汽车环境风洞实验室的性能评价与分析 孙涛 郭辉 宋安摘 要：近年来，汽车环境风洞试验室在整车性能研发中的作用越来越受到研发人员的重视，如何评价试验室本身的模拟精度，目前还并未形成完整的评价体系基于国内某风洞试验室的实测案例，本文对环境风洞试验室气动参数的含义、测量方法、数据分析进行了详细阐述;展示了环境参数的测试结果，并与环境舱参数进行对比，结果表明环境风洞的空气动力学特性对环境模拟指标具有重要影响关键词：汽车环境风洞试验室;环境指标;气动参数：U467 ：A ：1005-2550（2019）03-0073-06Abstract： 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 言汽车风洞试验室测试技术在欧美等发达国家已非常成熟，近年来，随着我国汽车工业技术的发展，很多企业和研发机构已经意识到风洞在整车研发技术中的重要性，纷纷投建自己的风洞试验室。
试验室的模拟精度对测试结果有直接的影响，因此，需要对其关键性能指标进行测量标定，保证试验的高重复性和稳定性风洞试验室建设完成后的测量和标定是验证其整体设计和性能的重要环节，主要包括气动参数测量和环境参数测量环境风洞试验室优于普通环境舱的关键在于其更接近实际道路的气动特性，环境舱基本不做空气动力学特性评价，而对于风洞试验室这是非常重要的1 气动参数测量气动参数主要包括风速均匀性、风速稳定性、轴向静压梯度、风压脉动、气流偏角等[1]测试前先对测试段的有效区域进行定义，测试范围为：X轴方向+1.5m～+8m，Y轴方向-1.6m～+1.6m，Z轴方向+0.25m～+2.25m，如图1所示我们将测量区域按等网格划分取测试点，Y轴方向和Z轴方向间距为250mm，X轴方向范围较大，可按1m间距划分，所有测试在空舱状态下进行1.1 风速均匀性采用网格法进行测量，用S型皮托管测量喷口基准面的实际动压值，用百分误差法进行数据分析，结果如表1所示蓝色数值对应流场的核心区域，为有效数据，红色数值对应实际流场的边缘，属于无效数据，仅对有效数据进行计算由计算结果可知，流场中心区域风速均匀性偏差控制在0.5%以内1.2 风速稳定性风速稳定性是针对工况变化后，风速达到稳定时测量值与设定值的偏差，风速范围15～250km/h，风速改变30s后达到稳定，截取2分钟内的数据进行分析：由计算结果可知，全范围内平均偏差控制在0.5km/h以内。
1.3 軸向静压梯度风洞试验室内关注轴向静压梯度，它的大小影响汽车气动力测量结果的准确性试验段静压系数和静压梯度（如无特别说明均指中心轴向）主要受喷口尺寸、试验段长度、收集口大小和角度等试验段结构因素的影响[3]轴向静压系数和梯度的定义如式（1-4）、式（1-5）所示，测量区域是沿x轴方向1m～8m，每隔1m设定测量点，采用皮托管分别测量静压和动压值1.4 风压脉动由于风洞尺寸较大，喷口边界层的湍流、射流边界层与收集口相互作用的脉动压力频率低，包含的能量大，需要在设计中尽量降低，避免出现共振，即所谓低频颤振[3]湍流是具有脉动特性的流体，随时间周期性变化，分为时均压力和脉动压力，如图3所示，试验采样的脉动压力用离散函数表示，脉动强度则用统计特征量压力均方根来反映，如式（1-8）;且根据雷诺数相似准则，在一定范围内流动形态相同，压力值的大小是与空气流动速度大小成正比[4]，可推导得到脉动压力均方根系数：实际测量中用声压级（SPL）表征脉动压力均方根，声学中通常将rms省去，直接用P表示，利用麦克风测量在不同风速下的声压级[5]，再进行数学运算即得到脉动压力均方根系数，如下图4所示：以上为全风速段测试结果，只有一个振幅较大的测试点，共振频率约为2.3Hz，共振点的风速在70km/h左右，此时湍流脉动能量出现了一个峰值，总体指标小于0.08%。
2 环境参数对于环境风洞来讲，环境评价指标同样重要，主要包括温度均匀性、温度控制精度、温度变化速率、相对湿度控制精度、相对湿度均匀性、相对湿度变化速率等同样采用网格法进行测量，在移测架上均匀布置热电偶和湿度计，所有传感器应在测试前用温箱进行标定以温度均匀性测试为例，设定温度值20℃，风速120km/h，距离喷口1.5m处温度均匀性测试数据如表4所示根据上表结果所示，车辆进气口前端的平均温度偏差为0.13℃，接下来沿X轴，在1m～8m范围内，每间隔1m重复测量Y-Z平面的温度点，得到每个平面的温度均匀性偏差，湿度测量与温度测量方法相同温度变化速率则采用分段测量法，将全温度场分为高温段、常温段和低温段，验证各级系统的制冷能力，最终计算得到平均温变速率将风洞试验室与环境舱的实测参数进行对比，可更直观地比较出两者的性能差异如表6所示：通常，环境舱的跟随风机仅能模拟车辆前端进气口处的气流，由于车身周围空间受限，车身四周的气流会受到舱壁表面的湍流和涡流影響，无法达到自然道路上的均匀流场，车身周围的环境参数偏差较大;而风洞试验室则在大空间内得到了更好的流场，环境参数控制的精确性优于环境舱，这与流场品质息息相关。
而相同温度下高风速工况下的温度场更好例如，在20℃、80km/h时，气流在Y轴边界位置均匀性较差，这是由于风场边界处于层流状态，流体传热热阻主要集中在该层中，温差较大;随着风速的增加至120km/h时，层流及缓冲层在边界以外范围，边界变为湍流，流体质点剧烈混合，可近似认为无传热热阻，温度均匀性变好结果如图5和6所示3 总结本文基于汽车风洞试验室的实测数据，对关键气动参数的含义和分析流场品质常用的数学方法进行介绍，包括风速均匀性百分误差法、静压梯度差分法和风压脉动的麦克风测试法，对比风洞与环境舱的环境参数测试结果，表明风洞试验室具有更好的流场品质，均匀的流场有助于更精准的环境场形成，使得环境模拟更接近真实路面许多整车企业已经拥有或正在规划风洞试验室，未来应该建立环境风洞试验室统一的评价体系参考文献：[1]吕骋予，赵志军，张笑雷. 低速高温风洞设计及性能测试[J]. 能源研究与信息，2018，34（1）： 51-55，61.[2]韩书新，孙仁霞，魏新华. 气象低速风洞参数及性能测试.气象水文海洋仪器，2018，30（4）：122-124，128.[3]伍荣林，王振羽，风洞设计原理，北京航空学院出版社，1985.[4]两种改善汽车风洞轴向静压系数的方法，同济大学学报（自然科学版），2010，38（3）：422-426.[5]郑志强，彭为，靳晓雄. 汽车风洞声学控制研究[J].噪声与振动控制动，2006，26（3），64.汽车科技2019年3期汽车科技的其它文章某后驱SUV扶手箱抖动问题分析与控制基于有限元的齿轮箱惰轮端面磨损分析废气平衡阀开度对柴油机性能及排放影响规律研究基于毫米波雷达的自动紧急刹车系统设计柴油机活塞内冷油道CAE优化设计安全环保车用电池包系统研究 -全文完-。