吳陽(yáng)陽(yáng)

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

主題詞：汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞 半機(jī)械化物理式風(fēng)洞 水平抽吸系統(tǒng) 流場(chǎng)指標(biāo)

1 前言

隨著汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，在汽車(chē)研發(fā)和測(cè)試工作中，降低成本以及提高試驗(yàn)精確度成為重要任務(wù)之一。

在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，風(fēng)洞試驗(yàn)具有重要意義，而環(huán)境風(fēng)洞作為可進(jìn)行綜合性能測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)，能夠模擬真實(shí)的自然環(huán)境。環(huán)境風(fēng)洞的空氣流場(chǎng)均勻，且最接近真實(shí)的空氣流動(dòng)，溫度控制穩(wěn)定、均勻，設(shè)備精度高。因此，與傳統(tǒng)風(fēng)洞相比，環(huán)境風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果可以更好地還原車(chē)輛在真實(shí)自然條件下的性能表現(xiàn)，并且環(huán)境風(fēng)洞還可以進(jìn)行降雨、降雪這類(lèi)特殊試驗(yàn)，能夠更全面地模擬自然環(huán)境，對(duì)于汽車(chē)開(kāi)發(fā)及優(yōu)化過(guò)程起到重要的數(shù)據(jù)支持作用[1]。

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)對(duì)于汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的需求量逐步增加。但是，目前國(guó)內(nèi)的汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞仍舊存在設(shè)計(jì)上的不足，缺乏技術(shù)儲(chǔ)備以及改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。因此，研究汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向非常重要。

為了更好地研究汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞中各參數(shù)對(duì)于試驗(yàn)精度的影響，本文通過(guò)對(duì)比分析的方法，依據(jù)國(guó)內(nèi)外汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的研究成果做出進(jìn)一步探討，從而得到汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞設(shè)計(jì)優(yōu)化方向的思路。通過(guò)合理地優(yōu)化汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞，可以更好地模擬外部自然環(huán)境，以期有效提高試驗(yàn)精度。

2 汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞概述

汽車(chē)風(fēng)洞主要分為3 種：模型風(fēng)洞、實(shí)車(chē)風(fēng)洞、環(huán)境風(fēng)洞。其中，汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞就是在一個(gè)密閉的風(fēng)洞系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)人工控制試驗(yàn)段環(huán)境條件來(lái)測(cè)試汽車(chē)設(shè)計(jì)的合理性，并及時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行汽車(chē)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[2]。

在試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境風(fēng)洞不同部件相互配合，為整車(chē)設(shè)計(jì)提供了足夠精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果要符合汽車(chē)設(shè)計(jì)中空氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。如何做到更加精準(zhǔn)地控制試驗(yàn)條件，以及更加真實(shí)地模擬自然環(huán)境工況，會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果和汽車(chē)從研發(fā)到量產(chǎn)的合格率，對(duì)于汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的研究具有重要意義。

2.1 汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的分類(lèi)和組成

汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞主要組成系統(tǒng)包括：主風(fēng)機(jī)、底盤(pán)測(cè)功機(jī)、制冷系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)、空氣流道和控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以用來(lái)模擬大風(fēng)、雨雪、寒冷、炎熱的極端氣候環(huán)境，以此測(cè)試汽車(chē)的耐用性[3-5]。

風(fēng)洞按照試驗(yàn)段風(fēng)速來(lái)區(qū)分常用的有2大類(lèi)。其中，風(fēng)速低于140 m/s 的風(fēng)洞稱(chēng)為常規(guī)風(fēng)洞。馬赫數(shù)（Ma）是風(fēng)速與音速的比值，是風(fēng)洞的重要參數(shù)之一。

Ma≤0.4 的風(fēng)洞是低速風(fēng)洞，可用于低速空氣流動(dòng)狀態(tài)下的基礎(chǔ)研究；

0.4＜Ma≤4.5 的風(fēng)洞是高速風(fēng)洞，風(fēng)速在140 m/s以上[6]。

早期的汽車(chē)風(fēng)洞由航空風(fēng)洞改造形成，因此結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似，一般分為臥式和立式。

其中，立式風(fēng)洞和臥式風(fēng)洞主要應(yīng)用于汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞中。立式風(fēng)洞如圖1所示，可以很好的節(jié)約試驗(yàn)占地空間；臥式風(fēng)洞如圖2所示，可以更加便捷地實(shí)現(xiàn)各試驗(yàn)段的試驗(yàn)流程。

