（车辆工程专业论文）汽车风扇和换热器风阻性能试验台的设计建设和试验技术.pdf

摘要 摘要 汽车冷却模块的散热能力大小主要取决于换热器的散热性能，而在汽车怠 速或慢速爬坡时，由于车速较低，发动机负荷较大，发动机产生的热量，空调 冷凝器的热量完全要靠冷却风扇强化对流换热来把这两部分热量散发出去，因 此，风扇与换热器对汽车冷却模块散热性能起着至关重要的作用。 本文先从试验台结构、传感器选择、控制程序的实现等角度，详细介绍自 行设计的用于汽车冷却模块试验的多喷嘴风室试验台的组建工作。接着对试验 台传感器进行标定，结合标定情况，对试验台进行误差分析。最后介绍试验台 操作过程，并给出单个风扇、单个换热器试验结果，以及二者匹配后的特性结 果。 经过反复的审核论证，并在实际中的应用，充分反映本试验台的设计是合 理可行的。五喷嘴结构的选用，使试验台的实际测量能力达到从最小的5 0 0 m 3 h 到最大的1 4 0 0 0 m 3 h 变化。这不但保证了风室试验台的测量精度，同时也满足 现有轿车领域内所需的流量测试范围。试验台的多次重复标定结果的一致表明 本试验台具有良好的重复性，与其它试验台对相同风扇与换热器试验对比的结 果一致，证明本试验台测量结果的可信性。试验台的成功建成为汽车发动机发 动机舱内散热部套件性能提供试验平台，为汽车冷却模块匹配研究提供试验验 证，同时也为冷却模块数值模拟提供试验数据。 关键词：多喷嘴风室，风扇，换热器，冷却模块，标定方法 a b s t r a c t t h eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yo ft h ew h o l ec o o l i n gm o d u l e so nav e h i c l ed e p e n d s o nt h eh e a tp e r f o r m a n c eo ft h eh e a te x c h a n g e r w h e nav e h i c l ec l i m b sas l o p eu n d e r i d l eo ras l o ws p e e d ，d u et ot h el o ws p e e da n dt h eh i 曲一l o a do ft h ee n g i n e ，t h eh e a t g e n e r a t e db yt h ee n g i n ea n dc o n d e n s e rw o u l db et o t a l l yt r a n s f e r r e db yf o r c e d c o n v e c t i o no ft h ec o o l i n gf a n t h e r e f o r e ，t h ef a na n dh e a te x c h a n g e ra r ep l a y i n gt h e m o s ti m p o r t a n tp a r tt ot h et r a n s f e rc a p a c i t yo ft h ev e h i c l ec o o l i n gm o d u l e s i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t r u c t i o no ft h em u l t i - n o z z l ef l o wb o xw h i c hw a sd e s i g n e d b yt h ea u t h o ra n du s e di na u t o m o t i v ec o o l i n gm o d u l et e s tw a sd e t a i l e di n t r o d u c e d f r o mt h ea s p e c t so ft h ec o n f i g u r a t i o no ft h et e s tb e n c h ，t h ec h o o s i n go fs e ! n s o r sa n d t h ec r e a t i n go fc o n t r o lp r o g r a m t h e nt h es e n s o r sw e r ec a l i b r a t e da n dt h ee r r o ro ft h e f l o wb o xw a sa n a l y z e d a l s o ，t h eo p e r a t i n gp r o c e d u r ea n dt h et e s tr e s u l t so fas i n g l e f a na n das i n g l er a d i a t o ra sw e l la st h em a t c h i n gr e s u l t so ft h o s et w ow e r eg i v e ni n t h i sp a p e