汽車環境風洞的設計優化研究

吳陽陽

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

主題詞：汽車環境風洞 半機械化物理式風洞 水平抽吸系統 流場指標

1 前言

隨著汽車技術的快速發展，在汽車研發和測試工作中，降低成本以及提高試驗精確度成為重要任務之一。

在整車開發過程中，風洞試驗具有重要意義，而環境風洞作為可進行綜合性能測試的試驗平臺，能夠模擬真實的自然環境。環境風洞的空氣流場均勻，且最接近真實的空氣流動，溫度控制穩定、均勻，設備精度高。因此，與傳統風洞相比，環境風洞的試驗結果可以更好地還原車輛在真實自然條件下的性能表現，并且環境風洞還可以進行降雨、降雪這類特殊試驗，能夠更全面地模擬自然環境，對于汽車開發及優化過程起到重要的數據支持作用[1]。

近年來，我國汽車制造業對于汽車環境風洞的需求量逐步增加。但是，目前國內的汽車環境風洞仍舊存在設計上的不足，缺乏技術儲備以及改進經驗。因此，研究汽車環境風洞的設計優化方向非常重要。

為了更好地研究汽車環境風洞中各參數對于試驗精度的影響，本文通過對比分析的方法，依據國內外汽車環境風洞的研究成果做出進一步探討，從而得到汽車環境風洞設計優化方向的思路。通過合理地優化汽車環境風洞，可以更好地模擬外部自然環境，以期有效提高試驗精度。

2 汽車環境風洞概述

汽車風洞主要分為3 種：模型風洞、實車風洞、環境風洞。其中，汽車環境風洞就是在一個密閉的風洞系統內，通過人工控制試驗段環境條件來測試汽車設計的合理性，并及時根據試驗結果來進行汽車的設計優化[2]。

在試驗過程中，環境風洞不同部件相互配合，為整車設計提供了足夠精確的試驗數據，測試結果要符合汽車設計中空氣動力學和熱力學的要求和標準。如何做到更加精準地控制試驗條件，以及更加真實地模擬自然環境工況，會直接影響試驗結果和汽車從研發到量產的合格率，對于汽車環境風洞的研究具有重要意義。

2.1 汽車環境風洞的分類和組成

汽車環境風洞主要組成系統包括：主風機、底盤測功機、制冷系統、雨雪模擬系統、空氣流道和控制系統。這些系統可以用來模擬大風、雨雪、寒冷、炎熱的極端氣候環境，以此測試汽車的耐用性[3-5]。

風洞按照試驗段風速來區分常用的有2大類。其中，風速低于140 m/s 的風洞稱為常規風洞。馬赫數（Ma）是風速與音速的比值，是風洞的重要參數之一。

Ma≤0.4 的風洞是低速風洞，可用于低速空氣流動狀態下的基礎研究；

0.4＜Ma≤4.5 的風洞是高速風洞，風速在140 m/s以上[6]。

早期的汽車風洞由航空風洞改造形成，因此結構形式類似，一般分為臥式和立式。

其中，立式風洞和臥式風洞主要應用于汽車環境風洞中。立式風洞如圖1所示，可以很好的節約試驗占地空間；臥式風洞如圖2所示，可以更加便捷地實現各試驗段的試驗流程。

圖1 汽車環境風洞（立式）示意[1]

圖2 汽車環境風洞（臥式）示意[2]

無論是立式還是臥式，通風管通常情況下采用矩形截面，其目的是為了提供更大的通風面積。在設計過程中，應嚴格根據阻力損失、流場、溫度場和濕度場的要求來進行設計，在保證各試驗場正常的前提下，努力減小總阻力的損失和能耗[6-10]。