圖1 汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞（立式）示意[1]

圖2 汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞（臥式）示意[2]

無(wú)論是立式還是臥式，通風(fēng)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(fēng)面積。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)阻力損失、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證各試驗(yàn)場(chǎng)正常的前提下，努力減小總阻力的損失和能耗[6-10]。

汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中有十分重要的作用，可以進(jìn)行多重試驗(yàn)，不僅要模擬自然氣候環(huán)境以及道路情況，還要時(shí)刻監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能，具有多重響應(yīng)系統(tǒng)，通常包括：

（1）空氣濕度、溫度保證系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要用以控制模擬自然環(huán)境的溫度和濕度；

（2）車(chē)輛風(fēng)速模擬系統(tǒng)：主要用以控制試驗(yàn)環(huán)境的風(fēng)速，進(jìn)而模擬車(chē)輛迎風(fēng)面的風(fēng)速和汽車(chē)怠速狀態(tài)；

（3）太陽(yáng)輻射模擬系統(tǒng)：用來(lái)模擬太陽(yáng)光照強(qiáng)度和角度；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放系統(tǒng)：用來(lái)抽取試驗(yàn)環(huán)境中汽車(chē)排放出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣，滿足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作背壓狀態(tài)；

（5）道路阻力模擬系統(tǒng)：用來(lái)模擬上下坡、加減擋和路面阻力；

（6）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：用來(lái)對(duì)試驗(yàn)環(huán)境中各試驗(yàn)設(shè)備加以控制；

（7）新風(fēng)系統(tǒng)：為汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不斷增加新鮮空氣，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)；

（8）安全監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)：對(duì)試驗(yàn)環(huán)境異樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警，包括有毒有害氣體的產(chǎn)生、試驗(yàn)設(shè)備的突發(fā)故障等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理；

（9）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)：收集試驗(yàn)參數(shù)，處理試驗(yàn)結(jié)果，生成報(bào)告信息；

（10）其余環(huán)境模擬裝置：包括制冷系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)等，用來(lái)模擬雨雪、風(fēng)沙和振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境[7]。

2.2 汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的主要性能指標(biāo)與分析

汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞在運(yùn)行過(guò)程中，不同工段有著各自的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即流場(chǎng)、熱參數(shù)模擬和能耗。

流場(chǎng)指標(biāo)取決于風(fēng)道結(jié)構(gòu)、邊界層控制系統(tǒng)、整流裝置。用以評(píng)價(jià)阻塞效應(yīng)、改善空氣流動(dòng)的穩(wěn)定性以及邊界層厚度。熱參數(shù)模擬受冷熱機(jī)組設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)以及運(yùn)行方案的影響，用以調(diào)控溫濕度模擬范圍以及控溫速度。能耗指標(biāo)主要與設(shè)備選型和運(yùn)行方案有關(guān)，直接關(guān)聯(lián)到建設(shè)和運(yùn)行成本[7-9]。

因此，為了提高試驗(yàn)精度，可以從優(yōu)化汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的性能指標(biāo)入手，通過(guò)改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，獲得合適的阻塞比以及相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)試氣流。

環(huán)境風(fēng)洞又稱(chēng)邊界層風(fēng)洞，是模擬大氣邊界層流動(dòng)的低速風(fēng)洞，所以在環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)中，由邊界層引起的試驗(yàn)誤差需要關(guān)注。由于試驗(yàn)段可能存在洞壁厚度過(guò)大或者洞壁表面過(guò)于粗糙的干擾，導(dǎo)致阻塞比過(guò)大，會(huì)極大地影響流場(chǎng)指標(biāo)，進(jìn)而造成較大的試驗(yàn)誤差，因此通過(guò)適當(dāng)?shù)氖侄蝸?lái)優(yōu)化洞壁設(shè)計(jì)很有必要。風(fēng)洞阻塞比是汽車(chē)模型的正投影面積和風(fēng)洞噴口面積的比值，理論上風(fēng)洞阻塞比越小越好，但是由于壁厚影響，通?？刂圃?0%左右。如果需要得到標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)阻力系數(shù)，需要適量地進(jìn)行阻塞修正，以得到氣動(dòng)阻力系數(shù)的絕對(duì)值[8]。同樣會(huì)造成邊界層誤差的還有地板邊界層厚度，對(duì)于汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)優(yōu)化而言，找到邊界層的消減規(guī)律和方法非常有必要。