r a f t e rr e p e a t i n gv a l i d a t i o na n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i ti ss h o w nt h a to u rd e s i g n w a sv a l i d w i mt h eu s eo ff i v e - n o z z l em o d e l ，t h et e s tb e n c h sp r a c t i c a lc a p a b i l i t yc a n c h a n g ef r o mm i m m u mv a l u e5 0 0 m 3 ht om a x i m u mv a l u e1 4 0 0 0 m 3 h ，w h i c hn o t o n l ye n s u r e st h et e s tb e n c h sp r e c i s i o n , b u ta l s om e e t st h er a n g en e e d e do f t h ef l o w t e s t i n gi nt h ec a rf i e l d t h ea g r e e m e n to fr e p e a t i n gc a l i b r a t i o nr e s u l t so f t h ef l o wb o x i n d i c a t e st h a tt h et e s tb e n c hh a sag o o dr e p e a t a b i l i t y t h ea g r e e m e n tw i mo t h e rf l o w b o xw h i c ht e s tt h es a m ef a na n dh e a te x c h a n g e rp r o v e st h ec r e d i t a b i l i t yo ft h ef l o w b o x t h es u c c e s so ft h i sf l o wb o xo f f e r sap e r f o r m a n c et e s tb e n c hf o rt h ea u t o m o t i v e t h e r m a lc o m p o n e n t sa sw e l la st h et e s tv a l i d a t i o nf o rt h em a t c h i n gr e s e a r c ho n a u t o m o t i v ec o o l i n gm o d u l e s ，i na d d i t i o ni ta l s op r o v i d e se x p e r i m e n t a ld a t af o rt h e s i m u l a t i o no fc o o l i n gm o d u l e s k e yw o r d s ：m u l t i n o z z l ef l o wb o x ，f a n ，h e a te x c h a n g e r , c o o l i n gm o d u l e s ，c a l i b r a t i o n w a y i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 驯正 j 2 们影年月f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： i i 也 j 力年3 月 f e t 第1 章前言 第1 章前言 1 1课题来源及其背景 汽车冷却模块的散热问题是整车技术中非常重要的问题之一。据有关资料 介绍【l 】，汽车故障的5 0 左右来自发动机，而发动机故障的5 0 左右又是由冷 却模块故障引起的【2 】。冷却模块主要由空调冷凝器、散热器、护风罩、风扇、水 泵、节温器、发动机排出水管、膨胀水箱等零部件组成，发动机冷却需要带走 的热量和驾驶舱内的热量最终是由散热器和空调的冷凝器与周围的空气进行热 交换而散发到大气中去的【3 1 。因此，整个冷却模块的散热能力大小主要取决于换 热器的散热性能，而在汽车怠速或慢速爬坡时，由于车速较低，发动机负荷较 大，发动机产生的热量、空调制冷剂的冷凝热量完全要靠冷却风扇来实现强化 对流换热散发出去。 由于汽车发动机舱结构稚置紧凑，气候条件和汽车行驶工况等因素直接影 响汽车发动机舱内散热性能。风扇与换热器的匹配性能，风扇叶片旋转效应， 车内换热器空气侧流场组织等都是影响发动机舱内散热性能的重要因素。因此 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间 的统一性，对于提高集成于整车之中的发动机舱内散热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，目自订已经 可以采用c f d 软件来进行模拟计算分析，但是数值分析计算结果是否能准确反 映汽车发动机舱内散热的实际情况必须通过试验验证。