楊志剛,周曉利 ,李啟良 ,賈 青

(同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804)

0 引 言

整車(chē)風(fēng)洞是汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究不可缺少的試驗(yàn)設(shè)施。為了滿(mǎn)足中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的需要,包括全尺寸氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞和熱環(huán)境風(fēng)洞的上海地面交通工具中心已于2009年9月落成并投入使用[1]。擴(kuò)散段是汽車(chē)風(fēng)洞的一個(gè)關(guān)鍵部件,位于試驗(yàn)段下游,將來(lái)自試驗(yàn)段氣流逐漸減速,使氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,減少氣流在下游各管段的壓力損失,降低風(fēng)洞所需的功率。擴(kuò)散段流動(dòng)是一種復(fù)雜的流動(dòng),在滿(mǎn)足擴(kuò)散段進(jìn)出口面積比條件下,進(jìn)口截面速度不均勻度和擴(kuò)散角對(duì)擴(kuò)散段流動(dòng)特性有很大的影響。研究它們對(duì)汽車(chē)風(fēng)洞擴(kuò)散段流動(dòng)的影響,不僅可以深入了解擴(kuò)散段的流動(dòng)狀態(tài),而且有利于指導(dǎo)汽車(chē)風(fēng)洞擴(kuò)散段的設(shè)計(jì)。

擴(kuò)散段的流動(dòng)形態(tài)在過(guò)去的一段時(shí)間里進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和數(shù)值研究。C.U.Buice et al[2]從試驗(yàn)角度研究了均勻來(lái)流下,矩形截面對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散段的流動(dòng)特性。P.A.Durbin[3]使用v2f湍流模型對(duì)均勻來(lái)流下,2D擴(kuò)散段進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),使用該模型能夠得到與試驗(yàn)相一致的結(jié)果。過(guò)去的研究描述了均勻來(lái)流下,擴(kuò)散段的流動(dòng)形態(tài)。然而,非均勻來(lái)流下的擴(kuò)散段流動(dòng)形態(tài)仍未涉及。傳統(tǒng)航空風(fēng)洞多數(shù)為閉口式風(fēng)洞,風(fēng)洞試驗(yàn)段的出口速度相當(dāng)均勻。對(duì)于試驗(yàn)段下游的擴(kuò)散段的設(shè)計(jì),往往采用基于均勻來(lái)流條件下得到的經(jīng)驗(yàn)公式和圖表[4]。然而,汽車(chē)風(fēng)洞通常采用開(kāi)口式風(fēng)洞,噴口與收集口截面不同,試驗(yàn)段的出口速度不均勻,如果仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的偏差,增加風(fēng)洞設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

為此,首先針對(duì)模型風(fēng)洞擴(kuò)散段流動(dòng)形態(tài)展開(kāi)數(shù)值與試驗(yàn)研究,然后使用數(shù)值方法對(duì)一系列擴(kuò)散角的擴(kuò)散段流動(dòng)進(jìn)行模擬,以求在更接近擴(kuò)散段真實(shí)運(yùn)行條件下尋找到壓力損失因數(shù)與擴(kuò)散角的關(guān)系,為汽車(chē)風(fēng)洞擴(kuò)散段的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法

1.1 試驗(yàn)方法

為了研究汽車(chē)風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)性能,建設(shè)1∶15的模型風(fēng)洞,如圖1所示。模型風(fēng)洞速度由電機(jī)控制,其最大出口風(fēng)速為45m/s?？紤]到模型風(fēng)洞運(yùn)行和傳感器量程等因素,選取35m/s的出口風(fēng)速進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)使用皮托管對(duì)收集口進(jìn)口和擴(kuò)散段出口截面進(jìn)行多點(diǎn)壓力測(cè)量,通過(guò)總壓和靜壓換算得到測(cè)試截面速度分布。收集口進(jìn)口的速度分布的試驗(yàn)結(jié)果主要用來(lái)驗(yàn)證擴(kuò)散段計(jì)算給定進(jìn)口邊界條件的合理性,距擴(kuò)散段出口約210mm處的速度分布的試驗(yàn)結(jié)果,則主要用于評(píng)估計(jì)算得到擴(kuò)散段流場(chǎng)的正確與否。

圖1 模型風(fēng)洞示意圖Fig.1 Schematic of model wind tunnel

盡管15°的收集口角度所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)段流場(chǎng)質(zhì)量較好[5],但是出于以往研究均將收集口角度為0°作為基礎(chǔ)狀態(tài),故在試驗(yàn)與數(shù)值模擬中均對(duì)收集口角度為0°時(shí)擴(kuò)散段的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析。計(jì)算區(qū)域進(jìn)口的兩種非均勻來(lái)流主要通過(guò)在試驗(yàn)段天平位置是否放置車(chē)模來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 數(shù)值模擬方法

