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汽車散熱器風洞試驗
2012-09-25 07:19:15 來源：HCAO汽車散熱器風洞試驗
關鍵詞：汽車散熱器；射流核心區(qū)；風洞
中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：0493-2137（2002）04-0535-06汽車散熱器又稱水箱，它是汽車發(fā)動機正常工作必不可少的，因此，對于不同型號的汽車散熱器的性能參數(shù)就需要測定，在國家標準GB9421-88，即《汽車散熱器技術條件》中，明確規(guī)定：試驗方法用JB2293-78.它是一機部標準《汽車、拖拉機風筒試驗方法》［1］，它規(guī)范了汽車散熱器的性能試驗，為汽車技術的發(fā)展起到了重要作用. 在此標準中，試驗裝置的主要部分稱為“風筒”，如圖1 所示.
圖1 JB2293-78 采用的風筒Fig.1 Wind cylinder in JB2293-78
實踐表明，它的不足之處是：1）必須設計、加工若干個試驗段，（標準中稱“過渡段”）以滿足不同幾何尺寸的散熱器的試驗要求，不僅增加造價，還要有足夠的存放空間.2）每次試驗更換試驗段相當麻煩，且工作繁重；3）試驗段截面經過擴張或收縮后，散熱器所處的速度場與在等截面直管上是不同的；擴張或收縮的角度不同，其速度場也不一樣；由于試驗時散熱器本身的溫度分布是很不均勻的，因而，使散熱器性能試驗的客
觀性受到不同程度的影響.作者研制的“汽車散熱器風洞試驗系統(tǒng)”，如圖2所示，在風筒結構和測控技術方面均有所改進.
圖2 汽車散熱器風洞試驗系統(tǒng)
Fig.2 Test sytem of automobile radiators in wind tunnel
1 試驗系統(tǒng)的組成
1.1 風洞
根據氣體動力學的原理［2］，在滿足部頒標準JB2293-78 對風筒要求的原則下設計了風洞，為直流、開口、吸氣式低速風洞，洞體用鋼材制作.
風洞截面形狀為圓形，避免了矩形截面四個直角處渦流的產生，可得到較好的試驗用流場.
1.1.1 穩(wěn)定段
入口為喇叭形. 內部安裝整流裝置、蜂窩器和阻尼網. 采用的蜂窩器為六角形阻尼網兩層，分別為18
目和20 目. 蜂窩器的作用是破碎大的氣流旋渦，對氣流導向；阻尼網的作用是破碎小的旋渦，使之在流動中
容易衰減，并能使截面速度分布趨于均勻.
1.1.2 收縮段
收縮段位于穩(wěn)定段之后. 其主要作用是使氣流加
速、實驗截面流速分布均勻和降低氣流湍流度. 要求氣
流沿收縮段流動時，洞壁上不出現(xiàn)分離. 這一切要靠合
適的收縮比和壁面曲線來保證.
風洞壁面曲線按維托辛斯基公式設計. 收縮段出
口有一平直段，便于安裝畢托管和溫度測量探頭等測
量儀表.
1.1.3 實驗間
實驗段沒有固定的壁面，稱為開口實驗段. 氣流
從收縮段出口噴出后形成圓斷面射流，射流中存在一
個速度均勻的區(qū)域，它是以風洞軸線對稱、形狀為斷面
沿流向逐漸縮小的圓錐，稱為核心區(qū). 這就是試驗用的
流場范圍，叫作試驗區(qū). 幾何尺寸小于試驗區(qū)的散熱器
均可較方便的安裝，這是與風筒的主要區(qū)別，試驗結果
不受洞壁影響.
在實驗間內設置了專門制作的座標架，用來固定
和調節(jié)散熱器的位置，待試散熱器在實驗間內與水循
環(huán)及加熱系統(tǒng)連接組成回路. 大部分測試儀表的一次
儀表在實驗間內完成與二次儀表的接通.
1.1.4 擴散段
擴散段的作用是降低能量損失. 擴散段之前有一
定長度的入口段，“收集”通過實驗間的氣流，并安裝
測量“出風溫度”的溫度計探頭.
1.1.5 風機室
風機室也是一個房間，這里選用雙面進風的離心
風機做為動力裝置. 這種風機與風洞擴散段的連接，因
為不可能直接相連，而是靠風機室來實現(xiàn).
