车用风扇及换热器气动性能试验台设计与试制
车用风扇及换热器气动性能试验台设计与试制
刘 正 王振亚 杨志刚/上海同济大学汽车学院
摘要：本风室试验台通过采用5个喷嘴组合，有效地保证了整个风量范围的测量精度。风室采用可移动的低噪声辅助风机箱，满足了风室进气、出气试验的类型转换的要求。本风室试验系统的测试与控制程序是在Labview平台下实现的，具有自动和手动两种功能。
关键词：多喷嘴风室；汽车风扇；汽车换热器；气动性能
中图分类号：TH43 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2007）06-0028-05
The Design of Test-bed for Aerodynamic Performance of Automobile Cooling Fan and Radiator
Abstract: The five different nozzles are applied to effectively ensure the measurement accuracy over the whole flow rate range in this flow box test-bed. The mobile and lower-noise additional boxes are used to meet the requirement of conversion between inflow-mode test and outflow-mode test. The measurement and control procedure of the test system of this flow box are based on Labview software and both the automatic mode and manual mode are available.
Key words: multi-nozzle flow box; automobile cooling fan; automobile radiator; aerodynamic performance
0 引言
汽车发动机舱结构布置，气候条件和汽车行驶工况等是影响汽车热管理性能的决定性因素。在风扇叶片旋转效应等影响下，车内换热器空气侧流场非常复杂，所以揭示空气侧复杂流场对换热器气动性能的影响，特别是探寻众多影响因素之中的统一性，对于提高集成于整车之中的热管理系统性能具有特别重要的意义。
研究车内换热器空气侧流场，风扇与换热器的匹配性能等问题，原则上是可以采用CFD软件来进行模拟计算分析的，但是理论计算结果是否能准确反映汽车热管理系统实际运行的情况必须通过试验来验证。因此，建设本风室试验平台的目的在于：
（1）为整车热环境风洞试验提供汽车热管理部套件性能试验；
（2）为汽车热管理部套件性能数值分析提供试验验证；
（3）为热管理部套件性能匹配研究提供试验数据。
本风室试验台主要用于车用风扇、换热器和风扇与换热器匹配的气动性能试验。
风室试验台结构方案
本风室试验台根据GB/T1236- 2000中A型进、出气试验方式设计而成，由多喷嘴流量测量系统[1]、配有风机箱低噪声辅助风机、自动控制与数据采集系统等部分组成。该风室既可以做进气试验，也可以做出气试验。低噪声辅助风机再配上风机箱，不但在有限体积上有效地增加了风量，而且还减少了试验台的噪声。辅助风机箱和风室间配有相同的工装接口，便于进、出气试验类型的转换。同时辅助风机箱和风室下都装有带有绞死装置的脚轮车，方便试验台的移动和定位。
该风室试验台具有如下特点：
流量适应范围广[2]：5个不同喷嘴的组合，可以测得多种不同的流量范围；
测量精度高：精确控制喷嘴安装面的前后压差，根据被测流量范围要求开启不同组合的喷嘴数可以确保测量精度；
稳定性好：辅助风机通过变频器控制风机转速，精度可达±1r/min，可以使系统在不同工况情况下具有良好的稳定性；
自动化程度高：带有气动执行机构的喷嘴盖和Labview软件的编程控制，方便地实现了整个试验台的自动化控制。
风量的确定
一般轿车散热器的迎风面积在0.123～0.319m2之间。轿车怠速下通过散热器的速度约为2.5m/s ＝9km/h，而最高车速下通过散热器的迎风速度约为11m/s ＝40km/h，通过散热器的最小和最大的风量在1100～12600m3/h。
3 喷嘴的选择和组合
目前一般厂家做的汽车空调冷凝器、散热器和冷却风扇的风室试验台都采用4个喷嘴。本风室试验台为了扩大风量测量范围，确保风量测量精度，根据国标GB/T 2624选择了5个喷嘴，喷嘴安装布置见图2。此种喷嘴组合可以测得的风量范围为500～14000m3/h。
试验操作过程中，中间的喷嘴可以通过手动置于常闭或常开状态，其余4个喷嘴在测试过程中，根据测量精度要求由系统控制程序气动执行机构自动实现开启或关闭。本喷嘴组合的优点如下：
增加一个喷嘴，既满足了由于散热器偏大所需的冷却风量，又同时保证了常用试验的最小风量；
受试验室空间尺寸和两两喷嘴间距要求的限制，中间喷嘴中心与上面两个喷嘴和下面两个喷嘴的中心连线分别构成两个接近等边的三角形，从而节约了横向宽度的尺寸，保证了风室进出试验室的尺寸；
