整車氣動聲學風洞的冷卻與加熱系統(tǒng)

高艷芳，李田田，陳 力，龐加斌

（同濟大學 汽車學院 同濟大學上海市地面交通工具風洞中心，上海 201804）

整車氣動聲學風洞的冷卻與加熱系統(tǒng)

高艷芳，李田田，陳 力，龐加斌

（同濟大學 汽車學院 同濟大學上海市地面交通工具風洞中心，上海 201804）

整車氣動聲學風洞是汽車空氣動力學和聲學設計及性能開發(fā)的關(guān)鍵試驗設施，對增強自主研發(fā)能力必不可少。風洞冷卻與加熱系統(tǒng)是保證試驗準確性的必要設施。為了優(yōu)化設計風洞冷卻與加熱系統(tǒng)，以同濟大學氣動聲學風洞為實例，根據(jù)風洞結(jié)構(gòu)特點對熱邊界層進行分類，更為準確地計算了冷卻與加熱系統(tǒng)的冷熱負荷，建立了氣動聲學風洞的熱力學模型。初步分析顯示，風洞冷卻與加熱系統(tǒng)可通過優(yōu)化設計，降低系統(tǒng)的安裝功率，達到節(jié)能降耗的目的。

氣動聲學風洞；冷卻與加熱系統(tǒng)；負荷計算；熱力學模型；優(yōu)化設計

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費者對汽車性能的要求越來越高，空氣動力學和風噪聲性能的研發(fā)也越來越受到國內(nèi)企業(yè)的重視，風洞已經(jīng)成為國內(nèi)汽車行業(yè)必不可少的試驗設施。

整車氣動聲學風洞主要用于模擬車輛在實際道路上的運動學條件，準確測量汽車受到的氣動力和風噪聲水平。通過對比分析，在造型設計、工程成本、燃油經(jīng)濟性、動力性和舒適性的綜合要求之間尋找最佳設計方案，涉及汽車設計、零部件開發(fā)、汽車制造和運行全過程。

引用格式：

1929年起風洞開始用于汽車試驗[1]，1970～1980年之間氣動聲學風洞開始出現(xiàn)[2]，至今相關(guān)試驗技術(shù)已發(fā)展成熟?，F(xiàn)有氣動聲學風洞噴口尺寸約為25 m2，最高風速在200～300 km/h之間，當風洞風速為160 km/h時，背景噪聲水平約60 ～ 70 dBA[3]。

現(xiàn)代汽車的開發(fā)周期不斷縮短，成本控制嚴格，技術(shù)要求持續(xù)提高，對汽車風洞試驗質(zhì)量的要求也逐漸提高，需要保證風洞模擬環(huán)境的穩(wěn)定性及試驗設備的可靠性。對于封閉的回流式風洞，連續(xù)運行使風洞流道溫度逐漸升高，同時夏季高溫和冬季低溫也會使流道溫度不穩(wěn)定。

氣流溫度不穩(wěn)定對風洞試驗的影響有：（1）儀器設備的工作溫度波動，使測試精度或工作狀態(tài)不穩(wěn)定。（2）溫度變化影響試驗數(shù)據(jù)準確性。（3）試驗對象的材料因溫度變化而變化，如油泥模型、密封件隔聲性能。因此，整車氣動聲學風洞需要冷卻與加熱系統(tǒng)，保證內(nèi)部氣流溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，不受試驗連續(xù)運行和季節(jié)變化的影響。

整車風洞尺寸大，能耗大，相對應的冷卻與加熱系統(tǒng)功率也大，設備投資成本與系統(tǒng)運行維護成本高。氣動聲學風洞在結(jié)構(gòu)和材料上與一般建筑不同，冷卻與加熱系統(tǒng)冷熱負荷計算方式也應不同。此外，風洞實際試驗過程具有明顯的間斷性運行特點，這與傳統(tǒng)的設計準則要求（考慮風機連續(xù)運行）偏離很大。若按照風洞實際試驗過程設計冷卻與加熱系統(tǒng)，理論上可降低系統(tǒng)設備投資，減小運行維護成本。

