汽車風洞試驗室簡介及應用分析

高英飛 傅偉林 謝剛 張曉東 丁雯娟 劉學莉

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 試驗室簡介

風洞試驗室至今已有一百五十多年的發展歷史，據記載，英國航空委員會會員Francis Herbert Wenham 在1871 年設計并建造了世界第一個風洞，此后根據不同應用領域要求，發展成為不同種類的風洞試驗室，按照不同方式分類主要有以下幾種：

按照速度等級分為：

亞音速風洞Subsonic（M＜0.8）、跨音速風洞Transonic（0.8＜M＜1.2）、超音速風洞Supersonic（1.2＜M＜5.0）、高音速風洞Hypersonic（M＞5.0），其中M 為馬赫數，即風速與聲速之比，取聲速=343m/s@20deg，按照以上分類，汽車風洞試驗室均屬亞音速范疇。[1]

按照氣流循環方式分為：

開式風洞（氣流從測試段后直接排出）和閉式風洞（氣流經測試段后進行下一個循環）。[3]

按照應用領域分為：

航空風洞、汽車風洞（分整車風洞和模型風洞）、建筑風洞等，其中汽車風洞又可分為環境風洞Climatic Wind Tunnel和空氣動力學聲學風洞Aero Acoustic Wind Tunnel（下文分別簡稱為CWT 和AAWT）。其中，CWT 主要用于研究和驗證車輛的熱力學性能，例如發動機散熱性能，空調的舒適性等；而AAWT 則主要用于研究車輛的氣動和聲學性能，例如空氣阻力/升力/側向力，聲學性能等。兩者的主要區別在于設備組成和環境要求。

在設備方面，AAWT 利用天平測量各向分力，CWT 則用轉鼓模擬路面條件和載荷。由于兩種設備原理和安裝要求完全不同，故不能相互代替，目前有部分試驗室設計為可更換方式，但此功能實現需龐大且復雜的轉運機構，從投資和實用的角度非最優實踐。當然也有部分試驗室同時安裝天平和轉鼓，非常規案例，實際效果還有待考證。

在環境要求方面，AAWT 的環境要求通常為恒溫恒濕，而CWT 則根據不同試驗工況有不同溫濕度和光照的要求，且同一工況下也會有環境變化要求，例如爬坡工況要求在爬坡的同時溫度降低，以達到山地氣候的模擬。

汽車環境風洞試驗室（CWT）由于溫度變化范圍大（一般為-40℃～60℃），氣流品質要求較高，綜合實施難度較大，故下文以此類試驗室為例進行風洞系統功能介紹。

CWT 能夠開展各類與熱力學相關的試驗，主要包括：

1.熱管理性能（空調系統 (HVAC) ：制冷/ 采暖、控制策略標定、除霜/ 除霧性能測定熱泵系統試驗、自動空調標定）。

2.動力系統試驗(PTC)、整車發動機熱平衡試驗、制動散熱性能測定試驗、最大速度測定試驗、最大加速度測定試驗、熱害風險測定。

3.氣候條件影響、雨刮器試驗、水流管理試驗、降雪試驗、泥濺效應測定。

CWT 各系統簡介如下：

（1）轉鼓系統

轉鼓系統的功能是路面模擬，按照驅動方式分為四驅轉鼓（4x4-四驅四電機和4x2-四驅兩電機）和兩驅轉鼓[2]。按照尺寸分類目前主要有兩種，分別是48 英寸和75 英寸。系統由轉鼓（道路模擬）、驅動系統、控制系統、固定裝置、安全系統、司機助（駕駛輔助裝置）、路面熱效應模擬等組成。該系統可模擬真實道路的路面特征，即模擬車輛行駛時需克服的阻力（道路摩擦阻力，風阻，機械摩擦阻力）。大部分試驗過程都是由車輛驅動轉鼓，此時車輛輸出的功率可轉化為電能可儲存或反饋到電網，故在轉鼓的電氣系統設計是可其使用的同步系統降低。

