廣汽氣動、聲學(xué)及熱力學(xué)汽車風(fēng)洞工藝布局

劉 政，楊 輝，郭西全，李舒雅，黃憲波

(廣州汽車集團(tuán)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(yè)廠房建設(shè)十分重要的一環(huán)，直接關(guān)系到基本功能、工作效率的實(shí)現(xiàn)。不論是汽車總裝車間[1]，還是焊裝車間[2]或者裝載機(jī)產(chǎn)品線[3]等，均對工藝布局開展了不同程度的分析與優(yōu)化。風(fēng)洞試驗(yàn)室作為一類特殊的工業(yè)廠房，其工藝布局對其預(yù)期功能及提高工作效率具有非常重要的意義，因而受到風(fēng)洞建設(shè)者的高度關(guān)注，并往往會在風(fēng)洞建設(shè)初期就投入大量的人力物力對其進(jìn)行研究。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室，尤其是全尺寸的大型汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室，具有投資大、系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度高的特征。因此，大型風(fēng)洞在規(guī)劃建設(shè)時都會對其工藝布局進(jìn)行詳細(xì)研究，如歐洲跨聲速風(fēng)洞(ETW)在建設(shè)前就成立了專門的工作組，并聘請專業(yè)的咨詢機(jī)構(gòu)對風(fēng)洞工藝布局進(jìn)行了詳細(xì)的研究[4]。CARDC(中國空氣動力研究與發(fā)展中心)在科研新區(qū)建設(shè)的0.6 m暫沖式風(fēng)洞也對風(fēng)洞的工藝布局進(jìn)行了分析與探討[5]。

風(fēng)洞按試驗(yàn)段的氣流速度可分為低速風(fēng)洞、亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞、超聲速風(fēng)洞、高超聲速風(fēng)洞和超高速風(fēng)洞。亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞、超聲速風(fēng)洞、高超聲速和超高速風(fēng)洞主要用于航空航天領(lǐng)域，國外比較有代表性的有美國NASA的風(fēng)洞群、歐洲聯(lián)合的ETW、法國ONERA的SIMA以及荷蘭的NLR等[6-9]，國內(nèi)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(fēng)洞試驗(yàn)段的風(fēng)速一般都低于100 m/s，屬于低速風(fēng)洞。汽車風(fēng)洞按大小可分為模型風(fēng)險和實(shí)車風(fēng)洞，模型風(fēng)洞主要進(jìn)行汽車比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)，實(shí)車風(fēng)洞主要用于實(shí)車或1∶1模型風(fēng)洞試驗(yàn)。

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

汽車風(fēng)洞按構(gòu)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(fēng)洞技術(shù)的不斷發(fā)展，常規(guī)低速風(fēng)洞的基本形式已趨于統(tǒng)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(fēng)洞。直流式風(fēng)洞具有造價便宜、便于做帶內(nèi)燃機(jī)或用煙進(jìn)行流動顯示試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是試驗(yàn)段流場品質(zhì)、背景噪聲容易受外界影響，且無法形成增壓運(yùn)轉(zhuǎn)。與直流式風(fēng)洞相比，回流式風(fēng)洞能很好地克服上述缺點(diǎn)，試驗(yàn)段的流場品質(zhì)與背景噪聲基本不受外界的影響，且可實(shí)現(xiàn)增壓運(yùn)行，但缺點(diǎn)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(fēng)洞，該風(fēng)洞同時包含空氣動力學(xué)、風(fēng)噪及熱力學(xué)三大功能，與傳統(tǒng)風(fēng)洞具備相同點(diǎn)的同時又具有明顯的差異性。因此十分有必要對該風(fēng)洞的工藝布局進(jìn)行深入探討與研究，以便通過合理設(shè)計，使該風(fēng)洞滿足各方面的要求，同時為后續(xù)同類試驗(yàn)室的建設(shè)提供有效參考。

1 常見汽車風(fēng)洞洞體布局

汽車風(fēng)洞洞體按氣流方向依次主要由試驗(yàn)段、第一擴(kuò)散段、拐角1、拐角2、動力段、風(fēng)機(jī)擴(kuò)散段、拐角3、換熱段、拐角4、穩(wěn)定段和收縮段組成(見圖1)。