基于此背景，配合上海 地面交通工具风洞中一t 3 的建设和汽车热管理教学方向的发展，建设测量汽车冷 却j x l 扇和换热器风阻性能的风室试验台，开展试验技术的研究是势在必行的。 1 2国内外研究现状、发展动态 1 2 1风扇( 机) 气动性能试验台 风扇( 机) 性能测试方法一般可以分为风管试验法和风室试验法两大类。 第1 章前言 风管试验法的特点是：风管阻力要靠风机自身来克服，在流量较大时，风 管喉口前后的压差将会很大，流量测量受风管喉口马赫数的限制，造成测量精 度不高；在测量方法上，以前的风管试验中大多数厂家使用的毕托静压管来测 量，此方法测量时间长( 例如一个测试工况点，其它试验方法只需要测一点，毕 托静压管要测8 - - 一2 0 点，然后取平均) ，精度低，可靠性也差，之后采用配有电 动调节门的i s o 文丘里喷管或孔板流量计【4 1 ，此方法可以极大地缩短试验时间， 提高测试精度，还可以实现自动调节流量，但测量范围小，不同流量的风扇( 机) 需要配相应的风管，所以占地面积大【5 j 1 6 j 。 风室试验法的特点是：采用多喷嘴组合来实现较宽的流量范围，在整个流 量段喷管前后的压差保持在1 3 5 p a - - 一7 3 5 p a 之间，流量较大时，多个喷嘴打开， 保证了各个喷嘴喉口流速小于3 5 m s ，因而测量精度高；一个多喷嘴风室，可以 满足多种风机尺寸试验，因而占地面积小；同时风室配有辅助风机及流量调节 装置，通过喷嘴前后压差的大小和喷嘴开启的个数，实现对流量自动调节，所 以自动化成度相对于风管要高。 比较这两种试验方法可以看出：喷嘴式空气流量测量装置是一种符合国际 流行趋势、测量精度高、稳定性好和便于操作的新型的空气流量测量装置，以 前，大部分厂家是用风管试验，但从近几年趋势来看，大多数厂家都希望用风 室试验【_ 7 1 ，提高实验室等级。 1 2 2 换热器气动性能试验台 汽车换热器的试验台主要是以风管、风筒式为主，其主体由二大部分组成： 即风侧部分、水侧部分【8 j 。 风侧系统主要由风扇( 机) ( 包括电机) 、测流量段、测温测阻力段、吸风 口、稳流过渡段、试验段等组成，其中试验段可根据测量要求分为多种截面， 具体在哪个截面进行试验，可根据被测试件的截面尺寸，最靠近哪个截面，即 采用该截面较为合适，可见其繁琐。换热器的水路系统由水泵、电加热水箱、 稳流段、流量测量段、进出水管路等组成【9 】【l o 】。 汽车换热器试验台只是比该试验台多一个水路系统，而其风阻与流量的关 系完全可以由多喷嘴风室测得【l l 】【2 1 。 1 2 3 国内外风室试验系统使用情况与分析 2 第1 章前言 国内风室试验系统的现状： 上海日用一友捷汽车电子有限公司的检测部分； 上海左竹冷热制御技术有限公司； 上海恒安空调设备有限公司汽车空调焓差实验室； 上海交大国家风冷技术研究中心； 上海汽车股份有限公司汽车配件厂的全自动控制检测稳态负压式传热风洞 采用的是三种截面：大截面1 0 0 0 8 0 0 m m 、中截面6 4 0 x 5 2 0 m m 、小截面4 0 0 x 3 6 0 m m t i 】 1 3 l 。 国外风室试验系统的现状： f 1 本s a t a k ec h e m i c a le q u i p m e n tm f g ，l t d ，美国d e l p h i 公司和法国的v a l e o 公司的主要一些做风扇( 机) 和换热器试验的试验台。 据以上的调研发现，这些风室试验台一般都采用的4 个喷嘴组合，喷嘴喉 口直径分别为1 1 1 0 ，l 1 5 0 ，2 1 8 9 ，这些风室试验台的风量测试范 围在5 1 3 m a 3 h - - - - 1 0 4 9 4 m a 3 h 。而本风室设计为5 喷嘴组合，在原有基础上增加 一个1 8 9 的喷嘴，使风量测量能力为5 0 0 1 4 0 0 0 m a 3 h ，满足所有轿车风扇和 换热器的风量范围，同时还可以做部分较大车型的换热器试验，在汽车领域中 适用了更广的流量测量范围。 1 3 课题研究目的 1 建设套做汽车风扇和换热器风阻性能的试验设施；形成一套相对应的试 验测试方法和程序。 2 本风室试验台建设完成后，利用本风室试验台： ( 1 ) 通过试验获得冷却风扇的气动性能曲线，换热器风阻性能曲线和风扇与 换热器匹配性能曲线。 ( 2 ) 为新丌发的汽车发动机舱内散热部套件( 风扇，换热器) 提供试验验证； ( 3 ) 为发动机舱内散热部套件( 风扇，换热器) 性能匹配研究提供试验验证； ( 4 ) 为汽车发动机舱内散热系统仿真计算提供风扇和换热器试验数据。 1 4 本课题将要解决的关键技术 第1 章前言 1 风室试验台的箱体( 包含喷嘴的选型与布置和辅助风机的选择) 设计。 2 传感器的选择、布设和定位。 3 风室试验台控制流程拟定。 4 风室试验台软件运行界面拟定。 5 数据采集方法和数据处理方法拟定。 