刘 政，杨 辉，郭西全，李舒雅，黄宪波
(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434)
工艺布局是工业厂房建设十分重要的一环，直接关系到基本功能、工作效率的实现。不论是汽车总装车间[1]，还是焊装车间[2]或者装载机产品线[3]等，均对工艺布局开展了不同程度的分析与优化。风洞试验室作为一类特殊的工业厂房，其工艺布局对其预期功能及提高工作效率具有非常重要的意义，因而受到风洞建设者的高度关注，并往往会在风洞建设初期就投入大量的人力物力对其进行研究。汽车风洞试验室，尤其是全尺寸的大型汽车风洞试验室，具有投资大、系统复杂、技术难度高的特征。因此，大型风洞在规划建设时都会对其工艺布局进行详细研究，如欧洲跨声速风洞(ETW)在建设前就成立了专门的工作组，并聘请专业的咨询机构对风洞工艺布局进行了详细的研究[4]。CARDC(中国空气动力研究与发展中心)在科研新区建设的0.6 m暂冲式风洞也对风洞的工艺布局进行了分析与探讨[5]。
风洞按试验段的气流速度可分为低速风洞、亚声速风洞、跨声速风洞、超声速风洞、高超声速风洞和超高速风洞。亚声速风洞、跨声速风洞、超声速风洞、高超声速和超高速风洞主要用于航空航天领域，国外比较有代表性的有美国NASA的风洞群、欧洲联合的ETW、法国ONERA的SIMA以及荷兰的NLR等[6-9]，国内比较有代表性的有CARDC的FL-24、FL-26、FL-28，CARIA的FL-2、FL-3以及CAAA的FD-12[10-13]。汽车风洞试验段的风速一般都低于100 m/s，属于低速风洞。汽车风洞按大小可分为模型风险和实车风洞，模型风洞主要进行汽车比例模型风洞试验，实车风洞主要用于实车或1∶1模型风洞试验。
汽车风洞按功能可分为环境风洞、声学风洞和气动力风洞。全天候风洞主要用于模拟车辆行驶的各种实际气候环境，如下雨、结冰、风力等。声学风洞用于测量汽车行驶时产生的气动噪声，气动风洞用于测量汽车行驶时产生的气动六分力。目前主流风洞的形式主要为2种：一是气动-声学二合一风洞，二是环境风洞。比较知名的有国外的戴姆勒奔驰的气动声学风洞[14]、奥迪的气动声学风洞[15]、FKFS的气动声学风洞[16]，以及国内的上海同济大学的气动声学风洞与环境风洞[17]、重庆CAERI的气动声学风洞与环境风洞[18]、天津CATARC的气动声学风洞与环境风洞[19]。
汽车风洞按构造及布局形式可分为直流开式、直流闭式、回流开式、回流闭式。随着风洞技术的不断发展，常规低速风洞的基本形式已趋于统一，主要包括直流式和单回流式2种，单回流式通常直接被称为回流式风洞。直流式风洞具有造价便宜、便于做带内燃机或用烟进行流动显示试验的优点，但缺点是试验段流场品质、背景噪声容易受外界影响，且无法形成增压运转。与直流式风洞相比，回流式风洞能很好地克服上述缺点，试验段的流场品质与背景噪声基本不受外界的影响，且可实现增压运行，但缺点是造价偏高[20-22]。
广汽拟新建一座全新的三合一全尺寸汽车风洞，该风洞同时包含空气动力学、风噪及热力学三大功能，与传统风洞具备相同点的同时又具有明显的差异性。因此十分有必要对该风洞的工艺布局进行深入探讨与研究，以便通过合理设计，使该风洞满足各方面的要求，同时为后续同类试验室的建设提供有效参考。
汽车风洞洞体按气流方向依次主要由试验段、第一扩散段、拐角1、拐角2、动力段、风机扩散段、拐角3、换热段、拐角4、稳定段和收缩段组成(见图1)。
图1 常见汽车风洞洞体布局
