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重庆建成世界一流汽车风洞
发布时间:2020-01-06 14:22
  

  汽车风洞能够模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态,以及天气环境甚至太阳辐射等,用以测试样车的安全性和操纵稳定性,它也是汽车外形设计、整车热管理开发过程中必不可少的环节。

  近日,中国中西部地区首座汽车风洞在重庆落成。据了解,该风洞由国际一流水平的全尺寸汽车空气动力学—声学风洞(AAWT)(以下简称气动—声学风洞)和汽车环境风洞(CWT)组成,并配置高低温环境舱、五轴联动数控加工中心和1200核高性能仿真计算平台等设施,是目前世界上最先进的风洞之一。

  那么,这座汽车风洞有哪些亮眼的科技元素?又有何先进之处?记者采访了相关专家。

  在气动—声学风洞里,科技日报记者看到一辆车正在进行汽车风阻测试,在特意设计的白烟的帮助下,风遇到车后的动态变化情况就被清晰地展示了出来。

  “在汽车风洞中可模拟出汽车所遇到的风从0—300千米/小时的速度变化,这么高的速度范围,一方面有风洞收缩段的加速作用,但更为重要的是风洞中最核心的设备——风机系统发挥了关键作用。”中国汽研汽车风洞中心主任王勇说,气动—声学风洞就像让汽车站上“跑步机”,研究人员通过风洞试验,可获得包括风阻系数、风噪性能、行驶稳定性、侧风响应、车内外噪声等数据。而风机系统对于汽车风洞而言就是其心脏,也是风洞先进性的体现。

  “汽车风洞吹风是有讲究的。”王勇介绍,风洞风机系统的基本原理与我们日常生活中使用的电风扇的原理类似,主要由电机和叶片组成,也叫轴流式风机。不过要能模拟出汽车从零到百公里加速度过程中面临的各种风速,就需要风机电机具备数千千瓦的额定功率。而且相比家用电扇效率只有50%,风洞风机的效率最高可达90%以上,大大地节约电能。风洞风机想要达到如此高的效率需要对风机进行大量的特殊设计,例如,选择适宜的轮毂比和特别优化的叶型,叶片通常需要使用碳纤维材料,叶片与机壳的间隙不超过风机直径的千分之一等。比如梅赛德斯—奔驰汽车于2013年投入使用的最新汽车风洞,该空气动力学风洞风机直径9米,最大功率5300千瓦,由18片碳纤维叶片提供高达265千米/小时的试验风速。

  “我们建设时就对标的是奔驰汽车最新汽车风洞。”王勇说,中国汽研气动—声学风洞的风机是具有世界一流水平的轴流式风机系统,其功率为4000千瓦左右,最高风速可达250千米/小时,叶片则采用了18片碳纤维叶片,直径达9米,具备极高的控制精度和效率。

  汽车风噪性能的开发已经成为了继风阻之后车企又一重点关注的领域,风噪是最为常见的汽车噪音之一,它是由于汽车在高速行驶的过程中,风的压力超过车门的密封阻力产生的,行驶速度越快,风噪越大。风噪的响声非常特别,流速很快的风与车体的门窗或金属缝隙形成边角摩擦,产生高响度的摩擦音,具有很强的穿透力和刺激性,高速运转持续的时间越长,风噪的危害就会越突出,并逐渐累积,给乘坐车辆的人带来强烈的不舒适感。在风噪开发中,最主要的试验设备就是低噪声的气动—声学风洞。相比模型风洞、空气动力学整车风洞,气动—声学风洞因为对风洞的噪声源进行了消声处理,具备汽车声学测量的条件。

  气动—声学风洞是一座3/4开口的回流式风洞,它具有动力段、扩散段、驻室、收集口、拐角导流片、稳定段、换热器等部件,试验段喷口面积为28平方米,试验段长度为19米。

  中国汽研高级工程师陈军介绍,为了做到低噪声,风洞在设计上就从噪声源和噪声传播途径两个方面对风洞背景噪声进行了控制。他们对风机叶片翼型、安装角度、叶顶间隙等进行声学优化;对拐角导流片、收集口、扩散段、风机出入口、尾锥和流道进行声学消声处理;驻室侧壁和天花板进行声学消声处理,形成截止频率为50赫兹的半消声室,满足车辆声学试验的要求;优化的收集口设计,以消除低频颤振带来的噪声;同时,尽量减小驻室内反射面如移动测量系统、行车、灯具等,减少噪声源。经过一系列的风洞消声处理,目前在140千米/小时的风速下该风洞的背景噪声仅为58分贝,完全可以满足汽车气动噪声的测量要求,跻身世界最安静的汽车风洞之列。