（2）風機系統

風機系統的功能是補償空氣在流道循環后的氣壓損失，保證氣流的速度。按不同的氣流運動方式分為軸流風機和離心風機，目前回流風洞均采用軸流風機，效率可達到90%。系統由風機，驅動系統（電機及變頻器），控制系統，冷卻系統，安全系統。風機是CWT 的主要耗電設備，以8m2噴口的CWT 為例，車速最大200kph 時，風機的功率約2MW，即每小時消耗2000 度電。但高速在一個完整的工況一般只占很小比例，且風機在制動時會將能量回收到電網（也可作為熱能使用），故風機的實際能耗會比理論上小很多。

（3）鋼流道

鋼流道作為氣流循環通道，使得氣流按照設定的方向和速度通過噴口到達試驗車輛后回到收集口，進行下個周期的風速補償和溫濕度調節。按照空氣流向包括：噴口、收集口、連接段，拐角，風機收縮段，擴散段，換熱器段等。其中測試段位于噴口（Nozzle）和收集口（Collector）之間，在測試段開展試驗。鋼流道系統的設計也是考察工藝設計公司空氣動力學設計能力的主要系統，對整體氣動效率，冷熱控制，氣流品質的達成舉足輕重。由于是大表面積薄板鋼材（一般為6mm-10mm），需充分考慮高低溫沖擊引起的溫度應力變形，此系統主要對制造公差和安裝公差要求高，包括平面度，直線度，圓度等，其中噴口的制造和安裝精度以及收集口的調整對風洞氣流品質的達成至關重要。

（4）陽光模擬系統

陽光模擬系統用于不同氣候條件下所需的光照條件。系統主要包含：光源，調節機構，控制系統。按照不同使用要求，可配置烏云和隧道模擬，此系統可按照設定的日照強度變化自動調節光照強度，滿足不同光照下的試驗要求。

（5）環境模擬系統

此系統用于滿足不同條件下的環境要求。系統主要由換熱器、管路系統、制冷機組（制冷）、鍋爐（制熱）、冷卻塔及控制系統等組成，通過PID 調整方式制冷或加熱回路實現系統溫度的動態和靜態控制，例如溫濕度的控制精度，穩定性，升降速率，均勻性等。其中制冷機組目前使用的制冷劑有R507（氟利昂）和R717（氨氣）。加熱的方式目前有蒸汽，熱水，電加熱等。此系統也是風洞現場安裝和調試時間最長的系統。

（6）控制系統

該系統為風洞的“大腦”/“司令部”，即根據測試工況對各系統按要求進行控制和監控，包括陽光模擬強度，噴口的溫濕度，風速的控制（包括噴口-穩流段壓差控制法和駐室-穩流段壓差控制法），此外轉鼓和風機的速度同步也由此系統完成。此外，風洞的數采系統也可連接到該系統進行試驗室和車輛數據的同步采集等。此外，需要注意的是，試驗室環境條件的數據應保證和車輛相關的傳感器保持時間基準的一致性，一般的做法是采用NTP 協議實現數據時間基準校正。

（7）數據存儲中心

由于風洞試驗測試過程中的數據采集頻率高（一般為10Hz），故每次試驗將產生數以GB 的數據（包含試驗室傳感器和車輛傳感器），控制電腦的物理硬盤容量將無法滿足大量數據的存儲，故需建立遠端的數據中心，將試驗數據實時上傳到數據中心，而控制電腦將更多用于試驗室設備的控制和數據的處理。

衡量CWT 的綜合性能的指標主要有：

1）整體要求

主噴口/可變噴口面積、主噴口/可變噴口高寬比、主噴口最大風速/可變噴口對應最大風速、溫度范圍、相對濕度范圍、最大絕對濕度、陽光模擬形式、光照強度范圍、形式/布局類型。

2）氣動模擬品質

風速穩定性/均勻性、氣流偏角、湍流度、風壓脈動、軸向靜壓梯度、邊界層移除厚度。

3）環境模擬品質

溫度控制精度、溫度控制均勻性、溫度升降速率（定義溫度區間內）、濕度控制精度、濕度控制均勻性、濕度升降速率（定義區間）、光照均勻性、低溫濕度控制范圍&精度、降雨降雪要求。

