汽車環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的性能評(píng)價(jià)與分析

孫濤 郭輝 宋安

摘? 要：近年來，汽車環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室在整車性能研發(fā)中的作用越來越受到研發(fā)人員的重視，如何評(píng)價(jià)試驗(yàn)室本身的模擬精度，目前還并未形成完整的評(píng)價(jià)體系。基于國內(nèi)某風(fēng)洞試驗(yàn)室的實(shí)測案例，本文對(duì)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室氣動(dòng)參數(shù)的含義、測量方法、數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了詳細(xì)闡述;展示了環(huán)境參數(shù)的測試結(jié)果，并與環(huán)境艙參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明環(huán)境風(fēng)洞的空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)環(huán)境模擬指標(biāo)具有重要影響。

關(guān)鍵詞：汽車環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室;環(huán)境指標(biāo);氣動(dòng)參數(shù)

中圖分類號(hào)：U467? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0073-06

Abstract： Recently ，the application of Full-scaled Climatic Wind tunnel（ab. CWT） in vehicle performance tests is paid more attentions by researchers. There is no standard evaluation system established how to evaluate the testing accuracies. Based on the real testing examples in a domestic CWT facility， aerodynamic parameters、the measurement methods and data analysis of CWT are introduced in this article，environment parameters are shown and compared with Climatic chambers ，the result reveals that aerodynamic properties of CWT have important effects on environment parameters.

Key Words： Automotive Environment Wind Tunnel Laboratory; environment parameters; aerodynamic parameters

序? ?言

汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室測試技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家已非常成熟，近年來，隨著我國汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，很多企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識(shí)到風(fēng)洞在整車研發(fā)技術(shù)中的重要性，紛紛投建自己的風(fēng)洞試驗(yàn)室。試驗(yàn)室的模擬精度對(duì)測試結(jié)果有直接的影響，因此，需要對(duì)其關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測量標(biāo)定，保證試驗(yàn)的高重復(fù)性和穩(wěn)定性。

風(fēng)洞試驗(yàn)室建設(shè)完成后的測量和標(biāo)定是驗(yàn)證其整體設(shè)計(jì)和性能的重要環(huán)節(jié)，主要包括氣動(dòng)參數(shù)測量和環(huán)境參數(shù)測量。環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室優(yōu)于普通環(huán)境艙的關(guān)鍵在于其更接近實(shí)際道路的氣動(dòng)特性，環(huán)境艙基本不做空氣動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)，而對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)室這是非常重要的。

1? ?氣動(dòng)參數(shù)測量

氣動(dòng)參數(shù)主要包括風(fēng)速均勻性、風(fēng)速穩(wěn)定性、軸向靜壓梯度、風(fēng)壓脈動(dòng)、氣流偏角等[1]。

測試前先對(duì)測試段的有效區(qū)域進(jìn)行定義，測試范圍為：X軸方向+1.5m～+8m，Y軸方向-1.6m～+1.6m，Z軸方向+0.25m～+2.25m，如圖1所示。我們將測量區(qū)域按等網(wǎng)格劃分取測試點(diǎn)，Y軸方向和Z軸方向間距為250mm，X軸方向范圍較大，可按1m間距劃分，所有測試在空艙狀態(tài)下進(jìn)行。

1.1? 風(fēng)速均勻性

采用網(wǎng)格法進(jìn)行測量，用S型皮托管測量噴口基準(zhǔn)面的實(shí)際動(dòng)壓值，用百分誤差法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表1所示。藍(lán)色數(shù)值對(duì)應(yīng)流場的核心區(qū)域，為有效數(shù)據(jù)，紅色數(shù)值對(duì)應(yīng)實(shí)際流場的邊緣，屬于無效數(shù)據(jù)，僅對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

由計(jì)算結(jié)果可知，流場中心區(qū)域風(fēng)速均勻性偏差控制在0.5%以內(nèi)。

1.2? ?風(fēng)速穩(wěn)定性

風(fēng)速穩(wěn)定性是針對(duì)工況變化后，風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測量值與設(shè)定值的偏差，風(fēng)速范圍15～250km/h，風(fēng)速改變30s后達(dá)到穩(wěn)定，截取2分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

由計(jì)算結(jié)果可知，全范圍內(nèi)平均偏差控制在±0.5km/h以內(nèi)。

1.3? 軸向靜壓梯度

風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)關(guān)注軸向靜壓梯度，它的大小影響汽車氣動(dòng)力測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)段靜壓系數(shù)和靜壓梯度（如無特別說明均指中心軸向）主要受噴口尺寸、試驗(yàn)段長度、收集口大小和角度等試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)因素的影響[3]。軸向靜壓系數(shù)和梯度的定義如式（1-4）、式（1-5）所示，測量區(qū)域是沿x軸方向1m～8m，每隔1m設(shè)定測量點(diǎn)，采用皮托管分別測量靜壓和動(dòng)壓值。

1.4? 風(fēng)壓脈動(dòng)

