汽车散热器风洞试验方法上海汽车散热器风洞试验方法厂家
摘要：研制出汽车散热器的一种新型试验方法，它不仅满足而且优于JB2293-78的要求.试验装置风洞的试验段为开口自由射流，其核心区的流场是均匀的，免去了JB2293-78中所采用的风筒安装汽车散热器的麻烦.在风洞的风速调节和水循环系统中水流量和水温采用了计算机控制，不仅节省了测试时间，而且大大地提高了测试精度.为确保测试的顺利进行，本检测系统还备有手动操作程序.
关键词：汽车散热器；射流核心区；风洞
中图分类号：U461.1文献标识码：A文章编号：0493-2137（2002）04-0535-06汽车散热器又称水箱，它是汽车发动机正常工作必不可少的，因此，对于不同型号的汽车散热器的性能参数就需要测定，在国家标准GB9421-88，即《汽车散热器技术条件》中，明确规定：试验方法用JB2293-78.它是一机部标准《汽车、拖拉机风筒试验方法》［1］，它规范了汽车散热器的性能试验，为汽车技术的发展起到了重要作用.在此标准中，试验装置的主要部分称为“风筒”，如图1所示.
图1JB2293-78采用的风筒Fig.1WindcylinderinJB2293-78
实践表明，它的不足之处是：1）必须设计、加工若干个试验段，（标准中称“过渡段”）以满足不同几何尺寸的散热器的试验要求，不仅增加造价，还要有足够的存放空间.2）每次试验更换试验段相当麻烦，且工作繁重；3）试验段截面经过扩张或收缩后，散热器所处的速度场与在等截面直管上是不同的；扩张或收缩的角度不同，其速度场也不一样；由于试验时散热器本身的温度分布是很不均匀的，因而，使散热器性能试验的客
观性受到不同程度的影响.作者研制的“汽车散热器风洞试验系统”，如图2所示，在风筒结构和测控技术方面均有所改进.
图2汽车散热器风洞试验系统
Fig.2Testsytemofautomobileradiatorsinwindtunnel
1试验系统的组成
1.1风洞
根据气体动力学的原理［2］，在满足部颁标准JB2293-78对风筒要求的原则下设计了风洞，为直流、开口、吸气式低速风洞，洞体用钢材制作.
风洞截面形状为圆形，避免了矩形截面四个直角处涡流的产生，可得到较好的试验用流场.
1.1.1稳定段
入口为喇叭形.内部安装整流装置、蜂窝器和阻尼网.采用的蜂窝器为六角形阻尼网两层，分别为18
目和20目.蜂窝器的作用是破碎大的气流旋涡，对气流导向；阻尼网的作用是破碎小的旋涡，使之在流动中
容易衰减，并能使截面速度分布趋于均匀.
1.1.2收缩段
收缩段位于稳定段之后.其主要作用是使气流加
速、实验截面流速分布均匀和降低气流湍流度.要求气
流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离.这一切要靠合
适的收缩比和壁面曲线来保证.
风洞壁面曲线按维托辛斯基公式设计.收缩段出
口有一平直段，便于安装毕托管和温度测量探头等测
量仪表.
1.1.3实验间
实验段没有固定的壁面，称为开口实验段.气流
从收缩段出口喷出后形成圆断面射流，射流中存在一
个速度均匀的区域，它是以风洞轴线对称、形状为断面
沿流向逐渐缩小的圆锥，称为核心区.这就是试验用的
流场范围，叫作试验区.几何尺寸小于试验区的散热器
均可较方便的安装，这是与风筒的主要区别，试验结果
不受洞壁影响.
在实验间内设置了专门制作的座标架，用来固定
和调节散热器的位置，待试散热器在实验间内与水循
环及加热系统连接组成回路.大部分测试仪表的一次
仪表在实验间内完成与二次仪表的接通.
1.1.4扩散段
扩散段的作用是降低能量损失.扩散段之前有一
定长度的入口段，“收集”通过实验间的气流，并安装
测量“出风温度”的温度计探头.
1.1.5风机室
风机室也是一个房间，这里选用双面进风的离心
风机做为动力装置.这种风机与风洞扩散段的连接，因
为不可能直接相连，而是靠风机室来实现.
风机室保证了风机功能的发挥，由于风机与风洞
扩散段脱离了接触，加之减震器的作用，避免风机振动
传递到风洞洞体.风机室要求密封性好，其墙壁也采用
双层结构，中间填充隔音材料，这对降低噪声起了很好
的作用.
1.2水循环及加热系统
此系统由热水循环泵、变频器、主储水罐、副储水
罐、涡轮流量计、阀门和管道组成（如图3所示）.储水
罐及管路均采取了保温措施.
储水罐的电加热管，分成若干组.当整个水循环
系统达到了工作状态，即流量、温度在要求的工况下趋
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于平衡后，可适当减少主储水罐中“工作”的电加热管
组数.