備注：以上指標也是CWT 驗收時的主要測量參數

2 風洞試驗室當前現狀及趨勢

風洞試驗室具有投資大，周期長（3 年-5 年），使用壽命要求高（一般為50 年以上），建設此試驗室的主機廠一般需具有一定的規模和盈利能力（一般年銷量需百萬以上）。

風洞發展至今國內外已有很多風洞投入使用，效果良好，現匯總如表1：

表1

可以看出，CWT 和AAWT 已基本成為主機廠研發的必備工具。尤其是CWT 的建設。隨著近年國內主機廠研發能力的日益提升，風洞試驗室在研發過程中的作用也被更加重視，除上表中的企業，也有一部分企業建成模型風洞，用于前期油泥造型的優化及縮比模型的氣動試驗，其中泛亞技術中心模型風洞已于2012 年投入使用，上汽的模型風洞也進入實質性階段。

隨著世界整體汽車工業水平的提高，目前對環境風洞模擬的氣動指標也在逐日提升，環境風洞模擬品質的提升對于主機廠問題前置，研發周期縮短具有戰略性意義。同時環境風洞克服了室外環境條件的可重復性差、不確定性高等缺點，對三高試驗（高溫，高寒，高海拔）做了很好的補充和部分代替，極大程度客服季節對試驗需求的限制。

3 風洞試驗室技術必要性

當下汽車工業進入到了輕量化、電動化、網聯化、智能化、共享化發展的關鍵時期，其中電動車的主要問題之一就是續航里程焦慮，提高綜合續航里程的關鍵途徑之一是提高熱管理的綜合效率，例如使用熱泵（Heat Pump）技術，廢熱回收（ECR）等，此類試驗在CWT 能夠進行精確標定和驗證，而且試驗結果和真實的路試相比環境倉更為接近，因而在提高研發質量的同時可以防止設計性能過盈/不足，降低研發成本及風險的同時提高產品的市場競爭力。

環境風洞試驗室由于能夠精確且可重復地控制氣候環境，使得整車研發不受限與自然季節的變化，極大程度縮短了整車研發的周期，同時對大部分售后的熱失效可進行問題重現。同時可以將試驗場和道路的試驗環境工況（溫度、濕度，光照、車速等）導入到轉鼓系統中，使得可在試驗室內復現真實道路或試驗場內開展的試驗，開展相關性研究，逐步減少二者的試驗用量，進而提高試驗效率，減少成本并可有效減少車輛的安全事故發生率。

另一方面，AAWT 的建設對車企建立獨立的空氣動力學和聲學測試能力也至關重要。眾所周知，車輛的能量（發動機/電池包）主要轉化為以下形式：

動能、慣性力、道路阻力、熱能、機械阻力、控制系統、空氣阻力（車身，輪胎），其中，空氣阻力F=1/2ρCdAV2，ρ 為空氣密度，Cd 為風阻系數，A 為車輛正投影面積，V 為速度。

上式可以看出減少空氣阻力的有效方法就是優化風阻系數和正投影面積的乘積，而此項工作需結合CFD 仿真和空氣動力學驗證。尤其在油泥模型優化階段，需要數輪的風洞試驗才能達到造型和氣動性能的綜合平衡。由此可見，空氣動力學風洞是開展此項工作的必備工具，如此才能國際頭部車企的氣動性能研發縮小差距甚至趕超，正所謂“工欲善其事必先利其器”。

4 結語

風洞試驗室（CWT 和AAWT）是車企研發的必備工具，隨著中國汽車頭部車企近年來的快速發展和突破，與國際一流車企的研發能力也在逐漸縮小，但部分關鍵試驗研發工具（例如風洞）還沒有完全配備，很多車企還是主要依靠第三方，試驗計劃和時長無法保證，因而風洞試驗室建設的必要性也日益凸顯。

本文主要介紹了風洞試驗室的分類，功能和主要技術指標，對風洞試驗室目前國內外的發展現狀做了簡短梳理，希望對讀者有所幫助。