试验段是风洞洞体的核心部位，天平、移动测量架等重要设备都安装在这里，试验车辆的安装及试验的开展也在这里进行。第一扩散段通过增加流道横截面积降低气流速度，使气流动能转变为压力能，从而减小能量损失。4个拐角承担相似的功能，拐角通常均安装有导流片，引导气流在拐角处顺利转弯，降低能量损失。动力段是气流动力的来源，主风机安装在此处，风机的叶片经过严格的气动设计。换热段安装有换热器，气流经过换热器后充分换热，达到预期的温度范围，满足试验需求。稳定段安装有蜂窝器、阻尼网，气流的湍流度及不均匀性在此处得到极大改善。收缩段横截面面积不断减小，收缩曲线经过合理设计，气流经过收缩段被加速到试验所需速度。
广汽风洞位于广汽研究院化龙研发基地，总投资约3.5亿元，占地面积约4 500 m2，两面分别与其他试验室相邻(见图2)。整个风洞建筑分为两部分：一部分为风洞流道，另一部分为辅助建筑，主要作为风洞试验的功能区域，两者在结构上相对独立。
图2 广汽风洞位置示意图
广汽风洞为空气动力学、风噪及热力学三合一风洞，对试验段流场品质、背景噪声有着极高的要求，因此风洞洞体布局形式及规模尺寸与国内外主流气动声学全尺寸汽车风洞类似，采用回流式布局(见图3)。
图3 广汽风洞洞体布局
但由于广汽风洞三合一的特殊属性，其布局又具有与主流气动声学汽车风洞不同的鲜明特征，主要包括如下方面。
3.1 底盘测功机
为了模拟热力学试验中车辆在实际道路中的行驶工况，在天平下游布置了一套底盘测功机(见图4)，为了减小底盘测功机对气动及声学试验的影响，其设计有专门的盖板，在不使用时可以将其覆盖，达到与周围地面完全平整的状态。
图4 底盘测功机布局
3.2 阳光模拟
为了模拟热力学试验中车辆在实际环境中的光照工况，在底盘测功机正上方布置了一套全光谱阳光模拟(见图5中红色框所示)。此外，为了减小其对气动及声学试验的影响，该设备可以通过轨道运行至位于试验段下游、扩散段正上方的存储间(见图5中绿色框所示)。
图5 阳光模拟布局
3.3 新风及扫气系统
为了满足热力学试验中对空气的特定要求，以及补充因车辆发动机燃烧而消耗的空气，在拐角2上方(见图6中红色框所示)布置了一套新风机组，外界的空气可通过拐角2上方开口补充至流道内部。同时为了避免因车辆在热力学试验过程中产生的尾气等有害气体聚集在流道内，布置有扫气系统(见图6中绿色框所示)，当气体浓度超过一定范围时，扫气系统会自动开启，与新风系统协同工作，将有害气体排出室外。
图6 新风及扫气系统布局
3.4 蒸汽格栅
为了满足热力学试验中部分工况高湿的要求，在风机扩散段及拐角3之间布置了一套蒸汽格栅(见图7)，锅炉蒸汽通过管道运送至此，通过格栅上的小孔喷洒至流道的气流中，与空气混合后形成具有一定含湿量的气流。
图7 蒸汽格栅布局
3.5 主换热器
主流的气动声学汽车风洞也有主换热器(见图8)，但通常只能满足常温试验。广汽风洞主换热器温度调节范围为20～60 ℃，可满足一定的热力学试验需求。
图8 主换热器布局
风洞洞体的核心功能是作为气流循环流动的载体，为试验段车辆提供理想的流场环境，洞体中虽布置有部分设备，但仅仅是风洞设备的一小部分，绝大部分设备的布置是围绕于洞体却又布置在它以外的，且需同步考虑试验整备以及配套设施等情况。因此，一个完整的风洞布局方案除洞体外，还包括其他众多功能性区域，最终形成完整的风洞布局方案。
