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汽車環(huán)境風(fēng)洞環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計
2020-10-17 16:06:58· 來源：中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室
汽車環(huán)境風(fēng)洞環(huán)境模擬系統(tǒng)由高低溫模擬系統(tǒng)、道路模擬系統(tǒng)、陽光模擬系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)這幾個主要設(shè)備組成，用于模擬不同的自然環(huán)境。本節(jié)分別講述了不同系統(tǒng)的
汽車環(huán)境風(fēng)洞環(huán)境模擬系統(tǒng)由高低溫模擬系統(tǒng)、道路模擬系統(tǒng)、陽光模擬系統(tǒng)、雨雪模擬系統(tǒng)這幾個主要設(shè)備組成，用于模擬不同的自然環(huán)境。本節(jié)分別講述了不同系統(tǒng)的設(shè)計思路。
1.高低溫模擬系統(tǒng)
制冷系統(tǒng)能力的設(shè)計是基于空氣離開溫度要求。制冷載荷的分解如圖1：
圖1 制冷系統(tǒng)載荷估計
Figure1 Load estimation of cooling system
制冷載荷是根據(jù)中汽中心提供的測試工況以及極限設(shè)計點(diǎn)得出，如圖2所示。
圖2 極限測試工況
Figure2 Extreme test condition
總體制冷量由整個風(fēng)道內(nèi)的熱負(fù)荷決定，包括：主風(fēng)機(jī)熱量，車的熱量，流道熱量，鹽水系統(tǒng)損失（包括管道泵和管路損失），雨雪光照邊界層系統(tǒng)等。整個風(fēng)洞內(nèi)的熱平衡還要考慮車輛的熱負(fù)荷，包括：輪胎發(fā)熱，發(fā)動機(jī)熱量傳至空氣，尾氣熱量。除了上表列出的穩(wěn)定負(fù)荷，也應(yīng)該考慮溫度變化速率要求，從而也必須考慮風(fēng)洞鋼殼和車輛的熱容量，因?yàn)檫@是影響升降溫速率的重要因素。
在考慮溫度變化速率要求的情況下，最終計算結(jié)果顯示靜態(tài)狀態(tài)下的制冷系統(tǒng)能力要求可以覆蓋溫度變化速率的要求。也就是說，溫度變化要求不是制冷能力的決定因素。
圖3顯示了溫度變化速率的過程的模擬。溫度變化的設(shè)計，要求在20分鐘內(nèi)從46℃降低至34℃，風(fēng)速最大值可達(dá)120km/h。在這個變化過程中，最大制冷負(fù)荷點(diǎn)剛好在空氣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度之前；然后制冷負(fù)荷在溫度變化結(jié)束后迅速下降，這是因?yàn)榭諝鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到了目標(biāo)溫度；隨后制冷量緩慢下降，以此來平衡鋼殼和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)降溫存在的部分熱負(fù)荷。
圖3 溫度變化過程模擬
Figure3 Simulation of temperature change process
同時，對加熱過程也進(jìn)行了同樣的模擬。為了定義鹽水加熱器的要求，設(shè)計要求如下：在風(fēng)速110km/h的情況下，在43.75min內(nèi)從10℃升至45℃，升溫速率為0.8℃/min。圖4顯示了不同功率加熱器的加熱過程。1000kW加熱器的加熱時間過長，時間為46分鐘，無法滿足設(shè)計要求。1250kW的加熱器可以在40分鐘左右完成加熱過程，剛好滿足要求，因此確定加熱器的功率為1250kW。
圖4 不同加熱器的加熱過程模擬
Figure4 Heating process simulation of different heaters
2.道路模擬系統(tǒng)
為了覆蓋從乘用車到商用車的測試需求，底盤測功機(jī)采用75英寸轉(zhuǎn)轂，模擬慣量范圍為600kg~50,000kg，用來模擬不同車型的道路載荷。并且考慮到輪轂電機(jī)的開發(fā)需求，轉(zhuǎn)轂為四驅(qū)四電機(jī)，每個電機(jī)可以獨(dú)立控制，可以模擬各種工況的道路載荷。
3.陽光模擬系統(tǒng)