風機室保證了風機功能的發(fā)揮，由于風機與風洞
擴散段脫離了接觸，加之減震器的作用，避免風機振動
傳遞到風洞洞體. 風機室要求密封性好，其墻壁也采用
雙層結構，中間填充隔音材料，這對降低噪聲起了很好
的作用.
1.2 水循環(huán)及加熱系統(tǒng)
此系統(tǒng)由熱水循環(huán)泵、變頻器、主儲水罐、副儲水
罐、渦輪流量計、閥門和管道組成（如圖3 所示）. 儲水
罐及管路均采取了保溫措施.
儲水罐的電加熱管，分成若干組. 當整個水循環(huán)
系統(tǒng)達到了工作狀態(tài)，即流量、溫度在要求的工況下趨
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于平衡后，可適當減少主儲水罐中“工作”的電加熱管
組數(shù).
圖3 水循環(huán)及加熱系統(tǒng)
Fig.3 Water circle and heating system
風洞，汽車散熱器風洞試驗 ，汽車散熱器性能試驗
1.3 測控系統(tǒng)
1.3.1 控制室
室內的控制臺上裝有風速、風量、水流量、差壓、
溫度等各種數(shù)字儀表及開關，用于控制所需的各種工
況，為了確保正常工作，設有兩套控制方式，即手動控
制和計算機控制. 利用自己編制的軟件，計算機不僅是
控制系統(tǒng)的心臟，同時它也出色地完成了各種物理量
的實時采集和數(shù)據處理.
1.3.2 變頻器及各種傳感器
變頻器用于交流電機無級調速，是比較成熟的技
術，用此方法獲取不同的風速和水流量. 而水的溫升則
是通過改變電加熱管的組數(shù)及其功率進行控制的. 風
速是由畢托管連接的差壓變送器的差壓值而獲取的，
水流量由渦輪流量計測得，溫度是由熱電偶式數(shù)字溫
度計測出. 以上各種傳感器均與控制臺和計算機聯(lián)通，
構成測控系統(tǒng).
風洞，汽車散熱器風洞試驗 ，汽車散熱器性能試驗
1.4 系統(tǒng)主要性能
1.4.1 風速范圍
試驗區(qū)*大風速可達34m/ s. 風速大小與變頻器
頻率之間為線性關系，變頻器頻率每升高10Hz，風速
增加7m/ s. 因此，該頻率值可作為調整風速的重要參
考數(shù)據.
1.4.2 風速的穩(wěn)定性及均勻性
風速穩(wěn)定性一般是指在規(guī)定的時間間隔內，瞬時
風速與平均風速之差的*大值與平均風速之比. 即
η = | v1 --v | max
v × 100/00
式中：vi
為瞬間風速，m/ s；-v 為平均風速，m/ s，其表達
式為
v = 1
nΣ n
i = 1
vi
；
式中：n 為測點數(shù).
測量位置：距收縮段出口255mm 斷面的中心點.
測試儀器：畢托管，（日）ISP-3-50 精密數(shù)字式微
差壓計.
測量時間：30min.
測量結果：η < 0.5/00
速度的均勻性是指氣流速度在試驗區(qū)內的分布
情況. 要求試驗區(qū)內各點的速度完全一致是不現(xiàn)實的，
一般要求試驗區(qū)的主要試驗范圍內，各個截面上各點
的氣流速度與氣流平均速度相對偏差的均方根值小于
某一給定值. 速度均勻性用σv
表示，即
σv =
Σ n
i = 1
(-v1 --v ) v
2
ﾍn - 1
式中：vi
為第i 個測點的風速，m/ s.
測量位置：距收縮段出口255mm 斷面上，沿水平
和鉛垂兩直徑布置測點.
測點間距：從中心開始，間距為10mm. 在試驗區(qū)
內的測量點數(shù)為146 個.
測試儀器：畢托管、（日）ISP-3-50 精密數(shù)字式微
差壓計.
測量結果：σv ≤ 0.4/00
1.4.3 循環(huán)水加熱時間
儲水罐內的電加熱管全部工作，水泵小流量運
行，水溫可在2h 內提升*于環(huán)境溫度60℃，以滿足
試驗要求.
