汽車散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)方法             上海汽車散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)方法 廠家

摘要：研制出汽車散熱器的一種新型試驗(yàn)方法，它不僅滿足而且優(yōu)于JB2293-78 的要求. 試驗(yàn)裝置風(fēng)洞的試驗(yàn)段為開口自由射流，其核心區(qū)的流場(chǎng)是均勻的，免去了JB2293-78 中所采用的風(fēng)筒安裝汽車散熱器的麻煩. 在風(fēng)洞的風(fēng)速調(diào)節(jié)和水循環(huán)系統(tǒng)中水流量和水溫采用了計(jì)算機(jī)控制，不僅節(jié)省了測(cè)試時(shí)間，而且大大地提高了測(cè)試精度. 為確保測(cè)試的順利進(jìn)行，本檢測(cè)系統(tǒng)還備有手動(dòng)操作程序.
關(guān)鍵詞：汽車散熱器；射流核心區(qū)；風(fēng)洞
中圖分類號(hào)：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0493-2137（2002）04-0535-06汽車散熱器又稱水箱，它是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作必不可少的，因此，對(duì)于不同型號(hào)的汽車散熱器的性能參數(shù)就需要測(cè)定，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9421-88，即《汽車散熱器技術(shù)條件》中，明確規(guī)定：試驗(yàn)方法用JB2293-78.它是一機(jī)部標(biāo)準(zhǔn)《汽車、拖拉機(jī)風(fēng)筒試驗(yàn)方法》［1］，它規(guī)范了汽車散熱器的性能試驗(yàn)，為汽車技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用. 在此標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)裝置的主要部分稱為“風(fēng)筒”，如圖1 所示.
圖1 JB2293-78 采用的風(fēng)筒Fig.1 Wind cylinder in JB2293-78
實(shí)踐表明，它的不足之處是：1）必須設(shè)計(jì)、加工若干個(gè)試驗(yàn)段，（標(biāo)準(zhǔn)中稱“過渡段”）以滿足不同幾何尺寸的散熱器的試驗(yàn)要求，不僅增加造價(jià)，還要有足夠的存放空間.2）每次試驗(yàn)更換試驗(yàn)段相當(dāng)麻煩，且工作繁重；3）試驗(yàn)段截面經(jīng)過擴(kuò)張或收縮后，散熱器所處的速度場(chǎng)與在等截面直管上是不同的；擴(kuò)張或收縮的角度不同，其速度場(chǎng)也不一樣；由于試驗(yàn)時(shí)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(yàn)的客
觀性受到不同程度的影響.作者研制的“汽車散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)”，如圖2所示，在風(fēng)筒結(jié)構(gòu)和測(cè)控技術(shù)方面均有所改進(jìn).
圖2 汽車散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)

Fig.2 Test sytem of automobile radiators in wind tunnel
1 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成
1.1 風(fēng)洞
根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的原理［2］，在滿足部頒標(biāo)準(zhǔn)JB2293-78 對(duì)風(fēng)筒要求的原則下設(shè)計(jì)了風(fēng)洞，為直流、開口、吸氣式低速風(fēng)洞，洞體用鋼材制作.
風(fēng)洞截面形狀為圓形，避免了矩形截面四個(gè)直角處渦流的產(chǎn)生，可得到較好的試驗(yàn)用流場(chǎng).
1.1.1 穩(wěn)定段
入口為喇叭形. 內(nèi)部安裝整流裝置、蜂窩器和阻尼網(wǎng). 采用的蜂窩器為六角形阻尼網(wǎng)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(duì)氣流導(dǎo)向；阻尼網(wǎng)的作用是破碎小的旋渦，使之在流動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)時(shí)，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(fēng)洞壁面曲線按維托辛斯基公式設(shè)計(jì). 收縮段出
口有一平直段，便于安裝畢托管和溫度測(cè)量探頭等測(cè)
量?jī)x表.
1.1.3 實(shí)驗(yàn)間
實(shí)驗(yàn)段沒有固定的壁面，稱為開口實(shí)驗(yàn)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(gè)速度均勻的區(qū)域，它是以風(fēng)洞軸線對(duì)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(yàn)用的
流場(chǎng)范圍，叫作試驗(yàn)區(qū). 幾何尺寸小于試驗(yàn)區(qū)的散熱器
均可較方便的安裝，這是與風(fēng)筒的主要區(qū)別，試驗(yàn)結(jié)果
不受洞壁影響.
