中国汽研始建于1965年3月,系国家一类科研院所。拥有多个国家重点实验室及科研平台,如汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室、我国中西部首座汽车风洞、我国首个国家氢能动力质量监督检验中心、新能源汽车国家大数据联盟西南分中心等。
在重庆,有这样一个神秘的“洞”,内部时而艳阳高照,时而雨雪倾盆,人间四季随意切换。最令人称奇的是,“洞”内刮的风,一秒就值一欧元,被称为“世界上最昂贵的风”。
如果不加以介绍,普罗大众很难将其与当今炙手可热的汽车制造业联系起来,其实,这个“洞”就是“汽车风洞”。一辆汽车从开始设计,到制造完成,再到交付给消费者,需要经历无数次的实验和测试。在“汽车风洞”环节,巨大的人造风可模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态,以及天气环境甚至太阳辐射等,用以测试样车的安全性和操纵稳定性,最大限度地减少汽车在行驶中损失的动力,为设计更加节能、美观的汽车提供条件。也正因如此,在这无数次的实验和测试中,最烧钱的就是风洞测试。
据粗略计算,建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗资数亿美元,甚至10多亿,而且每做一次汽车风洞试验的费用也是相当大的。同时,世界上的实车风洞主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司,我国相关领域在很长一段时期几乎处于空白状态。
我国中西部首座空气动力学-声学风洞(AAWT)风机
不过,在2019年,中国风洞的诞生,打破了僵持已久的局面。2014年,通用技术集团中国汽研在五年内总投资5.5亿元人民币,启动“汽车整车风洞研发测试平台开发及应用”项目,成功建成一座空气动力学-声学风洞,一座环境风洞,一座环境舱,以及高性能仿真计算平台等,极大弥补了我国汽车风洞试验研究资源的不足,成为国内第一所具备欧六/WLTP和CNAS国六风洞法双认证资质的风洞机构,具备为国际主流车企提供技术服务的核心能力。
由汽车生产大国升级为真正的汽车强国,车身设计是必须跨越的一道坎。而设计研发汽车,风洞是极为重要的基础实验设备。一款汽车从概念创意、图纸设计到最终定型,必须在风洞里“吹”上成百上千个小时:风洞模拟出汽车在各种行驶环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态以及天气环境,一次次测试样车的安全性和操纵稳定性。
然而,这样的要求也意味着昂贵的成本。国际市场上,嘀嗒“吹风”一秒就是1欧元。在我国没有自己的汽车整车风洞之前,国内车企要做一次风洞实验,只能漂洋过海去海外测试,一次实验就是数个小时,不仅经费和时间成本巨大,且只能做一次验证实验,一旦验证有问题,整个项目就要推倒重来。
对于我国来说,风洞建设的初始投资巨大、技术难度很高,“没有自己的汽车整车风洞”——长期以来是阻碍我国汽车工业发展的硬伤。我国汽车业要真正立足世界,必须实现整车风洞“零”的突破。
“2009年以前,我国只能依靠航空风洞改造进行汽车空气动力学试验,这大大制约了我国汽车工业的发展。”中国通用技术集团中国汽研相关负责人介绍,2009年后,尽管中国汽车风洞试验条件实现了一定进步,但仍存在试验室资源紧张、试验周期长等问题。
为了改善这一现状,2014年3月,中国通用技术集团中国汽研成立了汽车风洞中心,开始筹备建设技术指标国际一流、国内领先的两座汽车风洞——“汽车空气动力学—声学风洞”和“汽车环境风洞”。第二年,中国通用技术集团中国汽研与世界著名风洞设计商德国WBI公司以及国内著名设计院上海机电院完成合作签约,汽车风洞项目进入实质性实施阶段。
直至2019年,中西部首座汽车风洞终于落成。
听起来“高大上”、用起来“烧钱”的汽车风洞,有哪些现实价值?其实,汽车风洞可以直接地影响汽车的设计,从而提升国民生活品质。
