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首座汽車風洞在重慶落成 多環節降噪打造“安靜洞”

發布時間:2019-07-19 10:23:46 來源:科技日報 責任編輯:caobo

汽車風洞能夠模擬各種行車環境中遇到的空氣阻力、噪聲、熱力學狀態,以及天氣環境甚至太陽輻射等,用以測試樣車的安全性和操縱穩定性,它也是汽車外形設計、整車熱管理開發過程中必不可少的環節。

近日,中國中西部地區首座汽車風洞在重慶落成。據了解,該風洞由國際一流水平的全尺寸汽車空氣動力學—聲學風洞(AAWT)(以下簡稱氣動—聲學風洞)和汽車環境風洞(CWT)組成,并配置高低溫環境艙、五軸聯動數控加工中心和1200核高性能仿真計算平臺等設施,是目前世界上最先進的風洞之一。

那么,這座汽車風洞有哪些亮眼的科技元素?又有何先進之處?記者采訪了相關專家。

風洞“心臟”采用特殊設計

在氣動—聲學風洞里,科技日報記者看到一輛車正在進行汽車風阻測試,在特意設計的白煙的幫助下,風遇到車后的動態變化情況就被清晰地展示了出來。

“在汽車風洞中可模擬出汽車所遇到的風從0—300千米/小時的速度變化,這么高的速度范圍,一方面有風洞收縮段的加速作用,但更為重要的是風洞中最核心的設備——風機系統發揮了關鍵作用。”中國汽研汽車風洞中心主任王勇說,氣動—聲學風洞就像讓汽車站上“跑步機”,研究人員通過風洞試驗,可獲得包括風阻系數、風噪性能、行駛穩定性、側風響應、車內外噪聲等數據。而風機系統對于汽車風洞而言就是其心臟,也是風洞先進性的體現。

“汽車風洞吹風是有講究的。”王勇介紹,風洞風機系統的基本原理與我們日常生活中使用的電風扇的原理類似,主要由電機和葉片組成,也叫軸流式風機。不過要能模擬出汽車從零到百公里加速度過程中面臨的各種風速,就需要風機電機具備數千千瓦的額定功率。而且相比家用電扇效率只有50%,風洞風機的效率最高可達90%以上,大大地節約電能。風洞風機想要達到如此高的效率需要對風機進行大量的特殊設計,例如,選擇適宜的輪轂比和特別優化的葉型,葉片通常需要使用碳纖維材料,葉片與機殼的間隙不超過風機直徑的千分之一等。比如梅賽德斯—奔馳汽車于2013年投入使用的最新汽車風洞,該空氣動力學風洞風機直徑9米,最大功率5300千瓦,由18片碳纖維葉片提供高達265千米/小時的試驗風速。

“我們建設時就對標的是奔馳汽車最新汽車風洞。”王勇說,中國汽研氣動—聲學風洞的風機是具有世界一流水平的軸流式風機系統,其功率為4000千瓦左右,最高風速可達250千米/小時,葉片則采用了18片碳纖維葉片,直徑達9米,具備極高的控制精度和效率。

多環節降噪打造“安靜洞”

汽車風噪性能的開發已經成為了繼風阻之后車企又一重點關注的領域,風噪是最為常見的汽車噪音之一,它是由于汽車在高速行駛的過程中,風的壓力超過車門的密封阻力產生的,行駛速度越快,風噪越大。風噪的響聲非常特別,流速很快的風與車體的門窗或金屬縫隙形成邊角摩擦,產生高響度的摩擦音,具有很強的穿透力和刺激性,高速運轉持續的時間越長,風噪的危害就會越突出,并逐漸累積,給乘坐車輛的人帶來強烈的不舒適感。在風噪開發中,最主要的試驗設備就是低噪聲的氣動—聲學風洞。相比模型風洞、空氣動力學整車風洞,氣動—聲學風洞因為對風洞的噪聲源進行了消聲處理,具備汽車聲學測量的條件。

氣動—聲學風洞是一座3/4開口的回流式風洞,它具有動力段、擴散段、駐室、收集口、拐角導流片、穩定段、換熱器等部件,試驗段噴口面積為28平方米,試驗段長度為19米。

