汽車環境風洞設計概述

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，環境風洞已經成為汽車開發過程中不可或缺的開發驗證手段。在整車開發過程中，利用實驗室進行空調及整車熱管理實驗是主要開發實驗手段。環境實驗室可以模擬自然環境下溫度、濕度、日照、雨雪等氣候條件，并且相比于道路實驗，環境實驗室的環境條件控制更加精確，實驗重復性更好。而相比于各類的環境實驗室，環境風洞最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，溫度控制穩定性、均勻性非常好，所有設備精度高。因此，環境風洞的實驗結果可以最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、降雪這類獨特的實驗，能夠模擬的自然環境更全面，對于汽車開發及優化過程起到重要的數據支持作用。

汽車環境風洞主要由空氣流道、主風機、底盤測功機、陽光模擬系統、制冷系統、雨雪模擬系統、控制系統等幾大主要系統組成。各個系統需互相配合才能達到優秀的性能指標。設計上需要對性能、成本、安全、維修性等多個方面進行綜合考慮，并且不同設備對整體空氣動力學及熱力學性能均會產生不同程度的影響，需要進行整體規劃及反復計算，設計難度較大。本文重點講述了中國汽車技術研究中心環境風洞空氣動力學與環境模擬系統的設計概念。

1 風洞整體布局

中汽中心環境風洞的整體布局俯視圖如圖1所示。該風洞為臥式風洞，整個風洞建在層高18 m的建筑內。風機位于轉角2下游，新風從風機上游進入流道，換熱器、蜂窩器位于轉角4與噴口之間的沉降倉內。雨雪模擬、陽關模擬、底盤測功機等設備則位于實驗段內，實驗車輛從可開啟的轉角1大門進入。環境風洞重要的技術參數見表1。

圖1 風洞整體布局圖Fig.1 Overall layout of CWT

表1 環境風洞技術參數Tab.1 Technical parameters of CWT

2 風道及空氣動力學設計

風道是一個由多個部分組成的風洞部件，目的是為測試車輛提供能夠滿足速度、流動品質、氣候條件要求的氣流。風道的不同部件有著不同的功能，風道的設計不能與其他系統的設計孤立開來。接下來簡要說明了風道各部分的空氣動力學特性，以及如何使風道不同部分配合整體環境風洞設計。

2.1 風道的設計

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）根據以往的類似風洞經驗進行設計。整體的幾何尺寸由 CFD計算進行確認，包括預計的軸向靜壓梯度。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流動。

2.1.2 邊界層消除系統

邊界層消除系統包括在噴口外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。在整個風速范圍內，1%～2%質量流量的風會被該系統抽走，并通過怠速風門回流到測試段。

2.1.3 擴散段

回風段的設計是為了將氣流高效地擴散。測試段、擴散段為可調節設計，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試時決定，必須滿足軸向靜壓梯度與脈動要求。風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。所有擴散段為全風速范圍內保守的設計尺寸，并且對其進行CFD校核。

2.1.4 轉角

中汽中心環境風洞提出了測試段的噪聲要求。此要求不是為實試驗需要，而是為了創造舒適的實驗工作環境。為了達到該目的，轉角1、2、3設計了降噪措施，轉角葉片中含有吸聲材料。其中轉角1設計為可旋轉開啟裝置，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。大的諧振腔位于轉角2上方，該諧振腔尺寸設計為管風琴管路模式。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 主風機

主風機是空氣流動的動力源。利用葉片數量、葉型以及轉速等方面的設計，可以滿足壓升和效率的要求。主風機為8片葉片，最大轉速為550 rad/min。為了滿足風速跟隨車速的要求，對風機的加減速性能也提出了很高的要求，要求能夠在30 s內完成0至滿負荷的加速，15 s內完成從滿負荷至靜止的減速。

