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汽车环境风洞环境模拟系统设计
2020-10-17 16:06:58· 来源：中汽中心空气动力学实验室
汽车环境风洞环境模拟系统由高低温模拟系统、道路模拟系统、阳光模拟系统、雨雪模拟系统这几个主要设备组成，用于模拟不同的自然环境。本节分别讲述了不同系统的
汽车环境风洞环境模拟系统由高低温模拟系统、道路模拟系统、阳光模拟系统、雨雪模拟系统这几个主要设备组成，用于模拟不同的自然环境。本节分别讲述了不同系统的设计思路。
1.高低温模拟系统
制冷系统能力的设计是基于空气离开温度要求。制冷载荷的分解如图1：
图1 制冷系统载荷估计
Figure1 Load estimation of cooling system
制冷载荷是根据中汽中心提供的测试工况以及极限设计点得出，如图2所示。
图2 极限测试工况
Figure2 Extreme test condition
总体制冷量由整个风道内的热负荷决定，包括：主风机热量，车的热量，流道热量，盐水系统损失（包括管道泵和管路损失），雨雪光照边界层系统等。整个风洞内的热平衡还要考虑车辆的热负荷，包括：轮胎发热，发动机热量传至空气，尾气热量。除了上表列出的稳定负荷，也应该考虑温度变化速率要求，从而也必须考虑风洞钢壳和车辆的热容量，因为这是影响升降温速率的重要因素。
在考虑温度变化速率要求的情况下，最终计算结果显示静态状态下的制冷系统能力要求可以覆盖温度变化速率的要求。也就是说，温度变化要求不是制冷能力的决定因素。
图3显示了温度变化速率的过程的模拟。温度变化的设计，要求在20分钟内从46℃降低至34℃，风速最大值可达120km/h。在这个变化过程中，最大制冷负荷点刚好在空气温度达到目标温度之前；然后制冷负荷在温度变化结束后迅速下降，这是因为空气温度已经达到了目标温度；随后制冷量缓慢下降，以此来平衡钢壳和其他内部结构降温存在的部分热负荷。
图3 温度变化过程模拟
Figure3 Simulation of temperature change process
同时，对加热过程也进行了同样的模拟。为了定义盐水加热器的要求，设计要求如下：在风速110km/h的情况下，在43.75min内从10℃升至45℃，升温速率为0.8℃/min。图4显示了不同功率加热器的加热过程。1000kW加热器的加热时间过长，时间为46分钟，无法满足设计要求。1250kW的加热器可以在40分钟左右完成加热过程，刚好满足要求，因此确定加热器的功率为1250kW。
图4 不同加热器的加热过程模拟
Figure4 Heating process simulation of different heaters
2.道路模拟系统
为了覆盖从乘用车到商用车的测试需求，底盘测功机采用75英寸转毂，模拟惯量范围为600kg~50,000kg，用来模拟不同车型的道路载荷。并且考虑到轮毂电机的开发需求，转毂为四驱四电机，每个电机可以独立控制，可以模拟各种工况的道路载荷。
3.阳光模拟系统
阳光模拟系统为全光谱阳光模拟系统。并且可以通过两种不同的遮光罩模拟乌云和隧道工况。整个灯架高度可调，用来满足不同高度的车型实验时，均能保持良好的光照均匀性。
4.雨雪模拟系统
雨模拟系统通过放置于喷口前的雨架，将水滴喷出来模拟降雨过程。并且通过不同的喷嘴型号和流量控制雨滴直径以及雨量的大小。
雪模拟系统通过放置在喷口前的雪枪，喷出空气与水雾的混合物，在低温条件下凝结成为雪花。雪枪可以通过控制空气和水的流量来控制雪量，并且不同的水与空气的比例也会产生不同形式不同湿度的雪。
1.高低温模拟系统
制冷系统能力的设计是基于空气离开温度要求。制冷载荷的分解如图1：
图1 制冷系统载荷估计
Figure1 Load estimation of cooling system
制冷载荷是根据中汽中心提供的测试工况以及极限设计点得出，如图2所示。
图2 极限测试工况
Figure2 Extreme test condition
总体制冷量由整个风道内的热负荷决定，包括：主风机热量，车的热量，流道热量，盐水系统损失（包括管道泵和管路损失），雨雪光照边界层系统等。整个风洞内的热平衡还要考虑车辆的热负荷，包括：轮胎发热，发动机热量传至空气，尾气热量。除了上表列出的稳定负荷，也应该考虑温度变化速率要求，从而也必须考虑风洞钢壳和车辆的热容量，因为这是影响升降温速率的重要因素。
在考虑温度变化速率要求的情况下，最终计算结果显示静态状态下的制冷系统能力要求可以覆盖温度变化速率的要求。也就是说，温度变化要求不是制冷能力的决定因素。
图3显示了温度变化速率的过程的模拟。温度变化的设计，要求在20分钟内从46℃降低至34℃，风速最大值可达120km/h。在这个变化过程中，最大制冷负荷点刚好在空气温度达到目标温度之前；然后制冷负荷在温度变化结束后迅速下降，这是因为空气温度已经达到了目标温度；随后制冷量缓慢下降，以此来平衡钢壳和其他内部结构降温存在的部分热负荷。
图3 温度变化过程模拟
Figure3 Simulation of temperature change process
同时，对加热过程也进行了同样的模拟。为了定义盐水加热器的要求，设计要求如下：在风速110km/h的情况下，在43.75min内从10℃升至45℃，升温速率为0.8℃/min。图4显示了不同功率加热器的加热过程。1000kW加热器的加热时间过长，时间为46分钟，无法满足设计要求。1250kW的加热器可以在40分钟左右完成加热过程，刚好满足要求，因此确定加热器的功率为1250kW。
图4 不同加热器的加热过程模拟
Figure4 Heating process simulation of different heaters
2.道路模拟系统
为了覆盖从乘用车到商用车的测试需求，底盘测功机采用75英寸转毂，模拟惯量范围为600kg~50,000kg，用来模拟不同车型的道路载荷。并且考虑到轮毂电机的开发需求，转毂为四驱四电机，每个电机可以独立控制，可以模拟各种工况的道路载荷。
3.阳光模拟系统
阳光模拟系统为全光谱阳光模拟系统。并且可以通过两种不同的遮光罩模拟乌云和隧道工况。整个灯架高度可调，用来满足不同高度的车型实验时，均能保持良好的光照均匀性。
4.雨雪模拟系统
雨模拟系统通过放置于喷口前的雨架，将水滴喷出来模拟降雨过程。并且通过不同的喷嘴型号和流量控制雨滴直径以及雨量的大小。
雪模拟系统通过放置在喷口前的雪枪，喷出空气与水雾的混合物，在低温条件下凝结成为雪花。雪枪可以通过控制空气和水的流量来控制雪量，并且不同的水与空气的比例也会产生不同形式不同湿度的雪。
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