陽光模擬系統(tǒng)為全光譜陽光模擬系統(tǒng)。并且可以通過兩種不同的遮光罩模擬烏云和隧道工況。整個燈架高度可調(diào)，用來滿足不同高度的車型實(shí)驗(yàn)時，均能保持良好的光照均勻性。
4.雨雪模擬系統(tǒng)
雨模擬系統(tǒng)通過放置于噴口前的雨架，將水滴噴出來模擬降雨過程。并且通過不同的噴嘴型號和流量控制雨滴直徑以及雨量的大小。
雪模擬系統(tǒng)通過放置在噴口前的雪槍，噴出空氣與水霧的混合物，在低溫條件下凝結(jié)成為雪花。雪槍可以通過控制空氣和水的流量來控制雪量，并且不同的水與空氣的比例也會產(chǎn)生不同形式不同濕度的雪。
1.高低溫模擬系統(tǒng)
制冷系統(tǒng)能力的設(shè)計是基于空氣離開溫度要求。制冷載荷的分解如圖1：
圖1 制冷系統(tǒng)載荷估計
Figure1 Load estimation of cooling system
制冷載荷是根據(jù)中汽中心提供的測試工況以及極限設(shè)計點(diǎn)得出，如圖2所示。
圖2 極限測試工況
Figure2 Extreme test condition
總體制冷量由整個風(fēng)道內(nèi)的熱負(fù)荷決定，包括：主風(fēng)機(jī)熱量，車的熱量，流道熱量，鹽水系統(tǒng)損失（包括管道泵和管路損失），雨雪光照邊界層系統(tǒng)等。整個風(fēng)洞內(nèi)的熱平衡還要考慮車輛的熱負(fù)荷，包括：輪胎發(fā)熱，發(fā)動機(jī)熱量傳至空氣，尾氣熱量。除了上表列出的穩(wěn)定負(fù)荷，也應(yīng)該考慮溫度變化速率要求，從而也必須考慮風(fēng)洞鋼殼和車輛的熱容量，因?yàn)檫@是影響升降溫速率的重要因素。
在考慮溫度變化速率要求的情況下，最終計算結(jié)果顯示靜態(tài)狀態(tài)下的制冷系統(tǒng)能力要求可以覆蓋溫度變化速率的要求。也就是說，溫度變化要求不是制冷能力的決定因素。
圖3顯示了溫度變化速率的過程的模擬。溫度變化的設(shè)計，要求在20分鐘內(nèi)從46℃降低至34℃，風(fēng)速最大值可達(dá)120km/h。在這個變化過程中，最大制冷負(fù)荷點(diǎn)剛好在空氣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度之前；然后制冷負(fù)荷在溫度變化結(jié)束后迅速下降，這是因?yàn)榭諝鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到了目標(biāo)溫度；隨后制冷量緩慢下降，以此來平衡鋼殼和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)降溫存在的部分熱負(fù)荷。
圖3 溫度變化過程模擬
Figure3 Simulation of temperature change process
同時，對加熱過程也進(jìn)行了同樣的模擬。為了定義鹽水加熱器的要求，設(shè)計要求如下：在風(fēng)速110km/h的情況下，在43.75min內(nèi)從10℃升至45℃，升溫速率為0.8℃/min。圖4顯示了不同功率加熱器的加熱過程。1000kW加熱器的加熱時間過長，時間為46分鐘，無法滿足設(shè)計要求。1250kW的加熱器可以在40分鐘左右完成加熱過程，剛好滿足要求，因此確定加熱器的功率為1250kW。
圖4 不同加熱器的加熱過程模擬
Figure4 Heating process simulation of different heaters
2.道路模擬系統(tǒng)
為了覆蓋從乘用車到商用車的測試需求，底盤測功機(jī)采用75英寸轉(zhuǎn)轂，模擬慣量范圍為600kg~50,000kg，用來模擬不同車型的道路載荷。并且考慮到輪轂電機(jī)的開發(fā)需求，轉(zhuǎn)轂為四驅(qū)四電機(jī)，每個電機(jī)可以獨(dú)立控制，可以模擬各種工況的道路載荷。
3.陽光模擬系統(tǒng)
陽光模擬系統(tǒng)為全光譜陽光模擬系統(tǒng)。并且可以通過兩種不同的遮光罩模擬烏云和隧道工況。整個燈架高度可調(diào)，用來滿足不同高度的車型實(shí)驗(yàn)時，均能保持良好的光照均勻性。
4.雨雪模擬系統(tǒng)
雨模擬系統(tǒng)通過放置于噴口前的雨架，將水滴噴出來模擬降雨過程。并且通過不同的噴嘴型號和流量控制雨滴直徑以及雨量的大小。
雪模擬系統(tǒng)通過放置在噴口前的雪槍，噴出空氣與水霧的混合物，在低溫條件下凝結(jié)成為雪花。雪槍可以通過控制空氣和水的流量來控制雪量，并且不同的水與空氣的比例也會產(chǎn)生不同形式不同濕度的雪。
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