6 风室试验台标定。 7 风室试验台上的试验。 1 5 本章小结 本章介绍了本课题的来源和背景。结合国内外对风扇、换热器气动性能试 验台的使用情况，给出多喷嘴风室试验台的优点。并提出了本课题的研究目的 以及将要解决的关键技术。 4 第2 章风室试验台设计 第2 章风室试验台设计 2 1 风室试验台的设计要求 本风室试验台设计要求如下： 1 需要满足的试验方式：进气试验方式和出气试验方式； 2 流量的适应范围：要求满足所有轿车换热器所需的风量和所有轿车冷却风 扇所需的风量； 3 坝0 量的精度要求：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； 4 稳定性的要求：辅助风机通过变频器控制风机转速，精度应在l r m i n 以 内，使系统在不同工况情况下都要具有良好的稳定性； 5 自动化程度：喷嘴盖需配有气动执行机构，风室试验台的编程控制以 l a b v i e w 软件为设计平台，确保整个试验台的自动化控制。 2 2 风室试验台结构方案 本风室试验台根据g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 中a 型进、出气试验方式【1 2 】【1 3 】【1 4 1 设计而 成。如图2 1 风室试验台整体构成。由多喷嘴流量测量系统、配有风机箱低噪声 辅助风机、自动控制台等部分组成。 样的j ：袈u 样的r ：装i 百 | | | 脚轮车 图2 1 风室试验台整体构成 5 第2 章风室试验台设计 辅助风机装在风机箱内，使得在有限体积上有效地增加了风量，并减少了 试验台的噪声。辅助风机箱和风室本体下都装有带有刹车装置的脚轮车，方便 试验台的移动和定位，做到了进、出气试验类型的转换，同时辅助风机箱和风 室试验台间工装接口相同，方便进、出试验方式的转换。 2 2 1 风量的确定 风室试验台中一个最主要的设计参数就是最大风量的设计。 通过对轿车行驶速度进行调研，可以知道：轿车在怠速情况下，通过汽车 前端( 包括散热器、冷凝器以及冷却风扇) 也就是这个发动机冷却模块的风速 约为2 5 m s - - 9 k m h ，而在最高车速( 1 6 0 k m h 左右) 下能够通过汽车前端的风 速大概只有l l m s - - 4 0 k m h ”】。所以，能够通过发动机冷却模块的风速范围是： 2 5 m s 1 l m s 。而轿车的冷却模块中散热器不仅是迎风面积最大，而且也是冷 却风量确定的主要参数f 1 6 】。所以对于风室试验台风量的确定，主要以散热器面 积为主，通过公式( 2 1 ) 确定： q y 蒯 ( 2 1 ) 其中，p 一风室试验台的设计风量 卜汽车的迎风速度 彳汽车的最大迎风面积( 也就是散热器的迎风面积) 几种典型轿车车型的散热器尺寸如表2 1 表2 1 儿种乍型的散热器尺寸 掣号车颦尺寸( r a m ) x h s r 一3 0 6 8奥迪a 66 5 5 4 1 4 3 5 x h s p a b 0 1 0富康6 2 8 3 8 0 x 2 3 3 3 01 2 l2 5 l桑塔纳7 0 0 3 2 5 3 4 a l l1 3 0 t h奇瑞7 0 0 3 2 5 x 3 4 4 4 35 1 l1 5 71 0 2斯柯达1 6 5 9 0 x 2 8 5 x3 4 x h s r 一3 0 6 5捷达7 1 6 x 3 2 5 x 4 3 5 2 47 9 65 2别兜7 7 5 x 3 8 3 x1 6 1 3 01 0 l0 0 l长安之星 3 5 2 x 3 4 9 1 6 1 j 01 2 l2 5 3 a d高尔大6 5 0 3 9 4 x 2 4 9 2 09 0 l3 9 赛欧 6 8 0 x 3 0 0 x 3 2 d 2 2j 己桑 6 9 l x 4 5 0 1 6 6 第2 章风室试验台设计 续表21 儿种车型的换热器尺寸 现代 巾垡 金杯海狮 二菱v 3 2 奔驰 小红旅 丰山2 4 宝q7 4 0 标致2 0 6 锥_ e 特1 8 20 欧宝l4 i i2 i i2 卅萨特 祸特2 0 i 山表2i 中可以看到：最小换热器横截面尺寸为长安之星( 型号：1 3 01 0 10 0 1 ) 的尺、h 横截面积a = 3 5 2 x 3 4 9 m m a 2 = 01 2 3 m 2 ，最大换热器横截丽尺寸为丰硐 2 4 ( 型号：x h s - p c 0 1 8 ) 的尺q ，横截面积a = 7 6 0 x 4 2 0 r a m 一2 = 0 3 1 9 m n 2 。所以 通过换热器的最小风量q = 25 x 01 2 3 x 3 6 0 0 = 1 1 0 0 m 3 h ，最大的风量o = l l 03 1 9 3 6 0 0 = 1 2 6 0 0 r a a 3 h 。所以风室试验台的设计流量需满足1 1 0 0 1 2 6 0 0 m n 3 h ，文献【1 1 中的流量计算方法可以对该流量设计结果进行计算验证。 