中间喷嘴手动常闭或常开，既省去了气动装置的复杂安装，又可以同时方便地控制最大和最小流量的调节。在常闭时，风量范围是1300～11000m3/h，足可以满足一般轿车散热器的试验；而当Φ110手动打开时，最小风量可以测得500 m3/h，最高可以测得14000 m3/h，实现了最大最小风量的调节；
其余4个喷嘴由电脑通过D/A转换控制带气动执行机构盖子，实现了自动化，免去了人工去开启和关闭喷嘴盖的麻烦，从而节省了试验运行时间，提高了工作效率。
其喷嘴组合后的风量见表1和表2，其中表1为Φ110常闭状态，表2为Φ110常开状态。
表1 Φ110喷嘴常闭下不同喷嘴组合后的风量
表2 Φ110喷嘴常开下不同喷嘴组合后的风量
4 风室尺寸的确定
4.1 截面的确定
喷嘴的个数和气缸（气动执行机构）的选择与安装决定了风室截面的大小：
(1) 由喷嘴确定的尺寸见图2；
(2) 气缸的选择。单个喷嘴喉部所允许的最大风速是35m/s，故该风速在单个喷嘴所产生的最大动压是766Pa，故在最大喷嘴Φ189处产生的力为F＝p×A＝21.5N。为保证气缸将喷嘴口压实，选择内径较大的气缸Φ40直径的，见图3，可以验证，在气缸内部气压为2个大气压时产生的压力为251N，通过力矩平衡251N×cos19×160/380＝100N>21.5N，所以该气缸满足要求。同时喷嘴盖子平放时，盖子平面到喷嘴中心距离为287.3mm>1.5d=283.5mm，如图4，满足GB/T1236- 2000要求。
综上，截面宽尺寸为290×2＋670＝1250mm，截面高尺寸为510×2+930＝1950mm。故风室的当量直径为D＝(4hb/π) 0.5=1762mm。
整体尺寸的确定
见图5，由A型进气风室要求L1≥0.2D=352mm，L2≥0.5D=881mm，L3≥2.5d=472.5mm，L4≥0.5D=881mm；由A型出气风室要求L1≥0.6D=1057mm，L2≥0.5D=881mm，L3≥2.5d=472.5mm，L4无要求，综合考虑，L1＝1100mm，L2＝900mm，L3＝1100mm（气缸行程需要安装空间），L4＝900mm，喷嘴安装面刚度要求，选择12mm厚的铝板。其他安装部件完全按照GB/T1236-2000，这样风室的总长度是4012mm，总高度是1950mm，总宽度是1250mm。根据人体工程学原理，风室试验台进出口的工装高度中心控制在1350mm；可视窗和维修门安装高度也同样是出于人体工程学的考虑。
风室的测试系统以及自动控制的实现
自动测试系统在微软WindowsXP系统下开发，测试与控制程序的编程在labview平台下开发。测试方式分为自动和手动两种，用户只要进行初始界面选择即可。在进入选择模块后，输入初始化数据（可在已存好数据的数据库中读取，也可以从磁盘中读取）。确定后进入自动或手动测试状态。在测试过程中可对不良数据点进行剔除。最终可完成测试后输入数据处理和报告输出。其中风扇（包括散热器和二者总成）气动性能试验输出报表包括测试工况记录，计算结果及风扇性能曲线图。
本系统采用各种传感器实现现场物理信号到电信号的转换，通过接口端子送入计算机(图6)。压力（含差压）、温度、湿度等参数通过数据采集卡将模拟量变化信号转换为数字量送入计算机，转速、功率使用RS232或者RS485串口通讯直接送入计算机[3-4]。仪器仪表的选择见表3。
表3 该风室所选的仪器仪表
流量调节的控制是通过继电器输出来控制电动执行机构调整喷嘴的开关。当压差小于250Pa时，喷嘴按表1中的组合顺序从7到1自动组合关闭（表2状态下是8到1的顺序），当压差大于650Pa时，喷嘴按表1（或表2）相反顺序自动组合开启。被测风扇和辅助风机的转速是通过变频器来实现的，通过模拟输出接收模块可以方便地运转、停止和设置各种转速，以便调节被测风扇的静压的变化。试验程序中既可通过控制流量进行试验测量，又可通过控制静压来实现进行试验测量。数据采集最后以Excel表的形式输出，见表4。不同的被测部件，输出不同的气动特性曲线图。
表4 数据的采集与计算的Excel表
结论
(1) 该风室为多喷嘴风室，测量范围是500～14000m3/h。
(2) 试验对象主要以轿车冷却风扇、换热器和风扇换热器的匹配的空气动力阻力试验为主，同时可以满足部分工业风扇和换热器的测量。
(3) 风室尺寸大小是4012mm×1250mm×1950mm。
(4) 辅助风机配有风机箱，方便了进出气试验的转换，降低了噪声。
(5) 5个喷嘴中间实行常闭或常开，调节最小和最大流量，其他4个大喷嘴通过电脑对联有喷嘴盖的气缸气动执行控制，实现了自动化。
(6) 整个测试与控制程序在Labview平台下开发。
参 考 文 献
GB/T 1236-2000 工业通风机 用标准化风道进行性能试验[S]. 北京：中国标准出版社，2006.
[2] 蒋旭平，姚新红，王海民.工业通风机性能测试中喷嘴的选择[J].流体机械,2006，4(3)：39-41.
[3] 秦国良.全功能工业通风机性能自动测试系统(一)——数据采集系统的实现[J].风机技术，2003(5)：28-30.
[4] 李丽，张锡义，李伟江.通风机性能试验台及其应用[J].中国科技论文统计源期刊，2005，22(9)：44-47.
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