汽车风洞试验室简介及应用分析

高英飞 傅伟林 谢刚 张晓东 丁雯娟 刘学莉

吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 试验室简介

风洞试验室至今已有一百五十多年的发展历史，据记载，英国航空委员会会员Francis Herbert Wenham 在1871 年设计并建造了世界第一个风洞，此后根据不同应用领域要求，发展成为不同种类的风洞试验室，按照不同方式分类主要有以下几种：

按照速度等级分为：

亚音速风洞Subsonic（M＜0.8）、跨音速风洞Transonic（0.8＜M＜1.2）、超音速风洞Supersonic（1.2＜M＜5.0）、高音速风洞Hypersonic（M＞5.0），其中M 为马赫数，即风速与声速之比，取声速=343m/s@20deg，按照以上分类，汽车风洞试验室均属亚音速范畴。[1]

按照气流循环方式分为：

开式风洞（气流从测试段后直接排出）和闭式风洞（气流经测试段后进行下一个循环）。[3]

按照应用领域分为：

航空风洞、汽车风洞（分整车风洞和模型风洞）、建筑风洞等，其中汽车风洞又可分为环境风洞Climatic Wind Tunnel和空气动力学声学风洞Aero Acoustic Wind Tunnel（下文分别简称为CWT 和AAWT）。其中，CWT 主要用于研究和验证车辆的热力学性能，例如发动机散热性能，空调的舒适性等；而AAWT 则主要用于研究车辆的气动和声学性能，例如空气阻力/升力/侧向力，声学性能等。两者的主要区别在于设备组成和环境要求。

在设备方面，AAWT 利用天平测量各向分力，CWT 则用转鼓模拟路面条件和载荷。由于两种设备原理和安装要求完全不同，故不能相互代替，目前有部分试验室设计为可更换方式，但此功能实现需庞大且复杂的转运机构，从投资和实用的角度非最优实践。当然也有部分试验室同时安装天平和转鼓，非常规案例，实际效果还有待考证。

在环境要求方面，AAWT 的环境要求通常为恒温恒湿，而CWT 则根据不同试验工况有不同温湿度和光照的要求，且同一工况下也会有环境变化要求，例如爬坡工况要求在爬坡的同时温度降低，以达到山地气候的模拟。

汽车环境风洞试验室（CWT）由于温度变化范围大（一般为-40℃～60℃），气流品质要求较高，综合实施难度较大，故下文以此类试验室为例进行风洞系统功能介绍。

CWT 能够开展各类与热力学相关的试验，主要包括：

1.热管理性能（空调系统 (HVAC) ：制冷/ 采暖、控制策略标定、除霜/ 除雾性能测定热泵系统试验、自动空调标定）。

2.动力系统试验(PTC)、整车发动机热平衡试验、制动散热性能测定试验、最大速度测定试验、最大加速度测定试验、热害风险测定。

3.气候条件影响、雨刮器试验、水流管理试验、降雪试验、泥溅效应测定。

CWT 各系统简介如下：

（1）转鼓系统

转鼓系统的功能是路面模拟，按照驱动方式分为四驱转鼓（4x4-四驱四电机和4x2-四驱两电机）和两驱转鼓[2]。按照尺寸分类目前主要有两种，分别是48 英寸和75 英寸。系统由转鼓（道路模拟）、驱动系统、控制系统、固定装置、安全系统、司机助（驾驶辅助装置）、路面热效应模拟等组成。该系统可模拟真实道路的路面特征，即模拟车辆行驶时需克服的阻力（道路摩擦阻力，风阻，机械摩擦阻力）。大部分试验过程都是由车辆驱动转鼓，此时车辆输出的功率可转化为电能可储存或反馈到电网，故在转鼓的电气系统设计是可其使用的同步系统降低。

（2）风机系统

风机系统的功能是补偿空气在流道循环后的气压损失，保证气流的速度。按不同的气流运动方式分为轴流风机和离心风机，目前回流风洞均采用轴流风机，效率可达到90%。系统由风机，驱动系统（电机及变频器），控制系统，冷却系统，安全系统。风机是CWT 的主要耗电设备，以8m2喷口的CWT 为例，车速最大200kph 时，风机的功率约2MW，即每小时消耗2000 度电。但高速在一个完整的工况一般只占很小比例，且风机在制动时会将能量回收到电网（也可作为热能使用），故风机的实际能耗会比理论上小很多。

（3）钢流道

钢流道作为气流循环通道，使得气流按照设定的方向和速度通过喷口到达试验车辆后回到收集口，进行下个周期的风速补偿和温湿度调节。按照空气流向包括：喷口、收集口、连接段，拐角，风机收缩段，扩散段，换热器段等。其中测试段位于喷口（Nozzle）和收集口（Collector）之间，在测试段开展试验。钢流道系统的设计也是考察工艺设计公司空气动力学设计能力的主要系统，对整体气动效率，冷热控制，气流品质的达成举足轻重。由于是大表面积薄板钢材（一般为6mm-10mm），需充分考虑高低温冲击引起的温度应力变形，此系统主要对制造公差和安装公差要求高，包括平面度，直线度，圆度等，其中喷口的制造和安装精度以及收集口的调整对风洞气流品质的达成至关重要。

（4）阳光模拟系统

阳光模拟系统用于不同气候条件下所需的光照条件。系统主要包含：光源，调节机构，控制系统。按照不同使用要求，可配置乌云和隧道模拟，此系统可按照设定的日照强度变化自动调节光照强度，满足不同光照下的试验要求。