汽車環境風洞在汽車設計過程中有十分重要的作用，可以進行多重試驗，不僅要模擬自然氣候環境以及道路情況，還要時刻監測發動機的各項性能，具有多重響應系統，通常包括：

（1）空氣濕度、溫度保證系統：該系統主要用以控制模擬自然環境的溫度和濕度；

（2）車輛風速模擬系統：主要用以控制試驗環境的風速，進而模擬車輛迎風面的風速和汽車怠速狀態；

（3）太陽輻射模擬系統：用來模擬太陽光照強度和角度；

（4）發動機廢氣排放系統：用來抽取試驗環境中汽車排放出來的發動機廢氣，滿足汽車發動機工作背壓狀態；

（5）道路阻力模擬系統：用來模擬上下坡、加減擋和路面阻力；

（6）計算機控制系統：用來對試驗環境中各試驗設備加以控制；

（7）新風系統：為汽車的發動機運轉不斷增加新鮮空氣，以確保發動機的平穩運行狀態；

（8）安全監控及報警系統：對試驗環境異樣進行監測和自動報警，包括有毒有害氣體的產生、試驗設備的突發故障等，以便及時發現和處理；

（9）數據采集和處理系統：收集試驗參數，處理試驗結果，生成報告信息；

（10）其余環境模擬裝置：包括制冷系統、雨雪模擬系統等，用來模擬雨雪、風沙和振動試驗環境[7]。

2.2 汽車環境風洞的主要性能指標與分析

汽車環境風洞在運行過程中，不同工段有著各自的性能評價指標，即流場、熱參數模擬和能耗。

流場指標取決于風道結構、邊界層控制系統、整流裝置。用以評價阻塞效應、改善空氣流動的穩定性以及邊界層厚度。熱參數模擬受冷熱機組設計、控制系統以及運行方案的影響，用以調控溫濕度模擬范圍以及控溫速度。能耗指標主要與設備選型和運行方案有關，直接關聯到建設和運行成本[7-9]。

因此，為了提高試驗精度，可以從優化汽車環境風洞的性能指標入手，通過改進風道結構，獲得合適的阻塞比以及相對穩定的測試氣流。

環境風洞又稱邊界層風洞，是模擬大氣邊界層流動的低速風洞，所以在環境風洞試驗中，由邊界層引起的試驗誤差需要關注。由于試驗段可能存在洞壁厚度過大或者洞壁表面過于粗糙的干擾，導致阻塞比過大，會極大地影響流場指標，進而造成較大的試驗誤差，因此通過適當的手段來優化洞壁設計很有必要。風洞阻塞比是汽車模型的正投影面積和風洞噴口面積的比值，理論上風洞阻塞比越小越好，但是由于壁厚影響，通常控制在10%左右。如果需要得到標準的氣動阻力系數，需要適量地進行阻塞修正，以得到氣動阻力系數的絕對值[8]。同樣會造成邊界層誤差的還有地板邊界層厚度，對于汽車環境風洞的設計優化而言，找到邊界層的消減規律和方法非常有必要。

3 國外研究進程

風洞試驗最早應用于航空航天領域，隨著對風洞的深入研究，為了提高汽車的空氣動力學性能，風洞試驗逐漸應用于汽車制造領域，并且伴隨著汽車行業對試驗精度要求的提高，在汽車環境風洞的設計以及對風洞內部各組件優化方面也在不斷探索更好的研究方法[6-10]。

文獻[3]中，澳大利亞新南威爾士大學空氣動力學實驗室負責人Flynn帶領團隊利用簡化模型對汽車環境風洞內部的屋頂通風機來進行研究。

在環境風洞雨水試驗段內，由于內部干擾氣體（如汽車發動機尾氣），會對雨水試驗造成影響，需要徑向抽出干擾氣體，但由于旋轉通風機頭與管道之間存在間隙，水進入到間隙就會影響到通風機的壽命從而過早失效，嚴重影響流場性能和試驗精度。為此，Flynn等[3]設計出簡化模型，來進行屋頂通風機性能檢驗。通過使用膠合板來支撐通風機，在管道下面設計了漏斗以收集進入屋頂通風機的水。為了更加真實地模擬試驗和增加可視化程度，分別使用鋁風機和塑料風機進行試驗。對比漏斗在直接水流測試和水霧測試下的雨水收集率，而后在雨室中測試了直徑分別為10 mm、3 mm 和1 mm 的3 個空速管在濕潤條件下的防雨性能，并與干燥條件進行了對比分析，如圖3所示。得到結論：有空速管的試驗組可以明顯抑制雨水進入，而且跟空速管的皮托直徑有關，直徑越大，阻雨效果越好[3]。該試驗的設計為風洞內屋頂通風機改進提供了幫助，通過安裝合適的空速管來抑制雨進入風機間隙很有效。通過該文獻得知利用簡化模型來設置對照組試驗，不僅可以降低試驗的成本，還能更加清晰直觀地探索最優方案。但是簡化模型法仍舊存在樣本容量的局限性，而且耗時耗力，因此需要不斷探索更好的優化方法。