3 國(guó)外研究進(jìn)程

風(fēng)洞試驗(yàn)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨著對(duì)風(fēng)洞的深入研究，為了提高汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能，風(fēng)洞試驗(yàn)逐漸應(yīng)用于汽車(chē)制造領(lǐng)域，并且伴隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)試驗(yàn)精度要求的提高，在汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)以及對(duì)風(fēng)洞內(nèi)部各組件優(yōu)化方面也在不斷探索更好的研究方法[6-10]。

文獻(xiàn)[3]中，澳大利亞新南威爾士大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Flynn帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)化模型對(duì)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)部的屋頂通風(fēng)機(jī)來(lái)進(jìn)行研究。

在環(huán)境風(fēng)洞雨水試驗(yàn)段內(nèi)，由于內(nèi)部干擾氣體（如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣），會(huì)對(duì)雨水試驗(yàn)造成影響，需要徑向抽出干擾氣體，但由于旋轉(zhuǎn)通風(fēng)機(jī)頭與管道之間存在間隙，水進(jìn)入到間隙就會(huì)影響到通風(fēng)機(jī)的壽命從而過(guò)早失效，嚴(yán)重影響流場(chǎng)性能和試驗(yàn)精度。為此，F(xiàn)lynn等[3]設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)化模型，來(lái)進(jìn)行屋頂通風(fēng)機(jī)性能檢驗(yàn)。通過(guò)使用膠合板來(lái)支撐通風(fēng)機(jī)，在管道下面設(shè)計(jì)了漏斗以收集進(jìn)入屋頂通風(fēng)機(jī)的水。為了更加真實(shí)地模擬試驗(yàn)和增加可視化程度，分別使用鋁風(fēng)機(jī)和塑料風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)比漏斗在直接水流測(cè)試和水霧測(cè)試下的雨水收集率，而后在雨室中測(cè)試了直徑分別為10 mm、3 mm 和1 mm 的3 個(gè)空速管在濕潤(rùn)條件下的防雨性能，并與干燥條件進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖3所示。得到結(jié)論：有空速管的試驗(yàn)組可以明顯抑制雨水進(jìn)入，而且跟空速管的皮托直徑有關(guān)，直徑越大，阻雨效果越好[3]。該試驗(yàn)的設(shè)計(jì)為風(fēng)洞內(nèi)屋頂通風(fēng)機(jī)改進(jìn)提供了幫助，通過(guò)安裝合適的空速管來(lái)抑制雨進(jìn)入風(fēng)機(jī)間隙很有效。通過(guò)該文獻(xiàn)得知利用簡(jiǎn)化模型來(lái)設(shè)置對(duì)照組試驗(yàn)，不僅可以降低試驗(yàn)的成本，還能更加清晰直觀地探索最優(yōu)方案。但是簡(jiǎn)化模型法仍舊存在樣本容量的局限性，而且耗時(shí)耗力，因此需要不斷探索更好的優(yōu)化方法。

在線學(xué)習(xí)資源并不能滿足所有學(xué)生的需求，課程體系不夠完善，對(duì)于課程開(kāi)發(fā)不足，有很多環(huán)節(jié)還不能用多媒體直觀的展示給學(xué)生，學(xué)生對(duì)于知識(shí)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(duì)比[3]

利用計(jì)算機(jī)模擬仿真的手段來(lái)設(shè)計(jì)較為完善的環(huán)境風(fēng)洞系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，可以極大程度減少人力、物力開(kāi)支，為環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)各參數(shù)的優(yōu)化以及子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供捷徑。

Ghani 等[4]采用流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）模擬仿真的方法，就緊湊型閉環(huán)全尺寸汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞展開(kāi)研究。設(shè)計(jì)出一套長(zhǎng)9.5 m，高9.5 m，寬3 m 的緊湊型閉環(huán)全尺寸汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞，如圖4所示。采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的板條屏模擬風(fēng)速廓線，更加真實(shí)地模擬出大氣邊界層。采用k-ε湍流模型，通過(guò)兩相耦合模擬求解法優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)，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(guò)CFD對(duì)降雨軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)風(fēng)洞內(nèi)地面水負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 緊湊型閉環(huán)全尺寸汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞[4]