图3水循环及加热系统
Fig.3Watercircleandheatingsystem
汽车散热器风洞试验方法
1.3测控系统
1.3.1控制室
室内的控制台上装有风速、风量、水流量、差压、
温度等各种数字仪表及开关，用于控制所需的各种工
况，为了确保正常工作，设有两套控制方式，即手动控
制和计算机控制.利用自己编制的软件，计算机不仅是
控制系统的心脏，同时它也出色地完成了各种物理量
的实时采集和数据处理.
1.3.2变频器及各种传感器
变频器用于交流电机无级调速，是比较成熟的技
术，用此方法获取不同的风速和水流量.而水的温升则
是通过改变电加热管的组数及其功率进行控制的.风
速是由毕托管连接的差压变送器的差压值而获取的，
水流量由涡轮流量计测得，温度是由热电偶式数字温
度计测出.以上各种传感器均与控制台和计算机联通，
构成测控系统.
汽车散热器风洞试验方法
1.4系统主要性能
1.4.1风速范围
试验区最大风速可达34m/s.风速大小与变频器
频率之间为线性关系，变频器频率每升高10Hz，风速
增加7m/s.因此，该频率值可作为调整风速的重要参
考数据.
1.4.2风速的稳定性及均匀性
风速稳定性一般是指在规定的时间间隔内，瞬时
风速与平均风速之差的最大值与平均风速之比.即
η=|v1--v|max
v×100/00
式中：vi
为瞬间风速，m/s；-v为平均风速，m/s，其表达
式为
v=1
nΣn
i=1
vi
；
式中：n为测点数.
测量位置：距收缩段出口255mm断面的中心点.
测试仪器：毕托管，（日）ISP-3-50精密数字式微
差压计.
测量时间：30min.
测量结果：η<0.5/00
速度的均匀性是指气流速度在试验区内的分布
情况.要求试验区内各点的速度完全一致是不现实的，
一般要求试验区的主要试验范围内，各个截面上各点
的气流速度与气流平均速度相对偏差的均方根值小于
某一给定值.速度均匀性用σv
表示，即
σv=
Σn
i=1
(-v1--v)v
2
n-1
式中：vi
为第i个测点的风速，m/s.
测量位置：距收缩段出口255mm断面上，沿水平
和铅垂两直径布置测点.
测点间距：从中心开始，间距为10mm.在试验区
内的测量点数为146个.
测试仪器：毕托管、（日）ISP-3-50精密数字式微
差压计.
测量结果：σv≤0.4/00
1.4.3循环水加热时间
储水罐内的电加热管全部工作，水泵小流量运
行，水温可在2h内提升至高于环境温度60℃，以满足
试验要求.
1.4.4试验时间
在准备工作到位，计算机进行控制和数据实时采
集及处理的情况下，完成一台散热器的性能试验（两种
水流量，各6种风速，共12种工况），仅需0.5h.
经过多种型号散热器的性能试验，证明该整套系
统的综合精度达到了设计要求：
1）水、气热量平衡误差小于5/00；
2）重要性误差小于3/00.
2各种参数的采集及处理
2.1汽车散热器风洞试验方法风速
风速测量仪器为毕托管流速计，由毕托管和差压
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变送器组成.
毕托管测速依据的是伯努利方程，其实用的计算
公式为［4］
vα=1.288α101325
B
273+tal
293Δp（m/s）
式中：B为试验时的大气压，Pa；Δp为毕托管输出的差
压，Pa；α为毕托管的校准系数（1.003）.
2.2空气密度
空气密度是大气压力和空气温度的函数.利用标
准大气状态和任意状态的气体状态方程联立求解，可
得
ρα=3.484×10-3B
273+tal
式中：B为试验时的大气压，Pa.
2.3风量
根据标准规定，风量等于质量风速ραvα
和va
测量
截面面积（即收缩段出口端平直部分的截面积）的乘
积.
Ma=3600×A×ραvα
式中：A为毕托管测速点处风洞的截面积，m2；Ma
为风
量（或称气流的质量流量），kg/h.
2.4水流量
水流量的测量采用涡轮流量计，当水流经其变送
器时，转换器的线圈中就输出电脉冲信号，该信号的频
率与涡轮的转速成正比，即与水流量成正比.
体积流量公式为
Vw=3600×10-3×f
ξ
（m3/h）
式中：f为电脉冲信号的频率，Hz
；ξ为涡轮流量计仪表
常数，次/L.
为了计算散热量，需将Vw
换算成相应的质量流
量.
Mw=ρwVw=3.6×ρw
fξ
（kg/h）
式中：ρw
为水的密度，kg/m3.
2.5风温及风阻
风温包括进风温度（气流通过散热器之前的温
度，用tal
表示）和出风温度（气流通过散热器之后的截
面平均温度，用ta2
表示），采用热电阻温度计测量.
进风温度容易测量，因为收缩段出口端平直部分
的速度场和温度场都是均匀的，温度计插入流场中任
一点测量即可.