本研究以同濟大學氣動聲學風洞為典型實例，根據(jù)風洞結(jié)構(gòu)進行熱邊界分類，建立風洞傳熱熱力學模型，計算風洞冷熱負荷。然后，將風洞冷卻與加熱實際所需功率與系統(tǒng)設計功率相對比，驗證了通過對熱邊界分類計算風洞冷熱負荷，對冷卻與加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，降低風洞成本的可行性。

1 同濟大學氣動聲學風洞冷卻與加熱系統(tǒng)

1.1 同濟大學氣動聲學風洞結(jié)構(gòu)

同濟氣動聲學風洞為回流式結(jié)構(gòu)，可減小所需風機功率，并有助于控制流道氣流溫度，降低風洞背景噪聲[4]。風洞結(jié)構(gòu)主要可分為收縮段（噴口）、試驗段、擴散段、轉(zhuǎn)角段、連接段、穩(wěn)流段等。同濟大學氣動聲學風洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同濟大學氣動聲學風洞結(jié)構(gòu)圖

同濟大學氣動聲學風洞噴口尺寸為27 m2，最高風速為250 km/h，在風速160 km/h時，風洞背景噪聲僅為61 dBA，是世界最安靜的風洞之一。風洞配備五帶路面模擬系統(tǒng)與邊界層控制系統(tǒng)，可準確模擬真實汽車行駛狀態(tài)的流場。風洞流道內(nèi)裝有熱交換器，與空調(diào)機組協(xié)作可將氣流溫度控制在20～30 ℃。作為中國第一座汽車整車風洞，同濟風洞對中國汽車工業(yè)的自主研發(fā)做出了重要貢獻。

1.2 風洞冷卻與加熱系統(tǒng)特點

在氣動聲學風洞試驗中，需要試驗環(huán)境溫度保持在一定范圍內(nèi)，從而保證試驗準確性。同濟大學氣動聲學風洞冷卻與加熱系統(tǒng)可分為用于制冷的流道換熱器系統(tǒng)和用于加熱的空調(diào)機組系統(tǒng)。

風洞冷卻和加熱系統(tǒng)與典型建筑或房間空調(diào)系統(tǒng)相比，不同之處主要在于[5]：

（1）氣動聲學風洞的多段式結(jié)構(gòu)與房間整體式結(jié)構(gòu)差別較大，負荷計算有所不同。

（2）風洞冷卻和加熱系統(tǒng)運行與試驗過程同步，間歇性工作。

（3）風洞冷卻和加熱系統(tǒng)響應快，要求環(huán)境溫度在短時間內(nèi)達到并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）風洞內(nèi)大功率風機對冷、熱負荷量有較大影響。

（5）同濟大學風洞為回流式風洞，溫度不受外界影響，濕度對風洞氣動和聲學測試影響不大，可忽略。

1.3 同濟大學風洞冷卻系統(tǒng)

同濟大學風洞冷卻是通過流道中的翅片管式熱交換器實現(xiàn)的[6]。流道換熱器冷卻效率高，且能產(chǎn)生較為均勻的溫度場，被很多風洞采用。換熱器由制冷機組提供冷卻液，風洞內(nèi)高溫氣體通過換熱器時，與低溫液體發(fā)生熱量交換，氣體溫度降低，空氣在流道內(nèi)循環(huán)時，溫度得到控制，如圖2所示。

1.4 同濟大學風洞加熱系統(tǒng)

同濟大學風洞加熱與新風系統(tǒng)，如圖3所示。通過控制閥門的開關(guān)，可實現(xiàn)新風模式與回風模式 的轉(zhuǎn)化。新風模式下空調(diào)機組對風洞進行通風換氣，保證流道氣體的潔凈；回風模式下氣體在回路中循環(huán)，空調(diào)機組對氣流進行加熱，使流道溫度達到試驗要求。

圖2 同濟氣動聲學風洞冷卻系統(tǒng)-流道熱交換器系統(tǒng)