由于風(fēng)洞尺寸較大，噴口邊界層的湍流、射流邊界層與收集口相互作用的脈動(dòng)壓力頻率低，包含的能量大，需要在設(shè)計(jì)中盡量降低，避免出現(xiàn)共振，即所謂低頻顫振[3]。湍流是具有脈動(dòng)特性的流體，隨時(shí)間周期性變化，分為時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力，如圖3所示，試驗(yàn)采樣的脈動(dòng)壓力用離散函數(shù)表示，

脈動(dòng)強(qiáng)度則用統(tǒng)計(jì)特征量壓力均方根來反映，如式（1-8）;且根據(jù)雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則，在一定范圍內(nèi)流動(dòng)形態(tài)相同，壓力值的大小是與空氣流動(dòng)速度大小成正比[4]，可推導(dǎo)得到脈動(dòng)壓力均方根系數(shù)：

實(shí)際測量中用聲壓級(jí)（SPL）表征脈動(dòng)壓力均方根，聲學(xué)中通常將rms省去，直接用P表示，利用麥克風(fēng)測量在不同風(fēng)速下的聲壓級(jí)[5]，再進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算即得到脈動(dòng)壓力均方根系數(shù)，如下圖4所示：

以上為全風(fēng)速段測試結(jié)果，只有一個(gè)振幅較大的測試點(diǎn)，共振頻率約為2.3Hz，共振點(diǎn)的風(fēng)速在70km/h左右，此時(shí)湍流脈動(dòng)能量出現(xiàn)了一個(gè)峰值，總體指標(biāo)小于0.08%。

2? ?環(huán)境參數(shù)

對(duì)于環(huán)境風(fēng)洞來講，環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)同樣重要，主要包括溫度均勻性、溫度控制精度、溫度變化速率、相對(duì)濕度控制精度、相對(duì)濕度均勻性、相對(duì)濕度變化速率等。

同樣采用網(wǎng)格法進(jìn)行測量，在移測架上均勻布置熱電偶和濕度計(jì)，所有傳感器應(yīng)在測試前用溫箱進(jìn)行標(biāo)定。以溫度均勻性測試為例，設(shè)定溫度值20℃，風(fēng)速120km/h，距離噴口1.5m處溫度均勻性測試數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)上表結(jié)果所示，車輛進(jìn)氣口前端的平均溫度偏差為±0.13℃，接下來沿X軸，在1m～8m范圍內(nèi)，每間隔1m重復(fù)測量Y-Z平面的溫度點(diǎn)，得到每個(gè)平面的溫度均勻性偏差，濕度測量與溫度測量方法相同。溫度變化速率則采用分段測量法，將全溫度場分為高溫段、常溫段和低溫段，驗(yàn)證各級(jí)系統(tǒng)的制冷能力，最終計(jì)算得到平均溫變速率。

將風(fēng)洞試驗(yàn)室與環(huán)境艙的實(shí)測參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可更直觀地比較出兩者的性能差異。如表6所示：

通常，環(huán)境艙的跟隨風(fēng)機(jī)僅能模擬車輛前端進(jìn)氣口處的氣流，由于車身周圍空間受限，車身四周的氣流會(huì)受到艙壁表面的湍流和渦流影響，無法達(dá)到自然道路上的均勻流場，車身周圍的環(huán)境參數(shù)偏差較大;而風(fēng)洞試驗(yàn)室則在大空間內(nèi)得到了更好的流場，環(huán)境參數(shù)控制的精確性優(yōu)于環(huán)境艙，這與流場品質(zhì)息息相關(guān)。而相同溫度下高風(fēng)速工況下的溫度場更好。例如，在20℃、80km/h時(shí)，氣流在Y軸邊界位置均勻性較差，這是由于風(fēng)場邊界處于層流狀態(tài)，流體傳熱熱阻主要集中在該層中，溫差較大;隨著風(fēng)速的增加至120km/h時(shí)，層流及緩沖層在邊界以外范圍，邊界變?yōu)橥牧鳎黧w質(zhì)點(diǎn)劇烈混合，可近似認(rèn)為無傳熱熱阻，溫度均勻性變好。結(jié)果如圖5和6所示。

3? ?總結(jié)

本文基于汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室的實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)的含義和分析流場品質(zhì)常用的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行介紹，包括風(fēng)速均勻性百分誤差法、靜壓梯度差分法和風(fēng)壓脈動(dòng)的麥克風(fēng)測試法，對(duì)比風(fēng)洞與環(huán)境艙的環(huán)境參數(shù)測試結(jié)果，表明風(fēng)洞試驗(yàn)室具有更好的流場品質(zhì)，均勻的流場有助于更精準(zhǔn)的環(huán)境場形成，使得環(huán)境模擬更接近真實(shí)路面。許多整車企業(yè)已經(jīng)擁有或正在規(guī)劃風(fēng)洞試驗(yàn)室，未來應(yīng)該建立環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。

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