首先,风洞要求在管道内营造一段气流均匀流动的区域,利用运动的相对性原理来模拟汽车的行驶状态。也就是说,在风洞内,风在动而汽车是静止的。例如,一家车企做汽车研发,对研发车辆进行风洞试验,发现风阻较大会影响车辆的油耗或速度,就会决定重新优化车俩的外形设计,重新设计风阻更小的外形。
同时,在风洞中,真实地再现典型的碰撞过程,是分析和评价汽车碰撞中乘员保护能力的基础。在实车正面碰撞试验过程中,车辆通过驱动电机带动轨道中的钢绳,通过钢绳与车辆底部的副车架或发动机支架等部位相连接,实现牵引车辆达到相应的碰撞速度。在车辆前排的驾驶员和乘员侧分别放置身体各部位带有测量用传感器的假人,通过传感器测得在试验中假人的伤害值,从而对车辆的被动安全保护性能进行评判。
所以,在汽车外形设计、整车热管理开发过程中,风洞试验是必不可少的环节。同时,风洞试验也是发现新的流动现象、验证数值模拟和开展理论研究的重要手段。
一款新车的开发,需要满足哪些条件?如何适应风霜雨雪多变的气候,估计春假秋冬的四季轮回?这成为了“造车”企业最头疼的问题,也是汽车风洞诞生的初衷之一。在通用技术集团中国汽研建设的汽车环境风洞中,车辆的热力学测试不用再“看老天爷的脸色”,一年12个月都可以充分利用模拟的环境对整车开发进行调试,从而更好地控制研发成本和时间。
空气动力学-声学风洞风机叶片
为了在风洞中实现阳光模拟,中国通用技术集团中国汽研汽车环境风洞测试段顶部配置了一套全光谱的阳光模拟系统,每个灯源都有独立的电源和控制系统,以实现光照的精准控制;同时,在每个独立灯源上集成有网状挡板和遮光挡板,用于模拟车辆在乌云条件下低照射强度环境和通过隧道时的无照射环境。
这个风洞还能“下雨”。为了在风洞中实现降雨模拟,中国通用技术集团中国汽研汽车环境风洞的喷口安装了喷枪,根据不同雨量大小设定,喷枪会喷出相应大小的雨滴,雨滴随喷口气流吹向测试车辆从而形成降雨,小雨、中雨、暴雨等不同级别的真实降雨都可模拟。
不仅如此,“下雪”也是它的技能之一。风洞的喷口安置了喷枪,这一喷枪能够根据所需雪量的大小喷出夹带水滴的高压气体,在风洞流道内温度达到-10℃以下时凝结成冰粒,从而在试验车辆前方形成了降雪,雪量大小、降雪时间都可自由控制。
简言之,风洞就是一个人工造风的管道。而通常风洞内都有一个巨大的风扇,可以产生巨大的人造风,根据不同风洞类型与功能,分别可实现模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态等,用以测试样车的风阻、风噪、操纵稳定性、热管理性等,最大限度地减少汽车在行驶中损失的动力,为设计更加节能、美观、安全、舒适的汽车提供条件。
在我国汽车空气动力学试验研究资源极度匮乏的背景下,通用技术集团中国汽研“汽车风洞”运行,极大地弥补了该领域的不足,改变我国汽车工业核心资源与技术受制于人的局面,其服务能力、辐射作用、持续影响力,都为中西部汽车制造乃至我国汽车工业做出巨大贡献。
汽车风洞环境仓
作为汽车共性技术研发平台,汽车风洞可以模拟汽车在真实路面行驶状态,而我国汽车风洞的成功建成,对中国汽车技术进步、核心产品升级具有重要意义。尤其是在今天电动化、低碳化的倡导下,人们对车辆的动力性能、舒适性能和安全性能产生了更高的关注,汽车空气动力学作为决定汽车造型设计、风噪性能、燃油经济性、高速行驶稳定性的关键指标越来越被车企所重视。
“汽车整车风洞研发测试平台开发及应用”项目除成功建设汽车风洞以外,还通过了欧洲最新排放法规和全球轻型车测试程序(WLTP)风洞法认证,成为国内第一所具备欧六/WLTP和CNAS国六风洞法双认证资质的风洞机构。
专家认为,中国汽研汽车风洞具备汽车空气动力学领域相关实验与仿真开发能力,通过对车辆空气动力学性能的优化,可以降低汽车行驶在道路的空气阻力,从而能够降低相关能耗,因此汽车风洞也是当前“双碳”战略发展下的重要基础装备平台。
目前,这一技术已服务于国内外50余家主机厂,合作完成近百车型的空气动力学开发,其中开发的智己L7纯电轿车风阻系数达到0.21,跻身量产车全球前三,国内第一。