2.2 空氣動力學設計

2.2.1 整流部件

中汽中心要求達到世界上汽車環境風洞最高水平的氣流品質。這不僅要求氣道的空氣動力學參數需要精心設計，其他可能影響氣流品質的部件也需要詳細設計。

測試段的氣流品質受流過收縮段的氣流質量、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量主要由沉降倉和收縮段的整流部件的設計和加工來決定。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。為了保證環境風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流系統，并配合手動可調閥門，這些閥門僅在風洞調試時進行調整。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計可以保證全風速下蜂窩器出口均能充分發展管流。在蜂窩器出口的剪切層會產生湍流，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是沉降倉不同部件組合產生的影響。其關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部件位置的仔細調整，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。3）由收縮段產生的靜壓扭曲。

收集口是達到軸向靜壓梯度指標的關鍵。收縮口尺寸設計目標為零軸向靜壓梯度，并且裝備了許多調整裝置，來調整靜壓分布。最重要的便是可調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兩個噴口的尺寸，并且收集口設計了一些可移動裝置，進行微小調整，收集口與擴散段的最終運行高度由調試時的結果來決定。

2.2.3 CFD計算

在設計過程中進行了CFD計算，如圖2、3所示。主要目的是：1）評估整個風道的性能表現，尤其是擴散段。2）評估收縮段的設計（在大、小兩個噴口尺寸下）。3）計算噴口處邊界層的厚度，用來設計邊界層抽吸系統。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，得到了整個風洞的仿真結果。從仿真結果可以看出，目前風洞的設計，尤其針對噴口、收集口、主風機等重要部件的設計，可以滿足最大風速 250 km/h的設計要求，并且邊界層厚度及軸向靜壓梯度等空氣動力學指標非常優秀，能夠達到設計目標。

2.3 流場品質驗證

風道設計的結構設計和空氣動力學設計是根據技術規格書的要求進行的，并進行了 CFD計算，最終的流場品質（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）還需要在風洞完成后，通過實驗進行驗證。

3 環境模擬系統

環境模擬系統由高低溫模擬系統、道路模擬系統、陽光模擬系統、雨雪模擬系統這幾個主要設備組成，用來模擬不同的自然環境。

3.1 高低溫模擬系統

制冷系統能力的設計是基于主換熱器出風溫度要求。制冷載荷的分解如圖4所示。制冷載荷是根據中汽中心提供的測試工況以及極限設計點得出，見表2?？傮w制冷量由整個風道內的熱負荷決定，包括：主風機熱量、車的熱量、流道熱量、鹽水系統損失（管道泵和管路損失）、雨雪光照邊界層系統等。整個風洞內的熱平衡還要考慮車輛的熱負荷，包括：輪胎發熱、發動機熱量傳到至空氣、尾氣熱量。除了表1列出的穩定負荷，溫度變化速率要求也應該考慮，因此風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，最終計算結果發現，靜態狀態下的制冷系統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。溫度變化的設計要求在20 min內從46°降低至34°，風速最大值可達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，然后制冷負荷在溫度變化結束后迅速下降，這是因為空氣溫度已經達到了目標溫度。隨后制冷量緩慢下降，來平衡鋼殼和其他內部結構降溫時存在的部分熱負荷。

對加熱過程也同樣進行了模擬，鹽水加熱器的設計要求在風速 110 km/h下、43.75 min內從 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

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轉轂，并且模擬慣量范圍為 600～50 000 kg?？紤]到輪轂電機的開發需求，轉轂為四驅四電機，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

陽關模擬系統為全光譜陽光模擬系統，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，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

雨模擬系統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生不同形式和濕度的雪。

4 結語

簡述了汽車環境風洞的設計思路，著重講述了環境風洞最重要的兩個方面：空氣動力學和環境模擬系統的相關設計。通過風洞各個部件及設備細致而全面的設計，保證了風洞整體性能能夠滿足設計目標和實驗需求?？諝鈩恿W、熱力學及測試精度能夠達到較高水平。