1.4.4 試驗時間
在準備工作到位，計算機進行控制和數(shù)據實時采
集及處理的情況下，完成一臺散熱器的性能試驗（兩種
水流量，各6 種風速，共12 種工況），僅需0.5h.
經過多種型號散熱器的性能試驗，證明該整套系
統(tǒng)的綜合精度達到了設計要求：
1）水、氣熱量平衡誤差小于5/00；
2）重要性誤差小于3/00.
2 各種參數(shù)的采集及處理
2.1 汽車散熱器風洞試驗方法 風速
風速測量儀器為畢托管流速計，由畢托管和差壓
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變送器組成.
畢托管測速依據的是伯努利方程，其實用的計算
公式為［4］
vα = 1.288α 101325
B
273 + tal
ﾍ293 Δp （m/ s）
式中：B 為試驗時的大氣壓，Pa；Δp 為畢托管輸出的差
壓，Pa；α為畢托管的校準系數(shù)（1.003）.
2.2 空氣密度
空氣密度是大氣壓力和空氣溫度的函數(shù). 利用標
準大氣狀態(tài)和任意狀態(tài)的氣體狀態(tài)方程聯(lián)立求解，可
得
ρα = 3.484 × 10-3 B
273 + tal
式中：B 為試驗時的大氣壓，Pa.
2.3 風量
根據標準規(guī)定，風量等于質量風速ραvα
和va
測量
截面面積（即收縮段出口端平直部分的截面積）的乘
積.
Ma = 3600 × A ×ραvα
式中：A 為畢托管測速點處風洞的截面積，m2；Ma
為風
量（或稱氣流的質量流量），kg / h.
2.4 水流量
水流量的測量采用渦輪流量計，當水流經其變送
器時，轉換器的線圈中就輸出電脈沖信號，該信號的頻
率與渦輪的轉速成正比，即與水流量成正比.
體積流量公式為
Vw = 3600 × 10-3 × f
ξ
（m3 / h）
式中：f 為電脈沖信號的頻率，Hz
；ξ為渦輪流量計儀表
常數(shù)，次/ L .
為了計算散熱量，需將Vw
換算成相應的質量流
量.
Mw =ρw Vw = 3.6 ×ρw
fξ
（kg / h）
式中：ρw
為水的密度，kg / m3 .
2.5 風溫及風阻
風溫包括進風溫度（氣流通過散熱器之前的溫
度，用tal
表示）和出風溫度（氣流通過散熱器之后的截
面平均溫度，用ta2
表示），采用熱電阻溫度計測量.
進風溫度容易測量，因為收縮段出口端平直部分
的速度場和溫度場都是均勻的，溫度計插入流場中任
一點測量即可.
出風溫度的測量，是本項目的重點，也是難點. 原
因是試驗時熱散器本身的溫度分布很不均勻，這需要
在測溫點的布置上很好地研究.
目前，還未見到適應這種非均勻溫度場的平均溫
度測量的儀表. 在實驗間外，緊靠擴散段喉部的截面
上，等間隔布置6 支溫度計（要求沿徑向可調節(jié)插入位
置）；進行散熱器性能試驗之前，按照實驗的工況，分別
測出沿徑向的溫度分布，利用數(shù)值積分方法［3］，計算出
平均溫度，找出平均溫度點，即為溫度計插入位置；6
支溫度計測量值的算術平均值，就代表了截面平均風
溫.
風阻表示散熱器前后壓力的差值. 風阻的測量是
用布置在散熱器前、后流場中的總壓探針（固定在座標
架上）作為感受元件，配合差壓變送器來實現(xiàn)的.
2.6 水溫及水阻
散熱器的進水與出水溫度（分別用tw1
和tw2
表
示），用熱電阻溫度計測量. 進水與出水壓力，由靜壓孔
感受，通過導管傳遞給差壓變送器，兩者之差，即為水
阻.
2.7 其它參數(shù)
水側散熱量Qw
、氣側吸熱量Qa
、散熱系數(shù)U 和標
準散熱量Qn
均是計算得出的，它們的計算公式按照
JB2293-78 規(guī)定，分別如下：
水側散熱量
Qw = Mw
·Cpw （ tw1 - tw2
）
式中：Cpw
為水的定壓比熱，Cpw = 1， kJ（/ kg·℃）.