在實(shí)驗(yàn)間內(nèi)設(shè)置了專門制作的座標(biāo)架，用來固定
和調(diào)節(jié)散熱器的位置，待試散熱器在實(shí)驗(yàn)間內(nèi)與水循
環(huán)及加熱系統(tǒng)連接組成回路. 大部分測(cè)試儀表的一次
儀表在實(shí)驗(yàn)間內(nèi)完成與二次儀表的接通.
1.1.4 擴(kuò)散段
擴(kuò)散段的作用是降低能量損失. 擴(kuò)散段之前有一
定長(zhǎng)度的入口段，“收集”通過實(shí)驗(yàn)間的氣流，并安裝
測(cè)量“出風(fēng)溫度”的溫度計(jì)探頭.
1.1.5 風(fēng)機(jī)室
風(fēng)機(jī)室也是一個(gè)房間，這里選用雙面進(jìn)風(fēng)的離心
風(fēng)機(jī)做為動(dòng)力裝置. 這種風(fēng)機(jī)與風(fēng)洞擴(kuò)散段的連接，因
為不可能直接相連，而是靠風(fēng)機(jī)室來實(shí)現(xiàn).
風(fēng)機(jī)室保證了風(fēng)機(jī)功能的發(fā)揮，由于風(fēng)機(jī)與風(fēng)洞
擴(kuò)散段脫離了接觸，加之減震器的作用，避免風(fēng)機(jī)振動(dòng)
傳遞到風(fēng)洞洞體. 風(fēng)機(jī)室要求密封性好，其墻壁也采用
雙層結(jié)構(gòu)，中間填充隔音材料，這對(duì)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(chǔ)水罐、副儲(chǔ)水
罐、渦輪流量計(jì)、閥門和管道組成（如圖3 所示）. 儲(chǔ)水
罐及管路均采取了保溫措施.
儲(chǔ)水罐的電加熱管，分成若干組. 當(dāng)整個(gè)水循環(huán)
系統(tǒng)達(dá)到了工作狀態(tài)，即流量、溫度在要求的工況下趨
· 536 ·
于平衡后，可適當(dāng)減少主儲(chǔ)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
汽車散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)方法
1.3 測(cè)控系統(tǒng)
1.3.1 控制室
室內(nèi)的控制臺(tái)上裝有風(fēng)速、風(fēng)量、水流量、差壓、
溫度等各種數(shù)字儀表及開關(guān)，用于控制所需的各種工
況，為了確保正常工作，設(shè)有兩套控制方式，即手動(dòng)控
制和計(jì)算機(jī)控制. 利用自己編制的軟件，計(jì)算機(jī)不僅是
控制系統(tǒng)的心臟，同時(shí)它也出色地完成了各種物理量
的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理.
1.3.2 變頻器及各種傳感器
變頻器用于交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速，是比較成熟的技
術(shù)，用此方法獲取不同的風(fēng)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(jìn)行控制的. 風(fēng)
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(jì)測(cè)得，溫度是由熱電偶式數(shù)字溫
度計(jì)測(cè)出. 以上各種傳感器均與控制臺(tái)和計(jì)算機(jī)聯(lián)通，
構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng).
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1.4 系統(tǒng)主要性能
1.4.1 風(fēng)速范圍
試驗(yàn)區(qū)*大風(fēng)速可達(dá)34m/ s. 風(fēng)速大小與變頻器
頻率之間為線性關(guān)系，變頻器頻率每升高10Hz，風(fēng)速
增加7m/ s. 因此，該頻率值可作為調(diào)整風(fēng)速的重要參
考數(shù)據(jù).
1.4.2 風(fēng)速的穩(wěn)定性及均勻性
風(fēng)速穩(wěn)定性一般是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，瞬時(shí)
風(fēng)速與平均風(fēng)速之差的*大值與平均風(fēng)速之比. 即
η = | v1 --v | max
v × 100/00
式中：vi
為瞬間風(fēng)速，m/ s；-v 為平均風(fēng)速，m/ s，其表達(dá)
式為
v = 1
nΣ n
i = 1
vi
；
式中：n 為測(cè)點(diǎn)數(shù).
測(cè)量位置：距收縮段出口255mm 斷面的中心點(diǎn).
測(cè)試儀器：畢托管，（日）ISP-3-50 精密數(shù)字式微
差壓計(jì).
測(cè)量時(shí)間：30min.