圖3 同濟大學氣動聲學風洞加熱系統(tǒng)-空調(diào)機組

2 同濟大學生氣動聲學風洞傳熱模型

2.1 負荷計算

風洞冷卻與加熱系統(tǒng)工作分為升（降）溫過程和溫度維持過程。因此，冷卻與加熱系統(tǒng)負荷主要包括風洞升（降）溫負荷、風洞墻體傳熱和風洞內(nèi)部熱源散熱3部分。

2.1.1 風洞墻體傳熱

同濟大學氣動聲學風洞為回流式結(jié)構(gòu)，在試驗段、第一擴散段、風扇等位置處覆蓋有消聲板、噴口和風機為鋼結(jié)構(gòu)，外墻材料主要為混凝土。進行熱負荷計算時，根據(jù)熱邊界類型分類，見表1。將風洞墻體與外界傳熱過程假設為通過平壁的穩(wěn)態(tài)導熱，不同邊界類型傳熱如圖4所示。

多層平壁傳熱過程熱流量計算如下：

式中：h1為強迫對流系數(shù)，W/(m2·K)；h2為自然對流系數(shù)，W/(m2·K)；λ為材料熱導率，W/(m·K)；為材料厚度，m；A為傳熱邊界面積，m2；tf1為風洞流道溫度，K；tf2為風洞外界環(huán)境溫度，K；n為傳熱邊界層數(shù)。

表1 風洞熱邊界分類表

圖4 不同邊界類型傳熱示意圖

對風洞4種邊界類型傳熱熱流量進行計算并疊加，即可得到整個風洞的傳熱熱流量。

式中：Φ為熱流量，W。

2.1.2 風洞內(nèi)部熱源散熱

風洞內(nèi)部熱源主要是風機。風機做功絕大部分用于克服氣流在流道內(nèi)的壓力損失，最終轉(zhuǎn)化為氣流內(nèi)能，使風洞溫度升高。

同濟風洞風機設計功率為4×106W，最大風速250 km/h，不同風速V下風機做功轉(zhuǎn)化成氣體的熱量為：

式中：Pfan為風機散熱功率，W。

2.1.3 風洞升（降）溫負荷

夏季風洞內(nèi)部溫度過高需要降溫，冬季風洞內(nèi)部溫度過低需要升溫。風洞內(nèi)部氣體加熱（降溫）到指定溫度所需的能量即為風洞升（降）溫負荷。這一過程所需熱量計算公式為：

式中：Cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；m為流道內(nèi)部所有空氣質(zhì)量，kg；Δt為溫度變化值。

限定升（降）溫所需的時間T，則有風洞升（降）溫所需功率：

2.2 傳熱數(shù)學模型

風洞與外界傳熱受外界環(huán)境溫度變化影響。春秋季時，風洞內(nèi)外溫差不大，忽略外部傳熱，且不考慮升（降）溫過程，冷卻負荷僅考慮風機做功Pfan；夏季時，風洞外界溫度高，降溫過程冷卻負荷要考慮風洞降溫做功Pcooling、風機做功Pfan和外界傳熱Φin，溫度維持過程需考慮風機做功Pfan和外界傳熱Φin；冬季時，風洞外界溫度低，但風機是內(nèi)部熱源，升溫過程加熱負荷要考慮風洞升溫做功Pheating，風洞對外傳熱Φout，溫度維持過程需考慮風機做功Pfan和風洞對外傳熱Φout。

春秋季冷卻系統(tǒng)所需功率：

夏季降溫過程冷卻系統(tǒng)所需功率：

夏季溫度維持過程冷卻系統(tǒng)所需功率：

冬季升溫過程加熱系統(tǒng)所需功率：

冬季溫度維持過程加熱系統(tǒng)所需功率：

2.3 參數(shù)取值及初步計算結(jié)果

2.3.1 風洞墻體傳熱計算

由式（1）可知，計算風洞傳熱熱流量需要知道各邊界的導熱率，以及強迫對流和自然對流的換熱系數(shù)。

混凝土結(jié)構(gòu)熱導率為1.2 W/(m·K)，消聲材料熱導率為0.052 W/(m·K)，鋼結(jié)構(gòu)熱導率為50.2 W/(m·K)[7]。