圖1 常見汽車風(fēng)洞洞體布局

試驗(yàn)段是風(fēng)洞洞體的核心部位，天平、移動測量架等重要設(shè)備都安裝在這里，試驗(yàn)車輛的安裝及試驗(yàn)的開展也在這里進(jìn)行。第一擴(kuò)散段通過增加流道橫截面積降低氣流速度，使氣流動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，從而減小能量損失。4個拐角承擔(dān)相似的功能，拐角通常均安裝有導(dǎo)流片，引導(dǎo)氣流在拐角處順利轉(zhuǎn)彎，降低能量損失。動力段是氣流動力的來源，主風(fēng)機(jī)安裝在此處，風(fēng)機(jī)的葉片經(jīng)過嚴(yán)格的氣動設(shè)計。換熱段安裝有換熱器，氣流經(jīng)過換熱器后充分換熱，達(dá)到預(yù)期的溫度范圍，滿足試驗(yàn)需求。穩(wěn)定段安裝有蜂窩器、阻尼網(wǎng)，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(jīng)過合理設(shè)計，氣流經(jīng)過收縮段被加速到試驗(yàn)所需速度。

2 廣汽風(fēng)洞概況

廣汽風(fēng)洞位于廣汽研究院化龍研發(fā)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(yàn)室相鄰(見圖2)。整個風(fēng)洞建筑分為兩部分：一部分為風(fēng)洞流道，另一部分為輔助建筑，主要作為風(fēng)洞試驗(yàn)的功能區(qū)域，兩者在結(jié)構(gòu)上相對獨(dú)立。

圖2 廣汽風(fēng)洞位置示意圖

3 廣汽風(fēng)洞洞體布局

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

圖3 廣汽風(fēng)洞洞體布局

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

3.1 底盤測功機(jī)

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

圖4 底盤測功機(jī)布局

3.2 陽光模擬

為了模擬熱力學(xué)試驗(yàn)中車輛在實(shí)際環(huán)境中的光照工況，在底盤測功機(jī)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(xué)試驗(yàn)的影響，該設(shè)備可以通過軌道運(yùn)行至位于試驗(yàn)段下游、擴(kuò)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(fēng)及掃氣系統(tǒng)

為了滿足熱力學(xué)試驗(yàn)中對空氣的特定要求，以及補(bǔ)充因車輛發(fā)動機(jī)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(fēng)機(jī)組，外界的空氣可通過拐角2上方開口補(bǔ)充至流道內(nèi)部。同時為了避免因車輛在熱力學(xué)試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的尾氣等有害氣體聚集在流道內(nèi)，布置有掃氣系統(tǒng)(見圖6中綠色框所示)，當(dāng)氣體濃度超過一定范圍時，掃氣系統(tǒng)會自動開啟，與新風(fēng)系統(tǒng)協(xié)同工作，將有害氣體排出室外。

圖6 新風(fēng)及掃氣系統(tǒng)布局

3.4 蒸汽格柵

為了滿足熱力學(xué)試驗(yàn)中部分工況高濕的要求，在風(fēng)機(jī)擴(kuò)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(yùn)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(xué)汽車風(fēng)洞也有主換熱器(見圖8)，但通常只能滿足常溫試驗(yàn)。廣汽風(fēng)洞主換熱器溫度調(diào)節(jié)范圍為20～60 ℃，可滿足一定的熱力學(xué)試驗(yàn)需求。

圖8 主換熱器布局

風(fēng)洞洞體的核心功能是作為氣流循環(huán)流動的載體，為試驗(yàn)段車輛提供理想的流場環(huán)境，洞體中雖布置有部分設(shè)備，但僅僅是風(fēng)洞設(shè)備的一小部分，絕大部分設(shè)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(yàn)整備以及配套設(shè)施等情況。因此，一個完整的風(fēng)洞布局方案除洞體外，還包括其他眾多功能性區(qū)域，最終形成完整的風(fēng)洞布局方案。