在線學習資源并不能滿足所有學生的需求，課程體系不夠完善，對于課程開發不足，有很多環節還不能用多媒體直觀的展示給學生，學生對于知識的理解還是有一定難度。

圖3 不同皮托管徑在干、濕條件下的壓力對比[3]

利用計算機模擬仿真的手段來設計較為完善的環境風洞系統并對其進行優化，可以極大程度減少人力、物力開支，為環境風洞內各參數的優化以及子系統的設計提供捷徑。

Ghani 等[4]采用流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）模擬仿真的方法，就緊湊型閉環全尺寸汽車環境風洞展開研究。設計出一套長9.5 m，高9.5 m，寬3 m 的緊湊型閉環全尺寸汽車環境風洞，如圖4所示。采用專門設計的板條屏模擬風速廓線，更加真實地模擬出大氣邊界層。采用k-ε湍流模型，通過兩相耦合模擬求解法優化風道設計，顯著降低了空氣壓力損失。用第二相球形水顆粒模擬水滴，通過CFD對降雨軌跡進行預測，并對風洞內地面水負載進行優化。

圖4 緊湊型閉環全尺寸汽車環境風洞[4]

文獻[4]所設計的風洞用于研究雨水進入汽車內部的情況、車速、路況、熱負荷和車輛外形之間的關系，還可用于研究車輛熱管理、車輛舒適性、發動機冷起動和嚴寒天氣下的雨刷效率。該環境風洞的設計及其優化方法，為環境風洞試驗精確度的提高給予了參考。但是由于純粹的計算機模擬太過于理想化，而實際駕乘環境中需要考慮多重因素的影響，比如氣溫變化速率、降雨量和降雨軌跡關系的不確定性。因此，計算機模擬風洞設計仍舊存在不確定的誤差，需要結合實際對環境的多變因素進行綜合分析。

隨著科技水平不斷提升，單純的模擬仿真會由于模擬結果太過理想而與實際有所誤差。2021年，Yuan等[11]提出了一種新型的半機械化物理式風洞（Cyborg-Physical Wind Tunnel,CPWT）設計平臺。

該平臺可以將傳統的物理風洞與優化算法相結合從而精確、快速地導出大量物理數據，并能夠對所收集的數據進行評估和預測。CPWT由120個動態升降單元組成，配有傳感器、Arduino 和伺服電機，用于捕捉風洞試驗測得數據，并產生實時響應。試驗中結合人工神經網絡對迎風面積指數和振蕩指數數據進行模擬，用于形態學生成。試驗結果表明，均方誤差能夠快速穩定在[-0.02783, 0.02892]和[-2.324,2.845]的范圍內，具有較好的可預測性和較低的數據誤差。所以，CPWT 是設計初期基于高速風洞性能的建筑形態推斷和預測的有效工具。

文獻[11]基于前人對CPWT 的研究，提出了基于網格的形式演繹系統，將物理平臺、傳感器系統、視覺系統以及機械傳動裝置的設計相結合，來進行參數設置和神經網絡算法的優化。通過實時感知系統和120單元柵格提升機構，以迎風面積指數和振蕩指數為重點，進行機器學習訓練和形態試驗。利用人工神經網絡和列文伯格-馬夸爾特（Levenberg-Marguardt，LM）算法計算并導出迎風面積指數和高度交錯指數。