測(cè)量結(jié)果：η < 0.5/00
速度的均勻性是指氣流速度在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的分布
情況. 要求試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的速度完全一致是不現(xiàn)實(shí)的，
一般要求試驗(yàn)區(qū)的主要試驗(yàn)范圍內(nèi)，各個(gè)截面上各點(diǎn)
的氣流速度與氣流平均速度相對(duì)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
?n - 1
式中：vi
為第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，m/ s.
測(cè)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(cè)點(diǎn).
測(cè)點(diǎn)間距：從中心開始，間距為10mm. 在試驗(yàn)區(qū)
內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)為146 個(gè).
測(cè)試儀器：畢托管、（日）ISP-3-50 精密數(shù)字式微
差壓計(jì).
測(cè)量結(jié)果：σv ≤ 0.4/00
1.4.3 循環(huán)水加熱時(shí)間
儲(chǔ)水罐內(nèi)的電加熱管全部工作，水泵小流量運(yùn)
行，水溫可在2h 內(nèi)提升至高于環(huán)境溫度60℃，以滿足
試驗(yàn)要求.
1.4.4 試驗(yàn)時(shí)間
在準(zhǔn)備工作到位，計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采
集及處理的情況下，完成一臺(tái)散熱器的性能試驗(yàn)（兩種
水流量，各6 種風(fēng)速，共12 種工況），僅需0.5h.
經(jīng)過多種型號(hào)散熱器的性能試驗(yàn)，證明該整套系
統(tǒng)的綜合精度達(dá)到了設(shè)計(jì)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(fēng)洞試驗(yàn)方法 風(fēng)速
風(fēng)速測(cè)量?jī)x器為畢托管流速計(jì)，由畢托管和差壓
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變送器組成.
畢托管測(cè)速依據(jù)的是伯努利方程，其實(shí)用的計(jì)算
公式為［4］
vα = 1.288α 101325
B
273 + tal
?293 Δp （m/ s）
式中：B 為試驗(yàn)時(shí)的大氣壓，Pa；Δp 為畢托管輸出的差
壓，Pa；α為畢托管的校準(zhǔn)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(biāo)
準(zhǔn)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(yàn)時(shí)的大氣壓，Pa.
2.3 風(fēng)量
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，風(fēng)量等于質(zhì)量風(fēng)速ραvα
和va
測(cè)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(cè)速點(diǎn)處風(fēng)洞的截面積，m2；Ma
為風(fēng)
量（或稱氣流的質(zhì)量流量），kg / h.
2.4 水流量
水流量的測(cè)量采用渦輪流量計(jì)，當(dāng)水流經(jīng)其變送
器時(shí)，轉(zhuǎn)換器的線圈中就輸出電脈沖信號(hào)，該信號(hào)的頻
率與渦輪的轉(zhuǎn)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(hào)的頻率，Hz
；ξ為渦輪流量計(jì)儀表
常數(shù)，次/ L .
為了計(jì)算散熱量，需將Vw
換算成相應(yīng)的質(zhì)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(fēng)溫及風(fēng)阻
風(fēng)溫包括進(jìn)風(fēng)溫度（氣流通過散熱器之前的溫
度，用tal
表示）和出風(fēng)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(jì)測(cè)量.
進(jìn)風(fēng)溫度容易測(cè)量，因?yàn)槭湛s段出口端平直部分
的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)都是均勻的，溫度計(jì)插入流場(chǎng)中任
一點(diǎn)測(cè)量即可.
出風(fēng)溫度的測(cè)量，是本項(xiàng)目的重點(diǎn)，也是難點(diǎn). 原
因是試驗(yàn)時(shí)熱散器本身的溫度分布很不均勻，這需要
在測(cè)溫點(diǎn)的布置上很好地研究.
目前，還未見到適應(yīng)這種非均勻溫度場(chǎng)的平均溫
度測(cè)量的儀表. 在實(shí)驗(yàn)間外，緊靠擴(kuò)散段喉部的截面
上，等間隔布置6 支溫度計(jì)（要求沿徑向可調(diào)節(jié)插入位
置）；進(jìn)行散熱器性能試驗(yàn)之前，按照實(shí)驗(yàn)的工況，分別
測(cè)出沿徑向的溫度分布，利用數(shù)值積分方法［3］，計(jì)算出
平均溫度，找出平均溫度點(diǎn)，即為溫度計(jì)插入位置；6
支溫度計(jì)測(cè)量值的算術(shù)平均值，就代表了截面平均風(fēng)
溫.
風(fēng)阻表示散熱器前后壓力的差值. 風(fēng)阻的測(cè)量是
用布置在散熱器前、后流場(chǎng)中的總壓探針（固定在座標(biāo)
架上）作為感受元件，配合差壓變送器來實(shí)現(xiàn)的.