中國汽研高級工程師陳軍介紹,為了做到低噪聲,風洞在設計上就從噪聲源和噪聲傳播途徑兩個方面對風洞背景噪聲進行了控制。他們對風機葉片翼型、安裝角度、葉頂間隙等進行聲學優化;對拐角導流片、收集口、擴散段、風機出入口、尾錐和流道進行聲學消聲處理;駐室側壁和天花板進行聲學消聲處理,形成截止頻率為50赫茲的半消聲室,滿足車輛聲學試驗的要求;優化的收集口設計,以消除低頻顫振帶來的噪聲;同時,盡量減小駐室內反射面如移動測量系統、行車、燈具等,減少噪聲源。經過一系列的風洞消聲處理,目前在140千米/小時的風速下該風洞的背景噪聲僅為58分貝,完全可以滿足汽車氣動噪聲的測量要求,躋身世界最安靜的汽車風洞之列。

地面之下暗藏玄機

風洞測試必然離不開精準性的討論,這就要靠汽車風洞中的天平來體現,它是汽車風洞中最重要也是最昂貴的測試設備。不過它可不是平常大家認識的天平,也不是用來測量汽車的重量,它是用來精確測量汽車所受的氣動力和力矩的。

一般來說,汽車天平和轉臺、移動道路系統是集成在一起的。處于風洞室內的地板之下,因此表面看起來風洞室內的地面平平無奇,下面卻是風洞中最重要的測量設備。目前主流的汽車天平系統都已集成了移動道路模擬系統,能夠模擬車輛在道路上的行駛情況。

根據移動道路模擬帶的數量主要可分為單帶系統、五帶系統和三帶系統。王勇介紹,氣動—聲學風洞采用了MTS公司(全球最大的力學性能測試與模擬系統供應商)提供的高精度五帶式天平/轉臺/移動帶系統。主要特點是轉臺上集成了1條中間帶和4個車輪驅動單元小帶。這一天平的特點是測量精度高,可以調整車輛離地高度,主要用于乘用車測試;可直接測量獲得汽車的氣動六分力,即車輛的氣動阻力、氣動側向力、氣動升力以及由此產生的氣動力矩,還能測試車輛的動態力和拖動力;甚至可以“稱”出一顆雞蛋的重量,為車企提供準確的實驗數據支撐。

由于汽車周圍流場為一隨時間變化的湍流場,為了能夠對汽車周圍流場和聲學信息進行精確的測量,就需要能夠精確控制測量儀器位置的設備,移動測量系統就是滿足這一要求的重要設備。移動測量系統安裝運動部件和旋轉、延伸部件,使其不僅可以進行三維移動,還能根據需要實現不同軸向的旋轉運動,來使測量儀器精確到達不易到達的位置,如車輛側鏡后面或車身底部區域。

呼風喚雨模擬四季

地球擁有復雜多變的氣候現象,百變甚至極端的氣候經常給車輛帶來諸多難以預料的問題。如果有一種設備能把地球上的各種氣候都模擬出來,那將給新車研發節省大量路試的時間。汽車環境風洞就擁有這樣的設備,在汽車環境風洞中,降雨、降雪、高溫、低溫、日照、結冰等一年四季的環境,可以在這里得到精確模擬,以此檢驗車輛針對惡劣環境的“抗壓能力”。

如何去創造各種各樣的天氣條件滿足車輛測試需要呢?據了解,汽車環境風洞的溫度模擬范圍可達-40℃—60℃。為實現低溫,風洞中會采用二次制冷系統,讓載冷劑通過盤管在風洞流道中進行熱交換;而高溫的實現,則是通過鍋爐加熱獲取熱量,盡量在節約能源的同時,精準控制溫度。

為了在風洞中實現陽光模擬,汽車環境風洞測試段頂部配置了一套全光譜的陽光模擬系統,每個燈源都有獨立的電源和控制系統,以實現光照的精準控制;同時,在每個獨立燈源上集成有網狀擋板和遮光擋板,用于模擬車輛在烏云條件下低照射強度環境和通過隧道時的無照射環境。

除了模擬陽光,這個風洞還能“下雨”。為了在風洞中實現降雨模擬,汽車環境風洞的噴口安裝了噴槍,根據不同雨量大小設定,噴槍會噴出相應大小的雨滴,雨滴隨噴口氣流吹向測試車輛從而模擬小雨、中雨、暴雨等不同級別的真實降雨情況。

“下雪”也是它的技能之一。風洞的噴槍能夠根據所需雪量的大小噴出帶水滴的高壓氣體,在風洞流道內溫度達到-10℃以下時凝結成冰粒,從而在試驗車輛前方形成降雪,雪量大小、降雪時間都可自由控制。

值得一提的是,在汽車環境風洞里安裝有直徑4.5米的風機,配備他們創新的可變收集口,可變收集口能夠隨車輛的大小進行調節,能讓小轎車和大卡車、大巴士都能在這里進行測試。

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