氣側散熱量
Qa = Ma . Cpa （ tal - ta2
）
式中：Cpa
為空氣的定壓比熱，Cpa = 0.240
kJ（/ kg·℃）.
散熱系數(shù)
U = Qw
SΔt kJ / （m2·h·0C）
式中：S 為散熱器的氣側散熱總面積，m2；Δt 為
液、氣平均溫差
Δt = tw1 + tw2
2 - ta1 + ta2
2
標準散熱量
Qn = Qw
60
tw1 - tal
3 試驗結果
3.1 系統(tǒng)的試驗精度
汽車散熱器風洞試驗系統(tǒng)的綜合試驗精度，包括
水、氣熱量平衡和重復性. 試驗用4 種散熱器，分別是
重慶五十鈴100P、ZP（中）、TJ7100 和ZP（日）. 前3 種散
熱器均在“國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心”做過試驗，可
· 538 ·
以進行比較.
“水、氣熱量平衡”，是指一臺散熱器在某一工況
（由水和氣溫差、風速和水流量確定）下試驗時，水流
散失的熱量［JB2293-78 中稱為水側散熱量， 用
Qw （ kJ / h）表示］和氣流吸收的熱量［JB2293-78 中稱為
氣側吸熱量，用Qa （ kJ / h）表示］要相近，其差值不得超
過規(guī)定值. JB2293-78 規(guī)定這個熱平衡誤差（ Qw - Qa
Qw
）
應小于± 10/00，要求較高的試驗應控制在± 5/00以內，做定
為不大于± 5/00.
“重復性”，是指同一臺散熱器在同一種工況下，某
項參數(shù)多次試驗的結果，應當基本上相同，其差值不得
超過規(guī)定值. JB2293-78 沒有定量的要求. 本文規(guī)定
ym - yi
ym ≤3/00.其中y代表某項參數(shù)的試驗結果，下標
i 代表多次試驗中的任意一次，下標m 代表多次試驗
結果的平均值.
表1 中，摘錄了4 種散熱器的部分試驗結果.
從列出的試驗結果可以看出，“水、氣熱量平衡”
和“重復性”指標，均滿足要求.
3.2 試驗結果的比較
“標準散熱量Qn
”具有可比性，但要進行一些轉
換：1）用穿過散熱器的風速（稱為“有效風速”，用ve
表
示）計算出質量風速ρzve （ kg（/ m2·s）），替代ρa va
；2）在
國家機械工業(yè)部認定的某研究所的試驗報告給出的標
準散熱量與質量風速的曲線上，查出ρzve
對應的Qn
值；3）將有關數(shù)據的單位取為一致，Qn
用kJ / h 表示，
水流量Vw
用L / min 表示. 從圖4 ～ 圖6 看出，差別不
大.
表1 散熱器性能試驗結果
Tab.1 Test resrlt of radiators performance
散熱器型號Mw（/ m3·h-1） va / （m·s-1）
（tw1 - ta1
）
/ ℃
Δpw / kPa Δpw / Pa Qw（/ kJ·h-1） Qw（/ kJ·h-1） Qw（/ kJ·h-1） Qw - Qa
Qw
//00
注：TJ 只有工況相同的兩次試驗數(shù)據.
圖4 重慶50 鈴100P 的標準散熱量
Fig.4 Standard radiation flux of Chongqing 50，100P
圖5 ZP 的標準散熱量
Fig.5 Standard radiation flux of ZP
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圖6 TJ7100 的標準散熱量
Fig.6 Standard radiation flux of TJ100
4 結論
1）汽車散熱器風洞采用開口實驗段，利用射流核
心區(qū)（實驗區(qū)）的均勻流場，能夠滿足對角線尺寸不大
于收縮段出口直徑的各種散熱器的性能試驗，顯示出
其優(yōu)越性.
2）4 種散熱器的性能試驗數(shù)據表明，試驗裝置是
可靠的，測試技術是先進的，工況的控制和數(shù)據的采集
由計算機完成，系統(tǒng)的綜合精度遠高于人工讀取各種
測試參數(shù)，能夠滿足水、氣熱平衡誤差小于5/00，重復性
誤差小于3/00的要求.
風洞，汽車散熱器風洞試驗 ，汽車散熱器性能試驗
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