2.6 水溫及水阻
散熱器的進(jìn)水與出水溫度（分別用tw1
和tw2
表
示），用熱電阻溫度計(jì)測(cè)量. 進(jìn)水與出水壓力，由靜壓孔
感受，通過導(dǎo)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(cè)散熱量Qw
、氣側(cè)吸熱量Qa
、散熱系數(shù)U 和標(biāo)
準(zhǔn)散熱量Qn
均是計(jì)算得出的，它們的計(jì)算公式按照
JB2293-78 規(guī)定，分別如下：
水側(cè)散熱量
Qw = Mw
·Cpw （ tw1 - tw2
）
式中：Cpw
為水的定壓比熱，Cpw = 1， kJ（/ kg·℃）.
氣側(cè)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(cè)散熱總面積，m2；Δt 為
液、氣平均溫差
Δt = tw1 + tw2
2 - ta1 + ta2
2
標(biāo)準(zhǔn)散熱量
Qn = Qw
60
tw1 - tal
3 試驗(yàn)結(jié)果
3.1 系統(tǒng)的試驗(yàn)精度
汽車散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)精度，包括
水、氣熱量平衡和重復(fù)性. 試驗(yàn)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(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”做過試驗(yàn)，可
· 538 ·
以進(jìn)行比較.
“水、氣熱量平衡”，是指一臺(tái)散熱器在某一工況
（由水和氣溫差、風(fēng)速和水流量確定）下試驗(yàn)時(shí)，水流
散失的熱量［JB2293-78 中稱為水側(cè)散熱量， 用
Qw （ kJ / h）表示］和氣流吸收的熱量［JB2293-78 中稱為
氣側(cè)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(gè)熱平衡誤差（ Qw - Qa
Qw
）
應(yīng)小于± 10/00，要求較高的試驗(yàn)應(yīng)控制在± 5/00以內(nèi)，做定
為不大于± 5/00.
“重復(fù)性”，是指同一臺(tái)散熱器在同一種工況下，某
項(xiàng)參數(shù)多次試驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)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(xiàng)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，下標(biāo)
i 代表多次試驗(yàn)中的任意一次，下標(biāo)m 代表多次試驗(yàn)
結(jié)果的平均值.
表1 中，摘錄了4 種散熱器的部分試驗(yàn)結(jié)果.
從列出的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，“水、氣熱量平衡”
和“重復(fù)性”指標(biāo)，均滿足要求.
3.2 試驗(yàn)結(jié)果的比較
“標(biāo)準(zhǔn)散熱量Qn
”具有可比性，但要進(jìn)行一些轉(zhuǎn)
換：1）用穿過散熱器的風(fēng)速（稱為“有效風(fēng)速”，用ve
表
示）計(jì)算出質(zhì)量風(fēng)速ρzve （ kg（/ m2·s）），替代ρa va
；2）在
國(guó)家機(jī)械工業(yè)部認(rèn)定的某研究所的試驗(yàn)報(bào)告給出的標(biāo)
準(zhǔn)散熱量與質(zhì)量風(fēng)速的曲線上，查出ρzve
對(duì)應(yīng)的Qn
值；3）將有關(guān)數(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果
Tab.1 Test resrlt of radiators performance
散熱器型號(hào)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(yàn)數(shù)據(jù).
圖4 重慶50 鈴100P 的標(biāo)準(zhǔn)散熱量
Fig.4 Standard radiation flux of Chongqing 50，100P
圖5 ZP 的標(biāo)準(zhǔn)散熱量
Fig.5 Standard radiation flux of ZP
· 539 ·
圖6 TJ7100 的標(biāo)準(zhǔn)散熱量
Fig.6 Standard radiation flux of TJ100
4 結(jié)論
1）汽車散熱器風(fēng)洞采用開口實(shí)驗(yàn)段，利用射流核
心區(qū)（實(shí)驗(yàn)區(qū)）的均勻流場(chǎng)，能夠滿足對(duì)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(yàn)，顯示出
其優(yōu)越性.
2）4 種散熱器的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)裝置是
可靠的，測(cè)試技術(shù)是先進(jìn)的，工況的控制和數(shù)據(jù)的采集
由計(jì)算機(jī)完成，系統(tǒng)的綜合精度遠(yuǎn)高于人工讀取各種
測(cè)試參數(shù)，能夠滿足水、氣熱平衡誤差小于5/00，重復(fù)性
誤差小于3/00的要求.