文獻(xiàn)[4]所設(shè)計(jì)的風(fēng)洞用于研究雨水進(jìn)入汽車(chē)內(nèi)部的情況、車(chē)速、路況、熱負(fù)荷和車(chē)輛外形之間的關(guān)系，還可用于研究車(chē)輛熱管理、車(chē)輛舒適性、發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和嚴(yán)寒天氣下的雨刷效率。該環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化方法，為環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)精確度的提高給予了參考。但是由于純粹的計(jì)算機(jī)模擬太過(guò)于理想化，而實(shí)際駕乘環(huán)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(guān)系的不確定性。因此，計(jì)算機(jī)模擬風(fēng)洞設(shè)計(jì)仍舊存在不確定的誤差，需要結(jié)合實(shí)際對(duì)環(huán)境的多變因素進(jìn)行綜合分析。

隨著科技水平不斷提升，單純的模擬仿真會(huì)由于模擬結(jié)果太過(guò)理想而與實(shí)際有所誤差。2021年，Yuan等[11]提出了一種新型的半機(jī)械化物理式風(fēng)洞（Cyborg-Physical Wind Tunnel,CPWT）設(shè)計(jì)平臺(tái)。

該平臺(tái)可以將傳統(tǒng)的物理風(fēng)洞與優(yōu)化算法相結(jié)合從而精確、快速地導(dǎo)出大量物理數(shù)據(jù)，并能夠?qū)λ占臄?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。CPWT由120個(gè)動(dòng)態(tài)升降單元組成，配有傳感器、Arduino 和伺服電機(jī)，用于捕捉風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)響應(yīng)。試驗(yàn)中結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)迎風(fēng)面積指數(shù)和振蕩指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，用于形態(tài)學(xué)生成。試驗(yàn)結(jié)果表明，均方誤差能夠快速穩(wěn)定在[-0.02783, 0.02892]和[-2.324,2.845]的范圍內(nèi)，具有較好的可預(yù)測(cè)性和較低的數(shù)據(jù)誤差。所以，CPWT 是設(shè)計(jì)初期基于高速風(fēng)洞性能的建筑形態(tài)推斷和預(yù)測(cè)的有效工具。

文獻(xiàn)[11]基于前人對(duì)CPWT 的研究，提出了基于網(wǎng)格的形式演繹系統(tǒng)，將物理平臺(tái)、傳感器系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)以及機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)相結(jié)合，來(lái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)化。通過(guò)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)和120單元柵格提升機(jī)構(gòu)，以迎風(fēng)面積指數(shù)和振蕩指數(shù)為重點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練和形態(tài)試驗(yàn)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和列文伯格-馬夸爾特（Levenberg-Marguardt，LM）算法計(jì)算并導(dǎo)出迎風(fēng)面積指數(shù)和高度交錯(cuò)指數(shù)。

在本研究中的CPWT 主要應(yīng)用于建筑物防風(fēng)性能的研究上，通過(guò)作者的展望發(fā)現(xiàn)，其實(shí)CPWT 未來(lái)還可以對(duì)多環(huán)境因素進(jìn)行研究，如具有聲、光、熱特征的全天候環(huán)境。同時(shí)也能夠?yàn)檠芯科?chē)環(huán)境風(fēng)洞產(chǎn)生啟發(fā)，傳統(tǒng)的風(fēng)洞和CFD工具在迭代計(jì)算的過(guò)程中耗時(shí)耗力，而且樣本數(shù)量有限，因此有了這種半機(jī)械化物理式風(fēng)洞，可以極大提高效率以及增大風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度。

通過(guò)國(guó)外相關(guān)的研究進(jìn)程可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著技術(shù)要求和試驗(yàn)水平的提高，對(duì)于汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了從簡(jiǎn)化試驗(yàn)到數(shù)值模擬的過(guò)渡。這不僅簡(jiǎn)化了繁瑣的對(duì)照組試驗(yàn)的設(shè)置，還可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本。但是，由于模擬近乎理想狀態(tài)，很難將實(shí)際誤差考慮周全，因此通過(guò)純粹的模擬仿真來(lái)達(dá)到實(shí)際精度要求，仍然有較大誤差。為了更好地提高實(shí)際試驗(yàn)精度，未來(lái)將會(huì)從設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法入手，更加注重降低誤差。因此，采用基于物理風(fēng)洞和優(yōu)化算法的半機(jī)械化物理式風(fēng)洞的設(shè)計(jì)理念，并進(jìn)行不斷優(yōu)化升級(jí)，以有效提高精度。