在本研究中的CPWT 主要應用于建筑物防風性能的研究上，通過作者的展望發現，其實CPWT 未來還可以對多環境因素進行研究，如具有聲、光、熱特征的全天候環境。同時也能夠為研究汽車環境風洞產生啟發，傳統的風洞和CFD工具在迭代計算的過程中耗時耗力，而且樣本數量有限，因此有了這種半機械化物理式風洞，可以極大提高效率以及增大風洞試驗數據精確度。

通過國外相關的研究進程可以發現，伴隨著技術要求和試驗水平的提高，對于汽車環境風洞的設計優化方法實現了從簡化試驗到數值模擬的過渡。這不僅簡化了繁瑣的對照組試驗的設置，還可以縮短設計周期，降低成本。但是，由于模擬近乎理想狀態，很難將實際誤差考慮周全，因此通過純粹的模擬仿真來達到實際精度要求，仍然有較大誤差。為了更好地提高實際試驗精度，未來將會從設計優化的方法入手，更加注重降低誤差。因此，采用基于物理風洞和優化算法的半機械化物理式風洞的設計理念，并進行不斷優化升級，以有效提高精度。

4 國內研究進程

2015年，湖南大學的楊易[12]等對湖南大學的HD-2風洞的抽吸系統進行了參數優化，以改善抽吸效果，提高試驗精確度。通過對所建立的抽吸系統Kriging近似模型進行多目標優化分析，獲得優化后的風洞抽吸系統各參數為：開孔面積s=0.255 4 m2，多孔介質的厚度H=4.406 mm，抽吸速度v=1.874 m·s-1，附面層厚度δ=14.03 mm，氣流偏角θ=0.032 6°。并將優化后的風洞阻力系數與精確度較高的斯圖加特大學的IVK風洞進行對比，證明了優化效果可靠。

然后從風洞附面層厚度、汽車模型尾部結構和外部壓力3個方面探討影響流場變化的物理因素：

（1）隨著地面附面層厚度的減小，模型底部空氣流速增大；

（2）隨著車尾負壓區的增大，風阻增大；

（3）隨著汽車模型前端底部負壓區以及行李艙蓋上方正壓區的增大，減小了升力[12]。

通過對比仿真分析再次證實了優化效果顯著增加，并進一步證明數值優化法在汽車風洞設計中的可靠性。

該項研究可以給汽車環境風洞中風洞試驗段的設計提供幫助，而且通過該風洞的抽吸系統數值優化法，從理論上證明了利用計算機來代替人工算法的可行性，不僅可以節約成本和資源，還能明顯縮短研發周期。

梁媛媛[13]在阻塞效應修正方法的基礎上，通過總結發現，使用大面積的噴口能降低阻塞效應，但需要考慮氣流噪音和初始投資。由于以前學者們的研究主要集中在風洞的試驗段，缺乏對汽車環境風洞整體流場、風道阻力分析以及怠速流場的研究，所以梁媛媛[13]分析了湍流模型和邊界條件對非怠速下風洞流場的影響，并在上海某環境風洞的設計基礎上，對汽車環境風洞的邊界層水平抽吸系統進行了研究，如圖5。最終發現，將試驗段地板的速度邊界層厚度控制在100 mm 以內，將邊界層位移厚度嚴格控制在14.8 mm 以內，可以顯著優化抽吸率，進而提高汽車環境風洞的試驗精度。并且通過將試驗段寬度從9.5 m 減小為7.5 m，發現減小試驗段寬度會影響汽車怠速試驗精度[13]。文獻[13]對汽車環境風洞流場進行了歸納總結，并通過試驗模擬分析，得到汽車環境風洞水平抽吸系統的邊界層控制范圍和試驗段優化方向。

圖5 上海某環境風洞[13]

環境風洞在進行汽車氣動性試驗時，需要滿足以下準則：足夠的均勻流場、小于1.5×106的雷諾數、低紊流度、較小的地板邊界層厚度以及盡量避免洞壁干擾和支架干擾。因此，對于消減邊界層干擾的研究尤為重要，不僅可以減小試驗干擾誤差、提高測試精確度，而且還可以根據地板邊界層消減規律，設計出滿足要求的風洞地板[14-18]。