  风洞测试必然离不开精准性的讨论,这就要靠汽车风洞中的天平来体现,它是汽车风洞中最重要也是最昂贵的测试设备。不过它可不是平常大家认识的天平,也不是用来测量汽车的重量,它是用来精确测量汽车所受的气动力和力矩的。

  一般来说,汽车天平和转台、移动道路系统是集成在一起的。处于风洞室内的地板之下,因此表面看起来风洞室内的地面平平无奇,下面却是风洞中最重要的测量设备。目前主流的汽车天平系统都已集成了移动道路模拟系统,能够模拟车辆在道路上的行驶情况。

  根据移动道路模拟带的数量主要可分为单带系统、五带系统和三带系统。王勇介绍,气动—声学风洞采用了MTS公司(全球最大的力学性能测试与模拟系统供应商)提供的高精度五带式天平/转台/移动带系统。主要特点是转台上集成了1条中间带和4个车轮驱动单元小带。这一天平的特点是测量精度高,可以调整车辆离地高度,主要用于乘用车测试;可直接测量获得汽车的气动六分力,即车辆的气动阻力、气动侧向力、气动升力以及由此产生的气动力矩,还能测试车辆的动态力和拖动力;甚至可以“称”出一颗鸡蛋的重量,为车企提供准确的实验数据支撑。

  由于汽车周围流场为一随时间变化的湍流场,为了能够对汽车周围流场和声学信息进行精确的测量,就需要能够精确控制测量仪器位置的设备,移动测量系统就是满足这一要求的重要设备。移动测量系统安装运动部件和旋转、延伸部件,使其不仅可以进行三维移动,还能根据需要实现不同轴向的旋转运动,来使测量仪器精确到达不易到达的位置,如车辆侧镜后面或车身底部区域。

  地球拥有复杂多变的气候现象,百变甚至极端的气候经常给车辆带来诸多难以预料的问题。如果有一种设备能把地球上的各种气候都模拟出来,那将给新车研发节省大量路试的时间。汽车环境风洞就拥有这样的设备,在汽车环境风洞中,降雨、降雪、高温、低温、日照、结冰等一年四季的环境,可以在这里得到精确模拟,以此检验车辆针对恶劣环境的“抗压能力”。

  如何去创造各种各样的天气条件满足车辆测试需要呢?据了解,汽车环境风洞的温度模拟范围可达-40℃—60℃。为实现低温,风洞中会采用二次制冷系统,让载冷剂通过盘管在风洞流道中进行热交换;而高温的实现,则是通过锅炉加热获取热量,尽量在节约能源的同时,精准控制温度。

  为了在风洞中实现阳光模拟,汽车环境风洞测试段顶部配置了一套全光谱的阳光模拟系统,每个灯源都有独立的电源和控制系统,以实现光照的精准控制;同时,在每个独立灯源上集成有网状挡板和遮光挡板,用于模拟车辆在乌云条件下低照射强度环境和通过隧道时的无照射环境。

  除了模拟阳光,这个风洞还能“下雨”。为了在风洞中实现降雨模拟,汽车环境风洞的喷口安装了喷枪,根据不同雨量大小设定,喷枪会喷出相应大小的雨滴,雨滴随喷口气流吹向测试车辆从而模拟小雨、中雨、暴雨等不同级别的真实降雨情况。

  “下雪”也是它的技能之一。风洞的喷枪能够根据所需雪量的大小喷出带水滴的高压气体,在风洞流道内温度达到-10℃以下时凝结成冰粒,从而在试验车辆前方形成降雪,雪量大小、降雪时间都可自由控制。

  值得一提的是,在汽车环境风洞里安装有直径4.5米的风机,配备他们创新的可变收集口,可变收集口能够随车辆的大小进行调节,能让小轿车和大卡车、大巴士都能在这里进行测试。

  中国中西部首个汽车风洞实验室计划今年10月投用,(钟旖 王丹)记者27日从重庆两江新区获悉,自2016年6月开工的中国中西部首个汽车风洞实验室目前已全面进入风洞调试阶段,计划2019年10月投用。图为中国中西部首个汽车风洞实验室施工现场一角。

  西南首个汽车风洞实验室将落户重庆,建成后将对自主品牌汽车在空气动力学、热力学、声学等方面的研发能力提供显著帮助。6月17日上午,中国汽研汽车风洞建设启动暨风洞联盟签约仪式,在位于我市的中国汽车工程研究院有限公司(简称中国汽研)本部举行。

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  汽车风洞能够模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态,以及天气环境甚至太阳辐射等,用以测试样车的安全性和操纵稳定性。