4 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)程

2015年，湖南大學(xué)的楊易[12]等對(duì)湖南大學(xué)的HD-2風(fēng)洞的抽吸系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，以改善抽吸效果，提高試驗(yàn)精確度。通過(guò)對(duì)所建立的抽吸系統(tǒng)Kriging近似模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，獲得優(yōu)化后的風(fēng)洞抽吸系統(tǒng)各參數(shù)為：開(kāi)孔面積s=0.255 4 m2，多孔介質(zhì)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(yōu)化后的風(fēng)洞阻力系數(shù)與精確度較高的斯圖加特大學(xué)的IVK風(fēng)洞進(jìn)行對(duì)比，證明了優(yōu)化效果可靠。

然后從風(fēng)洞附面層厚度、汽車(chē)模型尾部結(jié)構(gòu)和外部壓力3個(gè)方面探討影響流場(chǎng)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(chē)尾負(fù)壓區(qū)的增大，風(fēng)阻增大；

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

通過(guò)對(duì)比仿真分析再次證實(shí)了優(yōu)化效果顯著增加，并進(jìn)一步證明數(shù)值優(yōu)化法在汽車(chē)風(fēng)洞設(shè)計(jì)中的可靠性。

該項(xiàng)研究可以給汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞中風(fēng)洞試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)提供幫助，而且通過(guò)該風(fēng)洞的抽吸系統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化法，從理論上證明了利用計(jì)算機(jī)來(lái)代替人工算法的可行性，不僅可以節(jié)約成本和資源，還能明顯縮短研發(fā)周期。

梁媛媛[13]在阻塞效應(yīng)修正方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，使用大面積的噴口能降低阻塞效應(yīng)，但需要考慮氣流噪音和初始投資。由于以前學(xué)者們的研究主要集中在風(fēng)洞的試驗(yàn)段，缺乏對(duì)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞整體流場(chǎng)、風(fēng)道阻力分析以及怠速流場(chǎng)的研究，所以梁媛媛[13]分析了湍流模型和邊界條件對(duì)非怠速下風(fēng)洞流場(chǎng)的影響，并在上海某環(huán)境風(fēng)洞的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的邊界層水平抽吸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如圖5。最終發(fā)現(xiàn)，將試驗(yàn)段地板的速度邊界層厚度控制在100 mm 以?xún)?nèi)，將邊界層位移厚度嚴(yán)格控制在14.8 mm 以?xún)?nèi)，可以顯著優(yōu)化抽吸率，進(jìn)而提高汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的試驗(yàn)精度。并且通過(guò)將試驗(yàn)段寬度從9.5 m 減小為7.5 m，發(fā)現(xiàn)減小試驗(yàn)段寬度會(huì)影響汽車(chē)怠速試驗(yàn)精度[13]。文獻(xiàn)[13]對(duì)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞流場(chǎng)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M分析，得到汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞水平抽吸系統(tǒng)的邊界層控制范圍和試驗(yàn)段優(yōu)化方向。

圖5 上海某環(huán)境風(fēng)洞[13]

環(huán)境風(fēng)洞在進(jìn)行汽車(chē)氣動(dòng)性試驗(yàn)時(shí)，需要滿足以下準(zhǔn)則：足夠的均勻流場(chǎng)、小于1.5×106的雷諾數(shù)、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(duì)于消減邊界層干擾的研究尤為重要，不僅可以減小試驗(yàn)干擾誤差、提高測(cè)試精確度，而且還可以根據(jù)地板邊界層消減規(guī)律，設(shè)計(jì)出滿足要求的風(fēng)洞地板[14-18]。

2017年，陸新林等[19]對(duì)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞邊界層進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由于實(shí)際路況不存在地板邊界層，而在風(fēng)洞試驗(yàn)段的固定地板上會(huì)產(chǎn)生邊界層，從而影響模擬的準(zhǔn)確性，因此該團(tuán)隊(duì)對(duì)邊界層的產(chǎn)生規(guī)律展開(kāi)研究。

選取某環(huán)境風(fēng)洞模型，利用STAR-CCM軟件進(jìn)行建模計(jì)算，采用分離變量法的隱式求解，分別研究了水平開(kāi)口抽吸法對(duì)邊界層厚度的影響和對(duì)試驗(yàn)段靜壓梯度的影響。

最終得出結(jié)論：隨著水平抽吸強(qiáng)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(qiáng)度增大，試驗(yàn)段射流靜壓力略有降低，而靜壓梯度基本不變[19]。文獻(xiàn)[19]為后續(xù)探索風(fēng)洞試驗(yàn)誤差影響因素以及升級(jí)風(fēng)洞試驗(yàn)段地板構(gòu)造提供思路。