假設風洞流道內(nèi)部與壁面?zhèn)鳠徇^程為常壁溫外掠平板紊流平均傳熱[8]，則有：

式中：Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)，其適用范圍為0.6≤Pr≤60，5×105≤Pr≤108。

假設風洞外壁與外界傳熱過程為自然對流傳熱，根據(jù)章熙民和朱彤提出的公式有[8]：

式中：Nu為努塞爾數(shù)；瑞利準則Ra = Gr? Pr，格拉曉夫準則為運動粘度；體積膨脹系數(shù)α=，單位1/K。

努賽爾數(shù)與對流換熱系數(shù)關(guān)系為：

式中：h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；l為平板特征長度，m；λ為熱導率，W/(m·K)。

同濟大學氣動聲學風洞常用試驗風速為120～160 km/h，計算時選取風速160 km/h。假設上海夏季外界溫度為40 ℃，冬季外界溫度為-10 ℃，風洞流道溫度需要保持在25 ℃。不同定性溫度下的空氣屬性可查看參考文獻[8]附錄2，再根據(jù)式（11）～（13），按照風洞結(jié)構(gòu)類型計算自然對流和強迫對流換熱系數(shù)，見表2。

表2 自然對流和強迫對流換熱系數(shù)計算 單位：W/(m2·K)

由表2可知，風洞不同結(jié)構(gòu)處的強迫對流換熱系數(shù)差異較大，這是由于不同結(jié)構(gòu)處氣流速度是不同的。而不同結(jié)構(gòu)處自然對流換熱系數(shù)差異較小，取平均值可獲得室外風洞外壁自然對流換熱系數(shù)h2夏季時為3.20 W/(m2·K)，冬季時為4.44 W/(m2·K)。根據(jù)風洞建筑結(jié)構(gòu)特點，假設室內(nèi)的風洞外壁自然對流換熱系數(shù)值為室外的一半。

表3為按式（1）和式（2）計算得到的風洞不同類型邊界傳熱熱流量和總傳熱熱流量。在風洞內(nèi)部保持25 ℃，夏季外界環(huán)境溫度為40 ℃，冬季外界環(huán)境為-10 ℃，試驗風速為160 km/h時，夏季外界對風洞傳熱量為：

冬季風洞對外傳熱量：

表3 風洞傳熱熱流量 單位：W

2.3.2 風機散熱計算

由式（3）可知，在最大試驗風速為250 km/h時，風機持續(xù)運行散熱功率為4 000 kW。而在試驗過程中風機間歇性運行，實際散熱功率較小。根據(jù)同濟大學風洞的試驗紀錄，可將氣動聲學風洞試驗分為高鐵試驗、雷諾數(shù)試驗、造型優(yōu)化試驗三種典型試驗工況，計算三種試驗工況下風機的最大散熱量，繼而確定冷卻與加熱系統(tǒng)功率。若風洞試驗存在極限工況（高風速長時間運行），冷卻系統(tǒng)功率不足時，冷卻系統(tǒng)中的蓄冷罐發(fā)揮作用，控制氣流溫度。在試驗過程中，冷凍機組持續(xù)運行, 多余制冷量存儲在蓄冷罐中，以保證風機間歇運行冷卻能量的需求，控制氣流溫度。風機散熱量計算過程如下。

2.3.2.1 高鐵工況

高鐵工況所需風速為250 km/h，試驗時間3 min，工況準備時間10 min，如圖5所示。由計算可知，風機散熱平均功率為

圖5 高鐵工況示意圖

2.3.2.2 雷諾數(shù)及偏角掃略工況

雷諾數(shù)及偏角掃略工況風機處于持續(xù)運行狀態(tài)，雷諾數(shù)掃略時風機在每個風速下穩(wěn)定3 min，偏角掃略時風速穩(wěn)定不變，天平改變偏角，如圖6所示。由計算可知，風機散熱平均功率為Pfan.avg=722. 1kW 。