2 22 喷嘴的选择和组合 1 喷嘴的工作原理 a 铸锅喷嘴形状b 通过喷嘴的述应灭封幽 幽2 2 喷嘴形状投流动情况 7 第2 章风室试验台设计 如图2 2 ，空气流经喷嘴时，流束在喷嘴处形成局部收缩，流速增加，静压 力降低，于是在喷嘴前后产生了静压力差( 或称压差) 【1 8 】。空气流速越大，在 喷嘴前后产生的压差也越大。通过测量压差，便能衡量流体流过喷嘴流量的大 小。这种测量方法是以能量守恒定律和流动连续性方程【l9 】为基础的。 风室试验台内部的流量计算就是通过多个喷嘴的流量求和，其计算公式见 公式2 1 2 0 1 ： q = 3 6 0 0 c a ( 2 2 ) 式中： q 通过喷嘴的流量( m 3 m ) ； c 喷嘴流量系数； a 喷嘴喉口面积( m 2 ) ； a p 喷嘴f j i 后的静压差( p a ) ； p 喷嘴喉口的流体密度( k g m 3 ) 。 2 喷嘴的选用。 所选用的喷嘴是根据国家标准g b t2 6 2 4 - 9 3 流量测量节流装置用孔板、 喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量制造，本标准也符合美国供热空调 制冷工程师协会和美国空气流动和调节协会标准【6 】。喷嘴的结构型式为上述标准 中规定的长径低比值喷嘴( o 2 0 d d o 5 0 ，d _ 喷嘴喉口直径；d 一上游管道 内径，见图2 3 ) 。喷嘴技术数据表和喷嘴流量系数表如表2 2 和表2 3 图2 3 喷嘴尺寸 8 第2 章风室试验台设计 表2 2 喷嘴技术数据表 喉u 直径d 材料 流最范围喷嘴前后压差 d a ld a 2hhl n ( n l l n )( m 3 h )( p a )( 姗) ( m m ) ( r a m )( 蚴)( m m ) 1 5 1 0 一2 21 3 5 p a 一7 3 5 p a3 64 41 032 5 5 3 2 5黄铜2 7 6 213 5 p a 一7 3 5 p a5 96 71 034 1 53 3 0h 6 2 3 8 8 91 3 5 p a 一7 3 5 p a7 07 81 034 9 53 4 06 8 1 5 813 5 p a 一7 3 5 p a9 41 0 4l o36 5 53 5 0 1 0 6 - 2 4 71 3 5 p a 一7 3 5 p a 1 1 71 2 9 1 0 38 23 7 0 2 0 8 - 4 8 5l3 5 p a 一7 3 5 p a1 6 41 8 01 031 1 4 4 8 02 7 1 6 6 3l3 5 p a 一7 3 5 p a1 8 72 0 71 571 3 0 54 铸铝 1 0 04 2 4 - 9 9 013 5 p a 一7 3 5 p a2 3 42 5 41 871 6 2 56 l 1 0 4 1 1 05 1 3 11 9 71 3 5 p a 一7 3 5 p a2 5 72 7 71 871 7 8 56 1 5 09 5 4 2 2 2 7 1 3 5 p a 一7 3 5 p a3 5 03 7 21 8 72 4 2 56 1 8 9 1 5 1 5 3 5 3 5 l3 5 p a 一7 3 5 p a 4 4 04 6 21 8 7 3 0 5 6 表2 3 喷嘴流量系数表 。 r e1 4 7 2 01 5 4 9 11 6 3 1 41 7 1 9 51 8 1 3 71 9 1 4 82 0 2 3 42 1 4 0 2 co 9 5 0 9 5l0 9 5 20 9 5 30 9 5 40 9 5 5 0 9 5 60 9 5 7 r e 2 2 6 6 12 4 0 2 l2 5 4 9 22 7 0 8 62 8 81 73 0 7 0 13 2 7 5 83 5 0 0 6 c0 9 5 8 0 9 5 90 9 6 00 9 610 9 6 20 9 6 3 0 9 6 40 9 6 5 r e3 7 4 7 24 0 1 8 4 4 3 1 7 44 6 4 8 25 0 1 5 35 4 2 4 2 5 8 8 1 56 3 9 4 8 c0 9 6 60 9 6 70 9 6 80 9 6 90 9 7 00 9 7 10 9 7 20 9 7 3 4 r e6 9 7 3 6 7 6 2 9 58 3 7 6 59 2 3 2 0 1 0 2 1 8 01 1 3 6 2 01 2 6 9 9 21 4 2 7 4 3 c0 9 7 40 9 7 50 9 7 6 0 9 7 7 0 9 7 80 9 7 90 9 8 00 9 81 口 r e1 6 1 5 0 01 8 4 0 3 22 1 1 4 2 8 2 4 5 1 8 22 8 7 4 0 9 3 4 1 1 7 24 1 1 0 5 75 0 4 1 6 4 c0 9 8 20 9 8 30 9 8 40 9 8 50 9 8 60 9 8 70 9 8 80 9 8 9 r e6 3 1 9 6 68 1 3 9 8 6 1 0 8 5 6 4 31 5 1 6 7 2 72 2 6 0 7 6 03 7 1 2 1 9 4 c0 9 9 00 9 9l0 9 9 20 9 9 30 9 9 40 9 9 5 3 喷嘴组合和流量测量范围确定 据对国内汽车空调厂家的调查，换热器和冷却风扇的风室试验台一般都采 用4 个喷嘴组合，喷嘴喉口直径分别为l 中1 1 0 ，l l5 0 ，2 1 8 9 ，可测 风量范围为5l3 m 3 h 10 4 9 4 m 3 h 。 