2017年，陸新林等[19]對汽車環境風洞邊界層進行了數值模擬研究。由于實際路況不存在地板邊界層，而在風洞試驗段的固定地板上會產生邊界層，從而影響模擬的準確性，因此該團隊對邊界層的產生規律展開研究。

選取某環境風洞模型，利用STAR-CCM軟件進行建模計算，采用分離變量法的隱式求解，分別研究了水平開口抽吸法對邊界層厚度的影響和對試驗段靜壓梯度的影響。

最終得出結論：隨著水平抽吸強度增大，地板位移邊界層厚度逐漸減薄，并且越靠近抽吸口減薄效果越明顯。隨著水平抽吸強度增大，試驗段射流靜壓力略有降低，而靜壓梯度基本不變[19]。文獻[19]為后續探索風洞試驗誤差影響因素以及升級風洞試驗段地板構造提供思路。

為了對比分析環境風洞模擬試驗與實際道路試驗的結論誤差，用以驗證汽車環境風洞在模擬極端天氣時所得到的試驗結果是否準確，2021年長安大學的徐婷等[20]針對極端環境下的環境風洞試驗進行研究。該團隊選取了典型的高溫山區路段進行實際路試，通過設計實際路試與環境風洞的對標試驗。

采取短行程分析法構建相對應的工況，分別擬合出汽車的低速、高速和不穩定運行3種運行工況，采用標準化均方誤差的方法進行對標分析，發現除了高溫環境，頻繁加減速也會增加熱管理系統的溫度，從而影響汽車動力性、經濟性以及車輛自身壽命。由于真實行駛環境工況多變，所以使得對極端環境下的測試研究變得非常有意義。

文獻[20]通過對標分析的手段，發現真實極端環境與環境風洞模擬的相同條件試驗結果基本擬合，進而證明了利用環境風洞來進行汽車極端環境測試是可行的。

上述國內文獻中，對于汽車環境風洞的誤差分析主要基于邊界層控制范圍對水平抽吸系統的影響，而邊界層又是影響流場指標的重要因素之一，因此值得關注。可以通過優化開孔面積、多孔介質的厚度、抽吸速度、附面層厚度、氣流偏角的方法，來實現水平抽吸系統的優化。地板邊界層厚度與邊界層位移影響非怠速下風洞流場，適當減小試驗段寬度會提高怠速試驗精度，從而更好地達到水平抽吸效果，以提高試驗精度。為了消減邊界層干擾，可適當增大風洞試驗段水平抽吸強度、減小試驗車輛與風機抽吸口的距離。通過文獻[20]得知，在進行道路實際路試和環境風洞模擬試驗的對標分析中，雖然結果基本吻合，但仍舊存在誤差，所以這就更加肯定了國外研究中的半機械化式物理風洞光明的應用前景。

5 結束語

通過對汽車環境風洞相關文獻進行綜述，結果表明，雖然汽車環境風洞相比于僅供汽車氣動性能研究的傳統風洞而言，可以做更加貼近真實環境的綜合模擬試驗，但同時帶來很多其它影響因素，亟待進一步研究和改進，如雨雪模擬試驗段的路面影響、冰霜影響、環境風洞各試驗段設備間隙影響、風洞內地板邊界層影響和極端環境下不同時段的不確定性影響。

本文通過文獻綜述，對影響流場指標的因素進行探討，分析了水平抽吸系統的優化方向以及邊界層的消減規律，得到了一些試驗誤差的產生規律，并給出了相應的改進措施。從國外風洞研究方法的革新中獲得啟發，從而改變傳統的優化研究思路，以便更好地改進汽車環境風洞模擬系統。研究表明，擁有足夠精確和完善的汽車環境風洞模擬系統，才能有效提高汽車環境風洞各試驗段的性能以及與真實環境工況的擬合度，充分發揮汽車環境風洞試驗相比于傳統性能檢測試驗的經濟性、便捷性、高效性和可靠性優勢。