圖6 雷諾數(shù)及偏角掃略工況

2.3.2.3 造型優(yōu)化工況

造型優(yōu)化工況風速140 km/h，試驗時間3 min，工況準備時間10 min，如圖7所示。由計算可知，風機散熱平均功率為Pfan.avg= 156. 0 k W 。

圖7 造型優(yōu)化工況

由分析可知，實際試驗過程中平均風機散熱功率僅為風機最大功率的21.6%，選取Pfan= 864. 6kW為風機散熱功率。

2.3.3 風洞升（降）溫計算

風洞內(nèi)部流道體積V=23 590 m3，假設夏季風洞內(nèi)部溫度需要從40 ℃降至25 ℃，冬季風洞溫度需要從-10 ℃升至25 ℃，限定升降溫時間T=0.25 h，根據(jù)式（4）和式（5）可以得到夏季風洞降溫所需冷卻功率：

冬季風洞升溫所需加熱功率：

2.3.4 風洞冷卻和加熱系統(tǒng)負荷計算

風洞冷卻和加熱系統(tǒng)負荷按照式（6）～（10）計算。

春秋季冷卻系統(tǒng)所需功率：

夏季降溫過程冷卻系統(tǒng)所需功率：

夏季溫度維持冷卻系統(tǒng)所需功率：

冬季升溫過程加熱系統(tǒng)所需功率：

冬季溫度維持加熱系統(tǒng)所需功率：

通過比較可知，風洞冷卻和加熱系統(tǒng)所需最大冷卻功率不足1 500 kW ，所需最大加熱功率約為1 400 kW ，且冬季試驗過程中還需冷卻系統(tǒng)工作。

3 結(jié)論

本文對風洞冷卻和加熱系統(tǒng)做了簡單介紹。在風洞與外界傳熱問題上，對風洞各段表面進行熱邊界層分類，分別計算不同邊界層狀態(tài)下的傳熱速率。針對風機散熱功率計算，提出了較為準確的計算風洞冷熱負荷的方法。

經(jīng)過初步計算，風洞實際所需冷卻系統(tǒng)功率不足1 500 kW，加熱系統(tǒng)功率約為1 400 kW，而風洞原設計冷卻系統(tǒng)功率為4 200 kW，可對冷卻和加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，降低設備投資及維護成本。

本文中的風洞冷熱負荷計算方法對未來風洞冷卻和加熱系統(tǒng)設計也有一定的參考價值。

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Full-scale Aero-acoustic Wind Tunnel Cooling and Heating Systems

GAO Yanfang，LI Tiantian，CHEN Li，PANG Jiabin
（Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，The School of Automobile Studies，Tongji University，Shanghai 201804，China）

The full-scale automotive aero-acoustic wind tunnel is one of the vital test facilities for vehicle aerodynamics and acoustics design and performance development. It's indispensable for increasing the capability of self-brand research and development. The wind tunnel cooling and heating system is necessary to ensure the accuracy of the testing. In order to optimize the design of wind cooling and heating system, this paper classified the thermal boundary layers, calculated the cooling-heating load, and developed the thermodynamic model on the basis of the aero-acoustic wind tunnel at Tongji University. The preliminary study shows the optimized design can reduce energy consumption of the wind tunnel cooling and heating system.

aero-acoustic wind tunnel；cooling and heating system；load calculation；thermodynamic model；optimal design

V211.74

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.09

2017-03-29 改稿日期：2017-04-28

高艷芳，李田田，陳力，等. 整車氣動聲學風洞的冷卻與加熱系統(tǒng) [J].汽車工程學報，2017，7(5)：374-381.

GAO Yanfang，LI Tiantian，CHEN Li，et al. Full-scale Aero-acoustic Wind Tunnel Cooling and Heating Systems [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：374-381. (in Chinese)

作者介紹

責任作者：高艷芳（1991-），女，河南周口人。碩士研究生，主要研究方向為車身與空氣動力學。

Tel：18817366541

E-mail：gaoyanfangabc@163.com

龐加斌（1970-），男，湖北隨州人。博士，教授級高級工程師，主要研究方向為車身與空氣動力學。

Tel：021-69589109

E-mail：pang@#edu.cn