為了對(duì)比分析環(huán)境風(fēng)洞模擬試驗(yàn)與實(shí)際道路試驗(yàn)的結(jié)論誤差，用以驗(yàn)證汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞在模擬極端天氣時(shí)所得到的試驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確，2021年長(zhǎng)安大學(xué)的徐婷等[20]針對(duì)極端環(huán)境下的環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行研究。該團(tuán)隊(duì)選取了典型的高溫山區(qū)路段進(jìn)行實(shí)際路試，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)際路試與環(huán)境風(fēng)洞的對(duì)標(biāo)試驗(yàn)。

采取短行程分析法構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的工況，分別擬合出汽車(chē)的低速、高速和不穩(wěn)定運(yùn)行3種運(yùn)行工況，采用標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差的方法進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)除了高溫環(huán)境，頻繁加減速也會(huì)增加熱管理系統(tǒng)的溫度，從而影響汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及車(chē)輛自身壽命。由于真實(shí)行駛環(huán)境工況多變，所以使得對(duì)極端環(huán)境下的測(cè)試研究變得非常有意義。

文獻(xiàn)[20]通過(guò)對(duì)標(biāo)分析的手段，發(fā)現(xiàn)真實(shí)極端環(huán)境與環(huán)境風(fēng)洞模擬的相同條件試驗(yàn)結(jié)果基本擬合，進(jìn)而證明了利用環(huán)境風(fēng)洞來(lái)進(jìn)行汽車(chē)極端環(huán)境測(cè)試是可行的。

上述國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中，對(duì)于汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞的誤差分析主要基于邊界層控制范圍對(duì)水平抽吸系統(tǒng)的影響，而邊界層又是影響流場(chǎng)指標(biāo)的重要因素之一，因此值得關(guān)注?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化開(kāi)孔面積、多孔介質(zhì)的厚度、抽吸速度、附面層厚度、氣流偏角的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)水平抽吸系統(tǒng)的優(yōu)化。地板邊界層厚度與邊界層位移影響非怠速下風(fēng)洞流場(chǎng)，適當(dāng)減小試驗(yàn)段寬度會(huì)提高怠速試驗(yàn)精度，從而更好地達(dá)到水平抽吸效果，以提高試驗(yàn)精度。為了消減邊界層干擾，可適當(dāng)增大風(fēng)洞試驗(yàn)段水平抽吸強(qiáng)度、減小試驗(yàn)車(chē)輛與風(fēng)機(jī)抽吸口的距離。通過(guò)文獻(xiàn)[20]得知，在進(jìn)行道路實(shí)際路試和環(huán)境風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)分析中，雖然結(jié)果基本吻合，但仍舊存在誤差，所以這就更加肯定了國(guó)外研究中的半機(jī)械化式物理風(fēng)洞光明的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，結(jié)果表明，雖然汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞相比于僅供汽車(chē)氣動(dòng)性能研究的傳統(tǒng)風(fēng)洞而言，可以做更加貼近真實(shí)環(huán)境的綜合模擬試驗(yàn)，但同時(shí)帶來(lái)很多其它影響因素，亟待進(jìn)一步研究和改進(jìn)，如雨雪模擬試驗(yàn)段的路面影響、冰霜影響、環(huán)境風(fēng)洞各試驗(yàn)段設(shè)備間隙影響、風(fēng)洞內(nèi)地板邊界層影響和極端環(huán)境下不同時(shí)段的不確定性影響。

本文通過(guò)文獻(xiàn)綜述，對(duì)影響流場(chǎng)指標(biāo)的因素進(jìn)行探討，分析了水平抽吸系統(tǒng)的優(yōu)化方向以及邊界層的消減規(guī)律，得到了一些試驗(yàn)誤差的產(chǎn)生規(guī)律，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。從國(guó)外風(fēng)洞研究方法的革新中獲得啟發(fā)，從而改變傳統(tǒng)的優(yōu)化研究思路，以便更好地改進(jìn)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞模擬系統(tǒng)。研究表明，擁有足夠精確和完善的汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞模擬系統(tǒng)，才能有效提高汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞各試驗(yàn)段的性能以及與真實(shí)環(huán)境工況的擬合度，充分發(fā)揮汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)相比于傳統(tǒng)性能檢測(cè)試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、便捷性、高效性和可靠性?xún)?yōu)勢(shì)。