如上文所述，风洞流道工艺布局只是整个风洞布局的一部分，为了满足风洞的最终运营需求，还需要围绕风洞洞体布置一系列功能性区域。因此，基于广汽风洞流道布局的基本情况、现场地形的基本条件及当地建筑法规的相关要求，以满足风洞功能为核心，形成了广汽风洞初版整体布局方案，整体为3层结构，风洞洞体贯穿其中，围绕洞体完成其余功能区域的规划布局，其中负一层和一层主要用于设备安装、车辆整备与试验运行，二层为辅助功能区，包括办公区、会议室等。
4.1 负一层布局方案
负一层以设备为主，风洞主要大型非标设备，包括天平、底盘测功机、主风机、制冷机组、锅炉、设备电柜、抽吸系统、尾排系统等均布置在此(见图9)。同时对天平及主风机分别设计有针对性的隔振系统，天平隔振系统主要防止外界振动对其产生干扰，主风机隔振系统则主要防止其振动传递至外界。除此之外，在靠近汽车电梯侧布置有车辆整备区，包含2台举升机，可满足2台车辆同时进行整备的需求。此外，为了使大型非标设备能顺利进入地下室，在紧邻主通道的一侧设置有直通地下室的设备吊装口，待大型设备进入地下室后尽兴封闭，并为后续大型维保作预留。
图9 负一层布局方案
4.2 一层布局方案
一层主要为辅助功能区，重点包括控制间、正投影室、洗车间、天平换带间、PLC室及车辆整备区等，其中控制间的布局与其他风洞存在较大差异。通常，风洞的控制间均布置在洞体回路中央。但由于广汽风洞存在地下室，控制间人员无法直通室外，人员逃生不便，不符合消防法规要求。因此将控制间布置于驻室另一侧，同时由于该侧空间受限，为了避免影响车辆通行，将控制间设置在标高为4.2 m的夹层(见图10中虚线所示)，缺点是人员上下存在不便。此为采用地下室布局带来的弊端，如没有地下室，则驻室、控制间均在二楼，控制间人员下楼即可直通室外，不存在无法满足消防法规的问题。
图10 一层布局方案
4.3 二层布局方案
二层布局相对简单，主要包含油泥模型加工区、油泥模型停放区及办公区(见图11)。
图11 二层布局方案
风洞工艺布局是一个极其重要的课题，应综合考虑各方面因素，才能确保其在满足性能要求的同时又满足使用需求，为工作的高效开展提供有力支撑。广汽风洞为气动-声学-热力学三合一全尺寸汽车风洞，与常规的气动-声学汽车风洞在布局上既有相同的地方，又有显著的区别。现有布局方案确保风洞性能的同时，功能性区域也得到了妥善规划，但也存在一些不足，以下是几点经验总结。
5.1 地理位置
首选四周空旷、无其他建筑物遮挡的场地，且场地尽量规整，方便风洞整体布局以及设备的入场安装。
5.2 总体布局原则
以风洞洞体以及设备为核心，在优先确保风洞性能实现的前提下进行其他辅助区域的布局。
5.3 占地面积
广汽风洞占地面积4 500 m2，略显局促，对于气动-声学全尺寸汽车风洞洞体而言，轴线尺寸建议不小于80 m×40 m，推荐尺寸为100 m×50 m，综合考虑各功能区域布局，总占地面积应在6 000～8 000 m2为宜。
5.4 地下室
应尽量避免地下室的建设方案，尤其是在南方地区，主要原因如下。
1)土建施工成本高。
2)设备入场难，应预留吊装口，设备入场前无法有效防水，后期大型维修设备难以运出。
3)防水效果难保证，地下室局部渗水现象经过多次处理仍存在。
4)地下室环境潮湿，不利于电气设备的长期运营，应额外增设除湿机。
5)部分设备如压缩空气站，不论是新风需求还是排气量都很大，应增设额外的通风排气系统。
6)影响控制间布局，如无地下室，控制间可按常规做法布置于流道中央，方便周围功能区域布局。
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