整车气动声学风洞的冷却与加热系统

整车气动声学风洞的冷却与加热系统

高艳芳;李田田;陈力;庞加斌

【摘要】整车气动声学风洞是汽车空气动力学和声学设计及性能开发的关键试验设施,对增强自主研发能力必不可少.风洞冷却与加热系统是保证试验准确性的必要设施.为了优化设计风洞冷却与加热系统,以同济大学气动声学风洞为实例,根据风洞结构特点对热边界层进行分类,更为准确地计算了冷却与加热系统的冷热负荷,建立了气动声学风洞的热力学模型.初步分析显示,风洞冷却与加热系统可通过优化设计,降低系统的安装功率,达到节能降耗的目的.

【期刊名称】《汽车工程学报》

【年(卷),期】2017(007)005

【总页数】8页(P374-381)

【关键词】气动声学风洞;冷却与加热系统;负荷计算;热力学模型;优化设计

【作者】高艳芳;李田田;陈力;庞加斌

【作者单位】同济大学汽车学院同济大学上海市地面交通工具风洞中心,上海201804;同济大学汽车学院同济大学上海市地面交通工具风洞中心,上海 201804;同济大学汽车学院同济大学上海市地面交通工具风洞中心,上海 201804;同济大学汽车学院同济大学上海市地面交通工具风洞中心,上海 201804

【正文语种】中文

【中图分类】V211.74

随着汽车工业的发展，消费者对汽车性能的要求越来越高，空气动力学和风噪声性能的研发也越来越受到国内企业的重视，风洞已经成为国内汽车行业必不可少的试验设施。

整车气动声学风洞主要用于模拟车辆在实际道路上的运动学条件，准确测量汽车受到的气动力和风噪声水平。通过对比分析，在造型设计、工程成本、燃油经济性、动力性和舒适性的综合要求之间寻找最佳设计方案，涉及汽车设计、零部件开发、汽车制造和运行全过程。

现代汽车的开发周期不断缩短，成本控制严格，技术要求持续提高，对汽车风洞试验质量的要求也逐渐提高，需要保证风洞模拟环境的稳定性及试验设备的可靠性。对于封闭的回流式风洞，连续运行使风洞流道温度逐渐升高，同时夏季高温和冬季低温也会使流道温度不稳定。

气流温度不稳定对风洞试验的影响有：（1）仪器设备的工作温度波动，使测试精度或工作状态不稳定。（2）温度变化影响试验数据准确性。（3）试验对象的材料因温度变化而变化，如油泥模型、密封件隔声性能。因此，整车气动声学风洞需要冷却与加热系统，保证内部气流温度稳定在一定范围内，不受试验连续运行和季节变化的影响。

整车风洞尺寸大，能耗大，相对应的冷却与加热系统功率也大，设备投资成本与系统运行维护成本高。气动声学风洞在结构和材料上与一般建筑不同，冷却与加热系统冷热负荷计算方式也应不同。此外，风洞实际试验过程具有明显的间断性运行特点，这与传统的设计准则要求（考虑风机连续运行）偏离很大。若按照风洞实际试验过程设计冷却与加热系统，理论上可降低系统设备投资，减小运行维护成本。本研究以同济大学气动声学风洞为典型实例，根据风洞结构进行热边界分类，建立风洞传热热力学模型，计算风洞冷热负荷。然后，将风洞冷却与加热实际所需功率

与系统设计功率相对比，验证了通过对热边界分类计算风洞冷热负荷，对冷却与加热系统进行优化，降低风洞成本的可行性。

同济气动声学风洞为回流式结构，可减小所需风机功率，并有助于控制流道气流温度，降低风洞背景噪声[4]。风洞结构主要可分为收缩段（喷口）、试验段、扩散段、转角段、连接段、稳流段等。同济大学气动声学风洞结构如图1所示。

同济大学气动声学风洞喷口尺寸为27 m2，最高风速为250 km/h，在风速160 km/h时，风洞背景噪声仅为61 dBA，是世界最安静的风洞之一。风洞配备五带

路面模拟系统与边界层控制系统，可准确模拟真实汽车行驶状态的流场。风洞流道内装有热交换器，与空调机组协作可将气流温度控制在20～30 ℃。作为中国第一座汽车整车风洞，同济风洞对中国汽车工业的自主研发做出了重要贡献。

在气动声学风洞试验中，需要试验环境温度保持在一定范围内，从而保证试验准确性。同济大学气动声学风洞冷却与加热系统可分为用于制冷的流道换热器系统和用于加热的空调机组系统。

风洞冷却和加热系统与典型建筑或房间空调系统相比，不同之处主要在于[5]：（1）气动声学风洞的多段式结构与房间整体式结构差别较大，负荷计算有所不同。（2）风洞冷却和加热系统运行与试验过程同步，间歇性工作。

（3）风洞冷却和加热系统响应快，要求环境温度在短时间内达到并处于稳定状态。（4）风洞内大功率风机对冷、热负荷量有较大影响。

（5）同济大学风洞为回流式风洞，温度不受外界影响，湿度对风洞气动和声学测试影响不大，可忽略。

同济大学风洞冷却是通过流道中的翅片管式热交换器实现的[6]。流道换热器冷却

效率高，且能产生较为均匀的温度场，被很多风洞采用。换热器由制冷机组提供冷却液，风洞内高温气体通过换热器时，与低温液体发生热量交换，气体温度降低，空气在流道内循环时，温度得到控制，如图2所示。

同济大学风洞加热与新风系统，如图3所示。通过控制阀门的开关，可实现新风模式与回风模式的转化。新风模式下空调机组对风洞进行通风换气，保证流道气体的洁净；回风模式下气体在回路中循环，空调机组对气流进行加热，使流道温度达到试验要求。

风洞冷却与加热系统工作分为升（降）温过程和温度维持过程。因此，冷却与加热系统负荷主要包括风洞升（降）温负荷、风洞墙体传热和风洞内部热源散热3部分。

2.1.1 风洞墙体传热

同济大学气动声学风洞为回流式结构，在试验段、第一扩散段、风扇等位置处覆盖有消声板、喷口和风机为钢结构，外墙材料主要为混凝土。进行热负荷计算时，根据热边界类型分类，见表1。将风洞墙体与外界传热过程假设为通过平壁的稳态导热，不同边界类型传热如图4所示。

多层平壁传热过程热流量计算如下：

式中：h1为强迫对流系数，W/(m2·K)；h2为自然对流系数，W/(m2·K)；λ为材料热导率，W/(m·K)；为材料厚度，m；A为传热边界面积，m2；tf1为风洞流道温度，K；tf2为风洞外界环境温度，K；n为传热边界层数。

对风洞4种边界类型传热热流量进行计算并叠加，即可得到整个风洞的传热热流量。

式中：Φ为热流量，W。

2.1.2 风洞内部热源散热

风洞内部热源主要是风机。风机做功绝大部分用于克服气流在流道内的压力损失，最终转化为气流内能，使风洞温度升高。

同济风洞风机设计功率为4×106 W，最大风速250 km/h，不同风速V下风机做功转化成气体的热量为：