为了扩大本风室试验台可测风量范围，确保风量测量精度，采用5 喷嘴组 合，喷嘴喉口直径分别为1 1 5 0 m m ， 1x 11 0 m m ，3 1 8 9 m m 2 1 】【2 2 】，喷 嘴安装布置见图2 4 。采用此种喷嘴组合的风室试验台风量范围为5 1 3 m 3 h - 9 第2 章风室试验台设计 14 0 2 9 m 3 h 。 图2 4 喷嘴安装面 根据工程经验，测量流量时喷嘴前后压差控制在3 0 0 p a - - 6 0 0 p a 之问时，压 差传感器测量精度最高，喷嘴喉口气流最高速度可以控制在v = 3 5 m s ， r e = 4 4 1 0 0 ，m a = 0 1 。在此流速下喷嘴喉口的流动状态对流量测量的影响最小。 因此，采用5 喷嘴组合方案，流量测量时将喷嘴前后压差控制在上述范围，风 室试验台的最佳测量范围应该是7 2 5 m 3 h 1 2 4 6 6m a 3 h ( 表2 4 和表2 5 中可 以看到) ，可以满足风量的设计要求。 本喷嘴组合的特点如下【1 5 】： ( 1 ) 增加一个喷嘴，风室试验台的整体测量范围是5 1 3m 3 h 1 4 0 2 9m 3 h ，最 佳测最范围是7 5 2 m a 3 h , - - , 1 2 0 1 5m 3 h ，可以满足上述调查范围内不同尺寸 散热器所需的冷却风量。 ( 2 ) 受试验室空间尺寸和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，保证了风室试验台能够移进试验室的尺寸【2 引。 ( 3 ) 中间1 1 0 喷嘴手动常闭或常丌，既省去了气动装置的复杂安装，同时又可 以方便地控制最大和最小流量的调节。在常闭时，风量范罔是9 5 4 l1 4 0 2 m 3 h ，足可以满足一般轿车换热器的试验；而当1 1 0 手动打丌时， 最小风量可以测得5 1 3m a 3 h ，最高可以测得1 4 0 2 9m a 3 h 。 ( 4 ) 其余四个喷嘴的盖子由气动执行机构通过电脑根据流量测量范围的要求实 l o 第2 章风室试验台设计 现开启或关闭自动转换控制，节省了试验运行时间，提高了工作效率。 按5 喷嘴组合后的风量见表2 4 和表2 5 ，其中表2 4 为1 1 0 常闭状态，表 2 5 为1 1 0 常开状态。 表2 4 中1 1 0 喷嘴常闭下不同喷嘴组合后的风量 手动：1 1 0 关 序号喷嘴匹配喷嘴个数风最范嗣( m 3 h )3 0 0 p a 一6 0 0 p a ( m “3 h ) 1中1 5 0l9 5 4 2 2 2 71 3 9 9 1 9 7 8 2中1 8 912 2 2 7 3 5 3 52 2 2 l - 3 1 4 l 3中1 5 0 + 中1 8 9 23 5 3 5 5 7 6 23 6 2 0 5 1 2 0 41 8 9 225 7 6 2 7 0 7 04 4 4 2 6 2 8 2 5中1 5 0 + 1 8 9 237 0 7 0 一9 2 5 75 8 4 l 8 2 6 1 6 1 5 0 + 1 8 9 3 4 9 2 5 7 。1 2 8 3 2 8 0 6 2 1 1 4 0 2 表2 5 1 1 0 喷嘴常开下不同喷嘴组合后的风量 下动：中1 1 0 开 序号喷嘴匹配 喷嘴个数 风昂：范l 嗣( m 3 h )3 0 0 p a 一6 0 0 p a ( m “3 h ) 1l5 1 3 1 1 9 77 5 2 1 0 6 4 2中1 5 02l1 9 7 3 4 2 42 1 5 l 3 0 4 2 1 1 0 3中1 8 9 23 4 2 4 4 7 3 2 2 9 7 4 4 2 0 5 4+ 巾1 5 0 + 中1 8 934 7 3 2 。6 9 5 94 3 7 3 6 1 8 4 5中1 5 0 - _ ( p1 8 9 246 9 5 9 1 0 4 5 46 5 9 4 9 3 2 5 6中1 5 0 + 1 8 9 351 0 4 5 4 1 4 0 2 98 8 1 5 1 2 4 6 6 2 2 3 风室试验台尺寸的确定 ( 1 ) 风室试验台通流截面的确赳1 5 】： 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试验台通流 截面的大小： a由喷嘴确定的尺寸，见图2 4 。g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 规定，各个喷嘴的中心线与 风室壁的距离不小于1 5 d 。