热力学风洞

    一款新车在开发阶段就必须考虑到它可能会遇到的各种气候现象,所以需要将车辆放在相应的地方进行可靠性试验,但是这就有些靠天吃饭的意味了。我们所需要的气候条件往往并不由人的意志为转移,那么可以通过建立一个类似地球的小环境来模拟现实情况下车辆可能会遇到的各种天气状况,而这种人造地球环境就是所谓的热力学风洞。

与空气动力学风洞的区别

    相信很多人都听说过风洞,而根据试验对象以及用途的不同,风洞也分很多种,最常见的则是动力学风洞,它主要用来设计、优化飞行器、导弹、航天器的外部造型,在动力学风洞中能够模拟出这些物体在高速运动下可能出现的状况。

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    对于汽车厂商来说,空气动力学风洞对车身外形的开发也有着重要的作用,特别是一些超跑制造商。通常工程人员会先制成1:1的汽车油泥模型,然后在风洞中进行试验,通过风洞内产生的强大气流吹过车身表面来观察气体的流动是否符合设计上的需求,然后再对细节进行修改使风阻系数达到要求。

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    当然建造一个可以放进1:1汽车模型规模的风洞的价格也是不菲,往往达到数亿美元甚至更多,而且每做一次风洞试验的费用也是相当大的。

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    热力学风洞则是另外一个名词,它的主要用途是模拟车辆在实际情况中遭遇到的各种路况、气候环境的改变,它可以模拟雨雪天气、不同的湿度和温度环境等。然而空气动力学风洞则不需要这些,它只需要吹风,这也是二者最大的区别。

下面以坐落于上海泛亚汽车技术中心的热力学风洞为例进行介绍

● 风机重40吨 最大风速250km/h

    这座热力学风洞坐落于上海泛亚汽车技术中心,建筑内设有主试验舱、预试验舱、风机、风道、冷却/加热系统、底盘测功机、日照模拟/雨雪模拟系统、数据采集系统等。

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    风洞内的核心部件风机的重量为40吨,最大转速708rpm,虽然转速不高,但由于风扇直径有3.6米,所以在全速状态下配合风道的设计,最终在出风口可以产生时速为250km/h的风,而此时电机的功率为1500kW。

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    要想产生高质量且可控的风,风道的设计是颇有讲究的。从侧面看去,整个风道采用了“回”字形的结构,重量达到了70吨,这种垂直布置的的方式使风道的上下落差达到了9米。位于建筑第3层的风机吹出的风会通过一段漫长的风道到达位于一层的风道扩张段,它的作用主要是让气流在这里得到缓冲、整流,然后经过收缩段最终从一个7平方米的出风口快速吹向主试验舱。

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    风从风机到出风口有很长的一段距离,所以当风机转速发生变化后,出风口的风速必然会有延迟,但这个延迟性被控制在5秒之内。出风口的面积为7平方米,实际上它可以缩小为5平方米,通过调整出风口的面积,可以将风道中的最高风速立刻从200km/h提升到250km/h。这种对风道设计的“斤斤计较”确保了各项试验更加接近或等同真实情况。

主试验舱可模拟-40至60摄氏度的气候环境 并实现雨雪天气条件

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    主实验舱内用来放置试验车辆,在地面上安装有底盘测功机。它可以在车辆不着车的情况下,带动车轮旋转,同时还能模拟不同摩擦系数的路面对车辆产生的道路载荷,这在试验舱内就实现了真实情况下的车辆行驶状态。

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    在这样一个长22米、宽9米、高6.6米的主实验舱内,还安装有光照系统和雨雪系统。其中光照系统可以模拟现实中清晨、午后、傍晚等各时间段的阳光照射角度以及世界不同地区的各种光照强度,最高达到了1200瓦/平方米,超过了目前已有统计的全球最高日照强度——1000瓦/平方米。

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    通过压缩机和水泵所实现的雨雪系统配合需要的风速就可以完全再现运动中的车辆在自然雨雪条件下的情况。主压缩机可以使实验舱实现从零下40度到60度的温度变化,温度变化速率为0.6℃/min,更快的温度变化可以在一天内实现极冷和极热两种情况下的试验,同时可以更加真实的模拟气候变化。

热力学风洞对车型开发的意义

    在没有热力学风洞的条件下,车辆的测试就是要看老天爷的脸色,而且还会受到很多干扰。在四季分明的中国,一年只有一个冬季或夏季,把南北半球都利用上也不过两个。例如在做车辆耐高温试验或者空调系统测试的话,就需要7、8月份在中国,12月、1月到澳洲,而有了这个风洞,则可以不受外界条件的限制,一年12个月都可以充分利用模拟的小环境为整车的开发进行调试。可以想象,无论是研发成本还是时间都得到了更好的控制,大大提高了工作效率。

    当然风洞也并不是万能的,即使有了热力学风洞,也不会将所有的试验全部在风洞内完成,通常它用来完成80%的工作,而剩下的20%则需要到实际条件下来最终检验前期在风洞中的成果。

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    在这个热力学风洞中拥有超过2000个通道,每个通道即是一个信息数据,通过对这些数据的采集、测量、分析,可以将车辆在各种条件下所反馈出的状况捕捉得更加敏锐、细致,帮助技术人员更精准的找出问题的症结。

总结:

    可以大胆想象,如果我们掌握着史前气候数据,将其输入电脑并通过热力学风洞进行模拟,然后看看现代工业文明的产物——汽车,是否适合在那个恐龙为主宰的侏罗纪和白垩纪时代使用,不过这只是我们天马行空般的想象以及一厢情愿。通过热力学风洞可以再现世界各地的不同气候条件,足不出户就可以对车辆进行模拟试验。放眼全球范围内的知名汽车企业,热力学风洞已经是不可或缺的现代化研发设备,而它也确实体现了车企在技术和产品研发方面的实力。

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