（5）环境模拟系统

此系统用于满足不同条件下的环境要求。系统主要由换热器、管路系统、制冷机组（制冷）、锅炉（制热）、冷却塔及控制系统等组成，通过PID 调整方式制冷或加热回路实现系统温度的动态和静态控制，例如温湿度的控制精度，稳定性，升降速率，均匀性等。其中制冷机组目前使用的制冷剂有R507（氟利昂）和R717（氨气）。加热的方式目前有蒸汽，热水，电加热等。此系统也是风洞现场安装和调试时间最长的系统。

（6）控制系统

该系统为风洞的“大脑”/“司令部”，即根据测试工况对各系统按要求进行控制和监控，包括阳光模拟强度，喷口的温湿度，风速的控制（包括喷口-稳流段压差控制法和驻室-稳流段压差控制法），此外转鼓和风机的速度同步也由此系统完成。此外，风洞的数采系统也可连接到该系统进行试验室和车辆数据的同步采集等。此外，需要注意的是，试验室环境条件的数据应保证和车辆相关的传感器保持时间基准的一致性，一般的做法是采用NTP 协议实现数据时间基准校正。

（7）数据存储中心

由于风洞试验测试过程中的数据采集频率高（一般为10Hz），故每次试验将产生数以GB 的数据（包含试验室传感器和车辆传感器），控制电脑的物理硬盘容量将无法满足大量数据的存储，故需建立远端的数据中心，将试验数据实时上传到数据中心，而控制电脑将更多用于试验室设备的控制和数据的处理。

衡量CWT 的综合性能的指标主要有：

1）整体要求

主喷口/可变喷口面积、主喷口/可变喷口高宽比、主喷口最大风速/可变喷口对应最大风速、温度范围、相对湿度范围、最大绝对湿度、阳光模拟形式、光照强度范围、形式/布局类型。

2）气动模拟品质

风速稳定性/均匀性、气流偏角、湍流度、风压脉动、轴向静压梯度、边界层移除厚度。

3）环境模拟品质

温度控制精度、温度控制均匀性、温度升降速率（定义温度区间内）、湿度控制精度、湿度控制均匀性、湿度升降速率（定义区间）、光照均匀性、低温湿度控制范围&精度、降雨降雪要求。

备注：以上指标也是CWT 验收时的主要测量参数

2 风洞试验室当前现状及趋势

风洞试验室具有投资大，周期长（3 年-5 年），使用寿命要求高（一般为50 年以上），建设此试验室的主机厂一般需具有一定的规模和盈利能力（一般年销量需百万以上）。

风洞发展至今国内外已有很多风洞投入使用，效果良好，现汇总如表1：

表1

可以看出，CWT 和AAWT 已基本成为主机厂研发的必备工具。尤其是CWT 的建设。随着近年国内主机厂研发能力的日益提升，风洞试验室在研发过程中的作用也被更加重视，除上表中的企业，也有一部分企业建成模型风洞，用于前期油泥造型的优化及缩比模型的气动试验，其中泛亚技术中心模型风洞已于2012 年投入使用，上汽的模型风洞也进入实质性阶段。

随着世界整体汽车工业水平的提高，目前对环境风洞模拟的气动指标也在逐日提升，环境风洞模拟品质的提升对于主机厂问题前置，研发周期缩短具有战略性意义。同时环境风洞克服了室外环境条件的可重复性差、不确定性高等缺点，对三高试验（高温，高寒，高海拔）做了很好的补充和部分代替，极大程度客服季节对试验需求的限制。

3 风洞试验室技术必要性

当下汽车工业进入到了轻量化、电动化、网联化、智能化、共享化发展的关键时期，其中电动车的主要问题之一就是续航里程焦虑，提高综合续航里程的关键途径之一是提高热管理的综合效率，例如使用热泵（Heat Pump）技术，废热回收（ECR）等，此类试验在CWT 能够进行精确标定和验证，而且试验结果和真实的路试相比环境仓更为接近，因而在提高研发质量的同时可以防止设计性能过盈/不足，降低研发成本及风险的同时提高产品的市场竞争力。

环境风洞试验室由于能够精确且可重复地控制气候环境，使得整车研发不受限与自然季节的变化，极大程度缩短了整车研发的周期，同时对大部分售后的热失效可进行问题重现。同时可以将试验场和道路的试验环境工况（温度、湿度，光照、车速等）导入到转鼓系统中，使得可在试验室内复现真实道路或试验场内开展的试验，开展相关性研究，逐步减少二者的试验用量，进而提高试验效率，减少成本并可有效减少车辆的安全事故发生率。

另一方面，AAWT 的建设对车企建立独立的空气动力学和声学测试能力也至关重要。众所周知，车辆的能量（发动机/电池包）主要转化为以下形式：

动能、惯性力、道路阻力、热能、机械阻力、控制系统、空气阻力（车身，轮胎），其中，空气阻力F=1/2ρCdAV2，ρ 为空气密度，Cd 为风阻系数，A 为车辆正投影面积，V 为速度。

上式可以看出减少空气阻力的有效方法就是优化风阻系数和正投影面积的乘积，而此项工作需结合CFD 仿真和空气动力学验证。尤其在油泥模型优化阶段，需要数轮的风洞试验才能达到造型和气动性能的综合平衡。由此可见，空气动力学风洞是开展此项工作的必备工具，如此才能国际头部车企的气动性能研发缩小差距甚至赶超，正所谓“工欲善其事必先利其器”。

4 结语

风洞试验室（CWT 和AAWT）是车企研发的必备工具，随着中国汽车头部车企近年来的快速发展和突破，与国际一流车企的研发能力也在逐渐缩小，但部分关键试验研发工具（例如风洞）还没有完全配备，很多车企还是主要依靠第三方，试验计划和时长无法保证，因而风洞试验室建设的必要性也日益凸显。

本文主要介绍了风洞试验室的分类，功能和主要技术指标，对风洞试验室目前国内外的发展现状做了简短梳理，希望对读者有所帮助。