出风温度的测量，是本项目的重点，也是难点.原
因是试验时热散器本身的温度分布很不均匀，这需要
在测温点的布置上很好地研究.
目前，还未见到适应这种非均匀温度场的平均温
度测量的仪表.在实验间外，紧靠扩散段喉部的截面
上，等间隔布置6支温度计（要求沿径向可调节插入位
置）；进行散热器性能试验之前，按照实验的工况，分别
测出沿径向的温度分布，利用数值积分方法［3］，计算出
平均温度，找出平均温度点，即为温度计插入位置；6
支温度计测量值的算术平均值，就代表了截面平均风
温.
风阻表示散热器前后压力的差值.风阻的测量是
用布置在散热器前、后流场中的总压探针（固定在座标
架上）作为感受元件，配合差压变送器来实现的.
2.6水温及水阻
散热器的进水与出水温度（分别用tw1
和tw2
表
示），用热电阻温度计测量.进水与出水压力，由静压孔
感受，通过导管传递给差压变送器，两者之差，即为水
阻.
2.7其它参数
水侧散热量Qw
、气侧吸热量Qa
、散热系数U和标
准散热量Qn
均是计算得出的，它们的计算公式按照
JB2293-78规定，分别如下：
水侧散热量
Qw=Mw
·Cpw（tw1-tw2
）
式中：Cpw
为水的定压比热，Cpw=1，kJ（/kg·℃）.
气侧散热量
Qa=Ma.Cpa（tal-ta2
）
式中：Cpa
为空气的定压比热，Cpa=0.240
kJ（/kg·℃）.
散热系数
U=Qw
SΔtkJ/（m2·h·0C）
式中：S为散热器的气侧散热总面积，m2；Δt为
液、气平均温差
Δt=tw1+tw2
2-ta1+ta2
2
标准散热量
Qn=Qw
60
tw1-tal
3试验结果
3.1系统的试验精度
汽车散热器风洞试验系统的综合试验精度，包括
水、气热量平衡和重复性.试验用4种散热器，分别是
重庆五十铃100P、ZP（中）、TJ7100和ZP（日）.前3种散
热器均在“国家汽车质量监督检验中心”做过试验，可
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以进行比较.
“水、气热量平衡”，是指一台散热器在某一工况
（由水和气温差、风速和水流量确定）下试验时，水流
散失的热量［JB2293-78中称为水侧散热量，用
Qw（kJ/h）表示］和气流吸收的热量［JB2293-78中称为
气侧吸热量，用Qa（kJ/h）表示］要相近，其差值不得超
过规定值.JB2293-78规定这个热平衡误差（Qw-Qa
Qw
）
应小于±10/00，要求较高的试验应控制在±5/00以内，做定
为不大于±5/00.
“重复性”，是指同一台散热器在同一种工况下，某
项参数多次试验的结果，应当基本上相同，其差值不得
超过规定值.JB2293-78没有定量的要求.本文规定
ym-yi
ym≤3/00.其中y代表某项参数的试验结果，下标
i代表多次试验中的任意一次，下标m代表多次试验
结果的平均值.
表1中，摘录了4种散热器的部分试验结果.
从列出的试验结果可以看出，“水、气热量平衡”
和“重复性”指标，均满足要求.
3.2试验结果的比较
“标准散热量Qn
”具有可比性，但要进行一些转
换：1）用穿过散热器的风速（称为“有效风速”，用ve
表
示）计算出质量风速ρzve（kg（/m2·s）），替代ρava
；2）在
国家机械工业部认定的某研究所的试验报告给出的标
准散热量与质量风速的曲线上，查出ρzve
对应的Qn
值；3）将有关数据的单位取为一致，Qn
用kJ/h表示，
水流量Vw
用L/min表示.从图4～图6看出，差别不
大.
表1散热器性能试验结果
Tab.1Testresrltofradiatorsperformance
散热器型号Mw（/m3·h-1）va/（m·s-1）
（tw1-ta1
）
/℃
Δpw/kPaΔpw/PaQw（/kJ·h-1）Qw（/kJ·h-1）Qw（/kJ·h-1）Qw-Qa
Qw
//00
注：TJ只有工况相同的两次试验数据.
图4重庆50铃100P的标准散热量
Fig.4StandardradiationfluxofChongqing50，100P
图5ZP的标准散热量
Fig.5StandardradiationfluxofZP
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图6TJ7100的标准散热量
Fig.6StandardradiationfluxofTJ100
4结论
1）汽车散热器风洞采用开口实验段，利用射流核
心区（实验区）的均匀流场，能够满足对角线尺寸不大
于收缩段出口直径的各种散热器的性能试验，显示出
其优越性.
2）4种散热器的性能试验数据表明，试验装置是
可靠的，测试技术是先进的，工况的控制和数据的采集
由计算机完成，系统的综合精度远高于人工读取各种
测试参数，能够满足水、气热平衡误差小于5/00，重复性
误差小于3/00的要求.