耗的空氣，在拐角2上方(見圖6中紅色框所示)布置了一套新風機組，外界的空氣可通過拐角2上方開口補充至流道內部。同時為了避免因車輛在熱力學試驗過程中產生的尾氣等有害氣體聚集在流道內，布置有掃氣系統(見圖6中綠色框所示)，當氣體濃度超過一定范圍時，掃氣系統會自動開啟，與新風系統協同工作，將有害氣體排出室外。

圖6 新風及掃氣系統布局

3.4 蒸汽格柵

為了滿足熱力學試驗中部分工況高濕的要求，在風機擴散段及拐角3之間布置了一套蒸汽格柵(見圖7)，鍋爐蒸汽通過管道運送至此，通過格柵上的小孔噴灑至流道的氣流中，與空氣混合后形成具有一定含濕量的氣流。

圖7 蒸汽格柵布局

3.5 主換熱器

主流的氣動聲學汽車風洞也有主換熱器(見圖8)，但通常只能滿足常溫試驗。廣汽風洞主換熱器溫度調節范圍為20～60 ℃，可滿足一定的熱力學試驗需求。

圖8 主換熱器布局

風洞洞體的核心功能是作為氣流循環流動的載體，為試驗段車輛提供理想的流場環境，洞體中雖布置有部分設備，但僅僅是風洞設備的一小部分，絕大部分設備的布置是圍繞于洞體卻又布置在它以外的，且需同步考慮試驗整備以及配套設施等情況。因此，一個完整的風洞布局方案除洞體外，還包括其他眾多功能性區域，最終形成完整的風洞布局方案。

4 廣汽風洞功能區布局

如上文所述，風洞流道工藝布局只是整個風洞布局的一部分，為了滿足風洞的最終運營需求，還需要圍繞風洞洞體布置一系列功能性區域。因此，基于廣汽風洞流道布局的基本情況、現場地形的基本條件及當地建筑法規的相關要求，以滿足風洞功能為核心，形成了廣汽風洞初版整體布局方案，整體為3層結構，風洞洞體貫穿其中，圍繞洞體完成其余功能區域的規劃布局，其中負一層和一層主要用于設備安裝、車輛整備與試驗運行，二層為輔助功能區，包括辦公區、會議室等。

4.1 負一層布局方案

負一層以設備為主，風洞主要大型非標設備，包括天平、底盤測功機、主風機、制冷機組、鍋爐、設備電柜、抽吸系統、尾排系統等均布置在此(見圖9)。同時對天平及主風機分別設計有針對性的隔振系統，天平隔振系統主要防止外界振動對其產生干擾，主風機隔振系統則主要防止其振動傳遞至外界。除此之外，在靠近汽車電梯側布置有車輛整備區，包含2臺舉升機，可滿足2臺車輛同時進行整備的需求。此外，為了使大型非標設備能順利進入地下室，在緊鄰主通道的一側設置有直通地下室的設備吊裝口，待大型設備進入地下室后盡興封閉，并為后續大型維保作預留。

圖9 負一層布局方案

4.2 一層布局方案

一層主要為輔助功能區，重點包括控制間、正投影室、洗車間、天平換帶間、PLC室及車輛整備區等，其中控制間的布局與其他風洞存在較大差異。通常，風洞的控制間均布置在洞體回路中央。但由于廣汽風洞存在地下室，控制間人員無法直通室外，人員逃生不便，不符合消防法規要求。因此將控制間布置于駐室另一側，同時由于該側空間受限，為了避免影響車輛通行，將控制間設置在標高為4.2 m的夾層(見圖10中虛線所示)，缺點是人員上下存在不便。此為采用地下室布局帶來的弊端，如沒有地下室，則駐室、控制間均在二樓，控制間人員下樓即可直通室外，不存在無法滿足消防法規的問題。

圖10 一層布局方案

4.3 二層布局方案

二層布局相對簡單，主要包含油泥模型加工區、油泥模型停放區及辦公區(見圖11)。

圖11 二層布局方案

5 結語

風洞工藝布局是一個極其重要的課題，應綜合考慮各方面因素，才能確保其在滿足性能要求的同時又滿足使用需求，為工作的高效開展提供有力支撐。廣汽風洞為氣動-聲學-熱力學三合一全尺寸汽車風洞，與常規的氣動-聲學汽車風洞在布局上既有相同的地方，又有顯著的區別?，F有布局方案確保風洞性能的同時，功能性區域也得到了妥善規劃，但也存在一些不足，以下是幾點經驗總結。

5.1 地理位置

首選四周空曠、無其他建筑物遮擋的場地，且場地盡量規整，方便風洞整體布局以及設備的入場安裝。

5.2 總體布局原則

以風洞洞體以及設備為核心，在優先確保風洞性能實現的前提下進行其他輔助區域的布局。

5.3 占地面積

廣汽風洞占地面積4 500 m2，略顯局促，對于氣動-聲學全尺寸汽車風洞洞體而言，軸線尺寸建議不小于80 m×40 m，推薦尺寸為100 m×50 m，綜合考慮各功能區域布局，總占地面積應在6 000～8 000 m2為宜。

5.4 地下室

應盡量避免地下室的建設方案，尤其是在南方地區，主要原因如下。

1)土建施工成本高。

2)設備入場難，應預留吊裝口，設備入場前無法有效防水，后期大型維修設備難以運出。

3)防水效果難保證，地下室局部滲水現象經過多次處理仍存在。

4)地下室環境潮濕，不利于電氣設備的長期運營，應額外增設除濕機。

5)部分設備如壓縮空氣站，不論是新風需求還是排氣量都很大，應增設額外的通風排氣系統。

6)影響控制間布局，如無地下室，控制間可按常規做法布置于流道中央，方便周圍功能區域布局。