高英飛 傅偉林 謝剛 張曉東 丁雯娟 劉學(xué)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(fēng)洞試驗室至今已有一百五十多年的發(fā)展歷史，據(jù)記載，英國航空委員會會員Francis Herbert Wenham 在1871 年設(shè)計并建造了世界第一個風(fēng)洞，此后根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域要求，發(fā)展成為不同種類的風(fēng)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(fēng)洞Subsonic（M＜0.8）、跨音速風(fēng)洞Transonic（0.8＜M＜1.2）、超音速風(fēng)洞Supersonic（1.2＜M＜5.0）、高音速風(fēng)洞Hypersonic（M＞5.0），其中M 為馬赫數(shù)，即風(fēng)速與聲速之比，取聲速=343m/s@20deg，按照以上分類，汽車風(fēng)洞試驗室均屬亞音速范疇。[1]

按照氣流循環(huán)方式分為：

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

按照應(yīng)用領(lǐng)域分為：

航空風(fēng)洞、汽車風(fēng)洞（分整車風(fēng)洞和模型風(fēng)洞）、建筑風(fēng)洞等，其中汽車風(fēng)洞又可分為環(huán)境風(fēng)洞Climatic Wind Tunnel和空氣動力學(xué)聲學(xué)風(fēng)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(xué)性能，例如發(fā)動機散熱性能，空調(diào)的舒適性等；而AAWT 則主要用于研究車輛的氣動和聲學(xué)性能，例如空氣阻力/升力/側(cè)向力，聲學(xué)性能等。兩者的主要區(qū)別在于設(shè)備組成和環(huán)境要求。

在設(shè)備方面，AAWT 利用天平測量各向分力，CWT 則用轉(zhuǎn)鼓模擬路面條件和載荷。由于兩種設(shè)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(shè)計為可更換方式，但此功能實現(xiàn)需龐大且復(fù)雜的轉(zhuǎn)運機構(gòu)，從投資和實用的角度非最優(yōu)實踐。當(dāng)然也有部分試驗室同時安裝天平和轉(zhuǎn)鼓，非常規(guī)案例，實際效果還有待考證。

在環(huán)境要求方面，AAWT 的環(huán)境要求通常為恒溫恒濕，而CWT 則根據(jù)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(huán)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(huán)境風(fēng)洞試驗室（CWT）由于溫度變化范圍大（一般為-40℃～60℃），氣流品質(zhì)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(fēng)洞系統(tǒng)功能介紹。

CWT 能夠開展各類與熱力學(xué)相關(guān)的試驗，主要包括：

1.熱管理性能（空調(diào)系統(tǒng) (HVAC) ：制冷/ 采暖、控制策略標(biāo)定、除霜/ 除霧性能測定熱泵系統(tǒng)試驗、自動空調(diào)標(biāo)定）。

2.動力系統(tǒng)試驗(PTC)、整車發(fā)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(fēng)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(yīng)測定。

CWT 各系統(tǒng)簡介如下：

（1）轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)

轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的功能是路面模擬，按照驅(qū)動方式分為四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓（4x4-四驅(qū)四電機和4x2-四驅(qū)兩電機）和兩驅(qū)轉(zhuǎn)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(tǒng)由轉(zhuǎn)鼓（道路模擬）、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、固定裝置、安全系統(tǒng)、司機助（駕駛輔助裝置）、路面熱效應(yīng)模擬等組成。該系統(tǒng)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(fēng)阻，機械摩擦阻力）。大部分試驗過程都是由車輛驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓，此時車輛輸出的功率可轉(zhuǎn)化為電能可儲存或反饋到電網(wǎng)，故在轉(zhuǎn)鼓的電氣系統(tǒng)設(shè)計是可其使用的同步系統(tǒng)降低。

（2）風(fēng)機系統(tǒng)

風(fēng)機系統(tǒng)的功能是補償空氣在流道循環(huán)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(fēng)機和離心風(fēng)機，目前回流風(fēng)洞均采用軸流風(fēng)機，效率可達到90%。系統(tǒng)由風(fēng)機，驅(qū)動系統(tǒng)（電機及變頻器），控制系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，安全系統(tǒng)。風(fēng)機是CWT 的主要耗電設(shè)備，以8m2噴口的CWT 為例，車速最大200kph 時，風(fēng)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(fēng)機在制動時會將能量回收到電網(wǎng)（也可作為熱能使用），故風(fēng)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(huán)通道，使得氣流按照設(shè)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(fēng)速補償和溫濕度調(diào)節(jié)。按照空氣流向包括：噴口、收集口、連接段，拐角，風(fēng)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(tǒng)的設(shè)計也是考察工藝設(shè)計公司空氣動力學(xué)設(shè)計能力的主要系統(tǒng)，對整體氣動效率，冷熱控制，氣流品質(zhì)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(yīng)力變形，此系統(tǒng)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(diào)整對風(fēng)洞氣流品質(zhì)的達成至關(guān)重要。

（4）陽光模擬系統(tǒng)

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

（5）環(huán)境模擬系統(tǒng)

此系統(tǒng)用于滿足不同條件下的環(huán)境要求。系統(tǒng)主要由換熱器、管路系統(tǒng)、制冷機組（制冷）、鍋爐（制熱）、冷卻塔及控制系統(tǒng)等組成，通過PID 調(diào)整方式制冷或加熱回路實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的動態(tài)和靜態(tài)控制，例如溫濕度的控制精度，穩(wěn)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(tǒng)也是風(fēng)洞現(xiàn)場安裝和調(diào)試時間最長的系統(tǒng)。