同时使用的任何两个喷嘴中心间的最小距离应 是较大喷嘴的3 d 。d 为大喷嘴喉口直径。中间喷嘴到周围4 个喷嘴距离均 为5 7 3 m m 1 8 9 3 = 5 6 7 m m 。4 个周围喷嘴到壁面的最小距离为2 9 0 m m 1 8 9 1 5 - - - - 2 8 3 5 m m ，满足设计要求。 b气动执行机构的气缸选择。单个喷嘴喉口所允许的最大风速是3 5 m s ，故该 风速在单个喷嘴所产生的最大动压是7 6 6 p a ，在最大喷嘴18 9 处产生的力 第2 章风室试验台蹬计 为f = 口a = 2 15 n 。为保证气缸将喷嘴1 2 压实，选择内径为0 4 0 气缸，见 图25 。 c验算气缸受力情况。气缸内部气压为2 个大气压时产生的压力为2 5 1 n 。根 据力矩平衡传递到喷嘴盖上的力为：2 5 1 n c o s l 9 1 6 0 3 8 0 = 1 0 0 n 2 15 n ， 查气缸样本，0 4 0 气缸满足要求。同时喷嘴盖子平放时，盖子平面到喷晡 中心距离为2 8 73 m m 1 5 d = 2 8 35 m m ，如图26 ，汽缸型号及尺寸见表26 ， 满足g b f i 1 2 3 6 2 0 0 0 要求。 ：。? # ? 耗譬、 i 割2 6 气缸与喷嘴盖的连接尺寸 表26 气缸舰格 | 掣譬 目定式 s d b 内释( m m ) f 使用压山范l 啊k g f c m 2 l 90 标准行n ( m m )2 5 0 l 保汪耐艇力k g f c m 2 1 35 l 动作犁式复功酗l 使用温度范嗍1 5 7 0 t 作介质空气l 使用速度范州m r 吣3 0 8 0 0 综上，风室试验台通流截面宽度2 9 0 2 + 6 7 0 = 1 2 5 0 m m ，高度5 1 0 2 + 9 3 0 ；1 9 s 响m 。m 室试验台通流截面的当量直径为。= j 半= 1 7 6 2 m 坍。 f 2 ) 整体尺寸的确定 1 2 未 毋 警 第2 章风室试验台设计 图2 7 进气试验风室 p 图2 8 出气试验风室 图2 7 和图2 8 分别是按国标g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 给出的进气试验风室和出气试 验风室结构尺寸要求。见图2 9 ，进气试验的j x l 室尺寸规定，l l 0 2 d = 3 5 2 m m ， l 2 0 5 d = 8 8 l m m ，l 3 2 5 d = 4 7 2 5 m m ，l 4 0 5 d = 8 8 1 m m ；由出气试验风室要 求知道l 1 = j = 1 0 8 0 m m ，l 2 0 5 d = 8 8 1 m m ，l 3 2 5 d = 4 7 2 5 m m ，l 4 无要求。 根据以上规定和本风室试验台的设计要求，确定风室试验台结构尺寸为l 1 = 1 1 0 0 m m ，l 2 = 9 0 0 m m ，l 3 = 1 1 0 0 m m ( 气缸行程需要安装空间) ，l 4 = 9 0 0 m m 。 风室试验台的总体尺寸为4 0 1 2 m m ( 长) 1 2 5 0 m m ( 宽) 1 9 5 0 m m ( 高) 。 风室试验台进出口的工装高度中心控制在1 3 5 0 m m 。由喷嘴安装面刚度要求，选 择1 2 m m 厚的铝板。 同 b 。 、七、 图2 9 风室试验台长度的确定 - “ 一 一 一 一 。，。 第2 章风宝试验台设计 2 24 整流板设计 囊囊 图2 1 0 整流扳 所谓整流板就是气流稳流装置。上游稳流装黼用途是柬吸收e 游来流的动 能；下游稳流装置的片j 途是为了确保进入测量平面前气流是基本均匀的。为满 足这些要求，需要在风室试验台流道内加一些滤网或穿孔板的组合装置。考虑 到工艺要求，本风室试验台的整流板厚2 m m ，孔径l o m m ，孔距2 0 r a m 的多孔 板。穿孔个数：h 方向：1 9 5 0 - - 2 0 = 9 7 5 ，w 方向：1 2 5 0 + 1 0 4 3 = 9 5 ，整流板 l z 1 0 2x 9 75 9 5 的穿孔率为旦i 秀五万j j 石一x 1 0 0 2 3 0 。 2 25 风室试验台辅助风机的选择 风厢( 机) 风窄试验时，辅助肛l 机是帮助被洲风扇( 机) 克服风摩试验台 流道阻力完成风扇( 机) 全气动性能试验必不可少的设备之一。辅助肛l 机的选 择是根据肛l 室试验台最大试验风量和次流量下的风窀流道最大阻力柬确定的。 在试验过程中，通过程序控制变频器米调节辅助风机的转速，调节不同流量下 的肛【扇( 机) 进口或出口静压从而得到被测肛l 扇( 机) 的全气功性能曲线。风 室试验中辅助风机的应用尤其对提高低压，小流量风扇( 机) 试验精度有着重 要意义。 、j rlvjlt o o o q 第2 章风室试验台设计 2 2 5 1风室试验台的阻力计算 局部阻力计算：空气密度取1 2 0 k g m 3 ，阻力公式( 2 3 ) 卸= 三勿罢 ( 2 3 ) 其中，f 是局部阻力系数。