4 廣汽風(fēng)洞功能區(qū)布局

如上文所述，風(fēng)洞流道工藝布局只是整個風(fēng)洞布局的一部分，為了滿足風(fēng)洞的最終運(yùn)營需求，還需要圍繞風(fēng)洞洞體布置一系列功能性區(qū)域。因此，基于廣汽風(fēng)洞流道布局的基本情況、現(xiàn)場地形的基本條件及當(dāng)?shù)亟ㄖㄒ?guī)的相關(guān)要求，以滿足風(fēng)洞功能為核心，形成了廣汽風(fēng)洞初版整體布局方案，整體為3層結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞洞體貫穿其中，圍繞洞體完成其余功能區(qū)域的規(guī)劃布局，其中負(fù)一層和一層主要用于設(shè)備安裝、車輛整備與試驗(yàn)運(yùn)行，二層為輔助功能區(qū)，包括辦公區(qū)、會議室等。

4.1 負(fù)一層布局方案

負(fù)一層以設(shè)備為主，風(fēng)洞主要大型非標(biāo)設(shè)備，包括天平、底盤測功機(jī)、主風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)組、鍋爐、設(shè)備電柜、抽吸系統(tǒng)、尾排系統(tǒng)等均布置在此(見圖9)。同時對天平及主風(fēng)機(jī)分別設(shè)計有針對性的隔振系統(tǒng)，天平隔振系統(tǒng)主要防止外界振動對其產(chǎn)生干擾，主風(fēng)機(jī)隔振系統(tǒng)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(cè)布置有車輛整備區(qū)，包含2臺舉升機(jī)，可滿足2臺車輛同時進(jìn)行整備的需求。此外，為了使大型非標(biāo)設(shè)備能順利進(jìn)入地下室，在緊鄰主通道的一側(cè)設(shè)置有直通地下室的設(shè)備吊裝口，待大型設(shè)備進(jìn)入地下室后盡興封閉，并為后續(xù)大型維保作預(yù)留。

圖9 負(fù)一層布局方案

4.2 一層布局方案

一層主要為輔助功能區(qū)，重點(diǎn)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(qū)等，其中控制間的布局與其他風(fēng)洞存在較大差異。通常，風(fēng)洞的控制間均布置在洞體回路中央。但由于廣汽風(fēng)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(guī)要求。因此將控制間布置于駐室另一側(cè)，同時由于該側(cè)空間受限，為了避免影響車輛通行，將控制間設(shè)置在標(biāo)高為4.2 m的夾層(見圖10中虛線所示)，缺點(diǎn)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(guī)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(qū)、油泥模型停放區(qū)及辦公區(qū)(見圖11)。

圖11 二層布局方案

5 結(jié)語

風(fēng)洞工藝布局是一個極其重要的課題，應(yīng)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(fēng)洞為氣動-聲學(xué)-熱力學(xué)三合一全尺寸汽車風(fēng)洞，與常規(guī)的氣動-聲學(xué)汽車風(fēng)洞在布局上既有相同的地方，又有顯著的區(qū)別?，F(xiàn)有布局方案確保風(fēng)洞性能的同時，功能性區(qū)域也得到了妥善規(guī)劃，但也存在一些不足，以下是幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

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(guī)整，方便風(fēng)洞整體布局以及設(shè)備的入場安裝。

5.2 總體布局原則

以風(fēng)洞洞體以及設(shè)備為核心，在優(yōu)先確保風(fēng)洞性能實(shí)現(xiàn)的前提下進(jìn)行其他輔助區(qū)域的布局。

5.3 占地面積

廣汽風(fēng)洞占地面積4 500 m2，略顯局促，對于氣動-聲學(xué)全尺寸汽車風(fēng)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(qū)域布局，總占地面積應(yīng)在6 000～8 000 m2為宜。

5.4 地下室

應(yīng)盡量避免地下室的建設(shè)方案，尤其是在南方地區(qū)，主要原因如下。

1)土建施工成本高。

2)設(shè)備入場難，應(yīng)預(yù)留吊裝口，設(shè)備入場前無法有效防水，后期大型維修設(shè)備難以運(yùn)出。

3)防水效果難保證，地下室局部滲水現(xiàn)象經(jīng)過多次處理仍存在。

4)地下室環(huán)境潮濕，不利于電氣設(shè)備的長期運(yùn)營，應(yīng)額外增設(shè)除濕機(jī)。

5)部分設(shè)備如壓縮空氣站，不論是新風(fēng)需求還是排氣量都很大，應(yīng)增設(shè)額外的通風(fēng)排氣系統(tǒng)。

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