随着汽车行业的蓬勃发展,汽车研发和测试工作急剧增加。汽车环境风洞可以在任意季节和天气精确模拟汽车试验所需的极端环境,受到了越来越多的重视。近年来,我国车企和系统供应商对汽车环境风洞的需求量逐渐增加,但国内的汽车环境风洞技术储备不足,无法独立完成风洞的设计和建造。虽然已有一些研究者对汽车环境风洞展开研究,但是,风洞的流场特性研究仍然存在不足,热系统设计及试验段温度控制也未有涉及。同时,目前尚没有可以精确反应汽车环境风洞动态特性的热力学模型,不利于进一步的风洞热系统及控制特性分析。为此,本文针对以上问题展开了研究和探讨,具体如下:(1)对汽车环境风洞流场特性的研究。使用计算流体力学对环境风洞非怠速工况下的流场、怠速流场和试验段地面的边界层水平抽吸系统进行分析。结果表明:(i)使用封闭风道模型和fan边界条件模拟风机风压,可以对环境风洞的流场和风道阻力进行较为准确的计算,但是忽略拐角处导流片厚度会引起较大误差。同时,风道的阻力损失集中在稳定段、试验段及风道的四个拐角处。(ii)试验段宽度对怠速流场影响较大,使用侧方怠速风口时,试验段的宽度需达到被测车辆的5倍。当试验段宽度降低,气流容易在车前端形成回流,影响怠速试验结果的准确性。(iii)研究了边界层水平抽吸系统,并对其抽吸率进行优化,最终将试验区域的边界层厚度控制在了100mm以内,边界层位移厚度在14.8mm以内,边界层厚度的数值模拟结果与测量结果相比精度较高。(2)建立了汽车环境风洞的热力学模型。首先,对环境风洞的主要部件进行了模块化建模,建模对象包括风道围护结构及空气区域,冷冻水系统阻力部件、冷冻水系统主要热力部件。为有效的反应研究对象的动态特性,对管路和盘管基于连续性和能量微分控制方程建立了分布参数模型。对使用机理法建模的风道围护结构与空气区域模型、盘管模型进行了验证。最后,根据环境风洞的运行规律完成了系统模型的集成,设计了冷冻水系统中流量和温度分布计算的通用算法,系统模型可较为灵活的适用于不同结构的风道及冷冻水系统模拟。(3)使用汽车环境模拟试验室的升降温试验对系统模型进行验证,并基于模型完成了升降温及试验阶段的瞬态和稳态热负荷分析、机组设计及系统热力性能研究。结果显示:(i)模型可以较为准确的预测试验段的喷口出风温度,试验车辆温度及系统能耗。(ii)热负荷分析显示:试验阶段对加热量的需求较低,因此加热机组选型主要考虑升温速度指标,冷冻机组选型在满足降温速度的同时,还需对高速试验下的稳态冷负荷进行校验。同时,分析了冷热机组功率及准备阶段风速对试验效率及样车热处理能耗的影响。(iii)调节阀是温度模拟系统中重要的执行机构,喷口出风温度的稳态响应显示,使用等百分比调节阀可以改善被控温度和阀开度之间的线性关系,而加热器功率与被控温度之间的线性关系较好。此外,出风温度的动态响应研究结果显示,环模室是具有大热惯性、变延迟及时变的非线性热力学系统。(4)对环模室的试验段温度控制进行探索,设计了试验段温度的模糊自适应PID控制。根据环模室的热力性能研究结果,选择风速,温度偏差和偏差变化速度作为模糊控制器的前件变量,实现了模糊控制器的降维,并制订了模糊规则。模型计算结果显示,相比原PID控制,模糊PID控制可以有效的改善系统超调及试验工况切换引起的被控温度波动。