在五个喷嘴全部打开时最大风量 q = 1 2 6 0 0 m 3 h = 3 5 m 3 s 情况下，已知风室试验台通流截面积2 4 4 m 2 ，所以风 室试验台内部流速为3 5 2 4 4 = 1 4 3 m s ：5 个喷嘴喉口总面积是0 1 0 2 m 2 ，通过 喷嘴速度为3 5 0 1 0 2 = 3 4 3 m s 。计算风室试验台阻力如下： 1 风道局部阻力估算： ( 1 ) 进气渐扩管i 从直径5 0 0 m m 增加到直径7 4 5 m m ，长度3 5 0 m m ， 嘲a r c t a n ( 筹 = 2 a r c t a n ( 等) = 3 8 伊 查表2 7 【1 9 】，插值k - - o 9 3 。 图2 1 1 渐扩管 表2 7 渐扩管的最不阻力系数 d 2 0 7 5 。1 0 。1 5 o 2 0 。3 0 o 4 0 。 ko 1 40 1 60 2 70 4 30 8 10 9 5 ( 2 ) ”瓦d 1 2 ：， 2 - o 9 3 ”筹) _ o 2 8 1 ， 第2 章风室试验台设计 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) v = 3 5 0 1 9 6 ( d l 面积) = 1 7 8 m s ，卸= 去勿v 2 = 5 5 0 p a 。 从i 到突然变扩，f = ( 鲁_ 1 ) 2 = i 三羔- - 1 ) 2 = 2 1 0 8 ， v n = 1 4 3 m s ，则卸= 去勿y 2 = 2 5 9 p a 。 i i 段至整流板，穿孔率为3 0 ，近似设为突然收缩状况，：a 2 a l = o 3 0 ，查 表2 8 ，f - - 0 3 8 ，y 孔扳= v - - a 孔板a i l = 1 4 3 - - 0 3 = 4 7 7 m s ，所以卸= 去勿伊 表2 8 突然收缩管的局部阻力系数 i a 2 a 10 o lo 1 00 2 0o 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 0o 9 01 o f 0 5 00 4 70 4 5o 3 80 3 4o 3 00 2 50 2 0o 1 5o 0 9o ( 6 ) 整流板至i i i 段，近似设为突然扩大状况，f ：( 1 - a 4 l 板) z ：( 1 - o 3 ) 2 ：o 4 9 ， 彳l i i y 孔板= o 3 = 4 7 7 m s ，卸：i 1 勿伊= 6 6 8 p a 。 ( 7 ) i i i 段至喷嘴i v 入口，f = o ，所以p ：要勿，2 = o 。 ( 8 ) 喷嘴i v 至v ，g = ( 1 一等) 2 1 ，y 喷嘴= 3 5 m s ，卸= 三2 勿v 2 = 7 3 5 p a 。以，7 ( 9 ) v 至整流板，同( 5 ) ，p = 圭勿v 2 = 5 1 8 p ( 1 0 ) 整流板到v i ，同( 6 ) ，卸= 三勿y 2 = 6 6 8 p a o 2 风道沿程阻力估算： 流量q _ 3 5 m 3 s ，水力直径d = 丽4 h b = 筹筹舞- - 1 5 2 3 一， 杏图2 1 2 诵风管道单俯长唐魔檫阳力线算图【2 4 】，显然单付长度摩擦阳力 r m 0 1 p a m ，风室试验台全长4 1 2 m ，故沿程阻力p i 0 1 4 1 2 = 0 4 1 2 p a ，远小 于风室试验台的局部阻力，因而可忽略不记。 1 6 第2 章风室试验台设计 豳21 2 通风管道单位k 度脖擦阻力线掉幽 上述为风窘试验台内部各个握力，其总压力之和为 5 5 + 2 5 9 + 51 8 + 6 6 8 + 0 + 7 3 5 + 51 8 + 66 8 + 0 = 8 3 9 p a 。 装有肛l 机的风机箱同样宵n 三力损失，包括漏风，可以认为肛l 机箱的阻力约 为风室试验台内部压力的6 0 ，叩8 3 9 6 0 = 5 0 4 p a 。其各个部位编呼和阻力 计算结果分别见图2 1 3 和表2 9 第2 章风室试验台设计 进气 多二少 叫 ， 卜 一 i ii - 随 v 直一 r _ 趣三通 图2 1 3 风室试验台各个部位的编号 。 表2 9 风室试验台各个部位的阻力及总阻力 位置 f v ( m s )p ( p a ) i 处0 2 8 11 7 85 5 0 i 到l i2 1 81 4 32 1 9 i i 全整流板0 3 84 7 75 1 8 整流板至i i j0 4 94 7 76 6 8 i i l 至喷嘴i v01 4 30 i v 垒v13 57 3 5 v 全整流板 o 3 84 7 75 1 8 整流板到v 10 4 94 7 76 6 8 风窒试验台i = 部目1 力8 3 9 p a 风机箱阻力 5 0 4 p a 总流道阻力1 3 4 3 p a 2 2 5 2 辅助风机的选择 经以上计算可以知道，通过本风室试验台的最大流量1 2 6 0 0m a 3 h ，而管道 的最大