（6）控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)為風(fēng)洞的“大腦”/“司令部”，即根據(jù)測試工況對各系統(tǒng)按要求進行控制和監(jiān)控，包括陽光模擬強度，噴口的溫濕度，風(fēng)速的控制（包括噴口-穩(wěn)流段壓差控制法和駐室-穩(wěn)流段壓差控制法），此外轉(zhuǎn)鼓和風(fēng)機的速度同步也由此系統(tǒng)完成。此外，風(fēng)洞的數(shù)采系統(tǒng)也可連接到該系統(tǒng)進行試驗室和車輛數(shù)據(jù)的同步采集等。此外，需要注意的是，試驗室環(huán)境條件的數(shù)據(jù)應(yīng)保證和車輛相關(guān)的傳感器保持時間基準(zhǔn)的一致性，一般的做法是采用NTP 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)時間基準(zhǔn)校正。

（7）數(shù)據(jù)存儲中心

由于風(fēng)洞試驗測試過程中的數(shù)據(jù)采集頻率高（一般為10Hz），故每次試驗將產(chǎn)生數(shù)以GB 的數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)的存儲，故需建立遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心，將試驗數(shù)據(jù)實時上傳到數(shù)據(jù)中心，而控制電腦將更多用于試驗室設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的處理。

衡量CWT 的綜合性能的指標(biāo)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(fēng)速/可變噴口對應(yīng)最大風(fēng)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(zhì)

風(fēng)速穩(wěn)定性/均勻性、氣流偏角、湍流度、風(fēng)壓脈動、軸向靜壓梯度、邊界層移除厚度。

3）環(huán)境模擬品質(zhì)

溫度控制精度、溫度控制均勻性、溫度升降速率（定義溫度區(qū)間內(nèi)）、濕度控制精度、濕度控制均勻性、濕度升降速率（定義區(qū)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(biāo)也是CWT 驗收時的主要測量參數(shù)

2 風(fēng)洞試驗室當(dāng)前現(xiàn)狀及趨勢

風(fēng)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(shè)此試驗室的主機廠一般需具有一定的規(guī)模和盈利能力（一般年銷量需百萬以上）。

風(fēng)洞發(fā)展至今國內(nèi)外已有很多風(fēng)洞投入使用，效果良好，現(xiàn)匯總?cè)绫?：

表1

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

隨著世界整體汽車工業(yè)水平的提高，目前對環(huán)境風(fēng)洞模擬的氣動指標(biāo)也在逐日提升，環(huán)境風(fēng)洞模擬品質(zhì)的提升對于主機廠問題前置，研發(fā)周期縮短具有戰(zhàn)略性意義。同時環(huán)境風(fēng)洞克服了室外環(huán)境條件的可重復(fù)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(jié)對試驗需求的限制。

3 風(fēng)洞試驗室技術(shù)必要性

當(dāng)下汽車工業(yè)進入到了輕量化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化發(fā)展的關(guān)鍵時期，其中電動車的主要問題之一就是續(xù)航里程焦慮，提高綜合續(xù)航里程的關(guān)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(shù)，廢熱回收（ECR）等，此類試驗在CWT 能夠進行精確標(biāo)定和驗證，而且試驗結(jié)果和真實的路試相比環(huán)境倉更為接近，因而在提高研發(fā)質(zhì)量的同時可以防止設(shè)計性能過盈/不足，降低研發(fā)成本及風(fēng)險的同時提高產(chǎn)品的市場競爭力。

環(huán)境風(fēng)洞試驗室由于能夠精確且可重復(fù)地控制氣候環(huán)境，使得整車研發(fā)不受限與自然季節(jié)的變化，極大程度縮短了整車研發(fā)的周期，同時對大部分售后的熱失效可進行問題重現(xiàn)。同時可以將試驗場和道路的試驗環(huán)境工況（溫度、濕度，光照、車速等）導(dǎo)入到轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)中，使得可在試驗室內(nèi)復(fù)現(xiàn)真實道路或試驗場內(nèi)開展的試驗，開展相關(guān)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(fā)生率。

另一方面，AAWT 的建設(shè)對車企建立獨立的空氣動力學(xué)和聲學(xué)測試能力也至關(guān)重要。眾所周知，車輛的能量（發(fā)動機/電池包）主要轉(zhuǎn)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(tǒng)、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(fēng)阻系數(shù)，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(yōu)化風(fēng)阻系數(shù)和正投影面積的乘積，而此項工作需結(jié)合CFD 仿真和空氣動力學(xué)驗證。尤其在油泥模型優(yōu)化階段，需要數(shù)輪的風(fēng)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(xué)風(fēng)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(fā)縮小差距甚至趕超，正所謂“工欲善其事必先利其器”。

4 結(jié)語

風(fēng)洞試驗室（CWT 和AAWT）是車企研發(fā)的必備工具，隨著中國汽車頭部車企近年來的快速發(fā)展和突破，與國際一流車企的研發(fā)能力也在逐漸縮小，但部分關(guān)鍵試驗研發(fā)工具（例如風(fēng)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(fēng)洞試驗室建設(shè)的必要性也日益凸顯。

本文主要介紹了風(fēng)洞試驗室的分類，功能和主要技術(shù)指標(biāo)，對風(fēng)洞試驗室目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡短梳理，希望對讀者有所幫助。