在數(shù)值模擬中,僅選取模型風(fēng)洞的一部分。整個(gè)計(jì)算區(qū)域由收集口、擴(kuò)散段以及為了防止回流而添加的延伸段組成,如圖2所示。之所以在擴(kuò)散段后面直接添加延伸段而不是連接拐角1,是因?yàn)閮烧邔?duì)擴(kuò)散段內(nèi)流動(dòng)形態(tài)和總壓損失影響不大。計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)使用商業(yè)軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到v2f湍流模型對(duì)壁面網(wǎng)格的要求,在壁面創(chuàng)建邊界層網(wǎng)格,使近壁面網(wǎng)格y+≈5。整個(gè)計(jì)算區(qū)域均創(chuàng)建能有效減少數(shù)值擴(kuò)散、提高求解精度的六面體網(wǎng)格,其網(wǎng)格總數(shù)約為222萬(wàn)個(gè)。其它擴(kuò)散角下的網(wǎng)格創(chuàng)建方式與此相同,由于擴(kuò)散角越大,擴(kuò)散段對(duì)應(yīng)的表面積越小,因而由此導(dǎo)致最終生成的體網(wǎng)格數(shù)目減少,在計(jì)算的所有擴(kuò)散段中,網(wǎng)格總數(shù)處于108～222萬(wàn)個(gè)。

圖2 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic of computational domain

基于有限體積法的商業(yè)軟件Fluent框架下的v2f湍流模型用于不同擴(kuò)散角下擴(kuò)散段的湍流場(chǎng)求解。v2f湍流模型在標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型基礎(chǔ)上,考慮垂直于流線(xiàn)方向的速度脈動(dòng),采用可以代表近壁面湍流輸運(yùn)方程中阻尼的合適尺度的速度尺度v2方程,同時(shí)在近壁面處理上利用橢圓松馳法構(gòu)造 f函數(shù)[3]。v2f湍流模型解決了壁面附近湍流的各項(xiàng)異性問(wèn)題,可以準(zhǔn)確地模擬邊界層的分離、再附、或以分離為主的流場(chǎng)[6]。

圖3 計(jì)算域進(jìn)口速度分布(試驗(yàn)段無(wú)車(chē))Fig.3 Velocity distribution of computational domain inlet(test section without car)

計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口使用非均勻速度分布,如圖3所示。該速度分布是通過(guò)對(duì)整個(gè)模型風(fēng)洞進(jìn)行計(jì)算得到的,并且該速度分布得到了試驗(yàn)驗(yàn)證[7]。從圖3可以看出,計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口速度分布非常不均勻,計(jì)算得到的速度不均勻度可達(dá)50.5%。這將是汽車(chē)風(fēng)洞與航空風(fēng)洞的最大區(qū)別之一。因?yàn)閷?duì)于航空風(fēng)洞擴(kuò)散段的進(jìn)口速度分布相當(dāng)均勻,但汽車(chē)風(fēng)洞擴(kuò)散段進(jìn)口卻是如此不均勻。計(jì)算區(qū)域的出口使用壓力出口,收集口和擴(kuò)散段壁面采用無(wú)滑移條件,延伸段采用無(wú)粘壁面條件。計(jì)算首先采用較為穩(wěn)定的1階迎風(fēng)格式,幾百次乃至上千次迭代后,選用精度較高的2階迎風(fēng)格式,直到殘差收斂至10-4,且監(jiān)控物理量的數(shù)值基本不隨迭代發(fā)生改變時(shí),則認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在圖2給出的測(cè)試截面中,原點(diǎn)位于截面中心,高度方向上布置8排,每排有11個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖4僅給出出口速度為35m/s、高度方向z=-35mm的兩種非均勻來(lái)流下擴(kuò)散段的無(wú)量綱速度分布。從圖中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,擴(kuò)散段從兩側(cè)無(wú)量綱速度約0.6增加到中心無(wú)量綱速度約1.3,且呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布。應(yīng)該指出的是,圖4的u進(jìn)指的是擴(kuò)散段進(jìn)口的平均速度,觀(guān)察圖3給出的速度分布可以判斷出擴(kuò)散段內(nèi)無(wú)量綱速度分布可以超過(guò)1.0。受出口射流的影響,即使到了擴(kuò)散段入口截面,軸心速度降低較少。從圖4試驗(yàn)給出的速度分布可以反映出,擴(kuò)散段有助于降低射流軸心速度,約降低30%,并使速度不均勻度從進(jìn)口的33.9%降低到出口的26.9%,但它并沒(méi)有完全消除出口射流影響。從兩種非均勻來(lái)流下的數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果可以看出,不僅它們變化趨勢(shì)一致,而且大多數(shù)測(cè)點(diǎn)上的速度值也基本相同。計(jì)算兩者平均速度發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬得到的速度為13.4m/s,試驗(yàn)測(cè)量得到的速度為13.7m/s,誤差約為2.2%。可見(jiàn),數(shù)值模擬能真實(shí)反映擴(kuò)散段流場(chǎng)的分布。

2.2 總壓損失因數(shù)

總壓損失因數(shù)是評(píng)價(jià)風(fēng)洞擴(kuò)散段氣動(dòng)性能的主要參數(shù),其定義如式(1)所示。

式中,Δ Cp表示總壓損失因數(shù);Δ Pt表示擴(kuò)散段進(jìn)口與計(jì)算區(qū)域出口的總壓差(Pa);ρ表示密度(kg/m3)。

2.2.1 來(lái)流速度不均勻度

為了考察來(lái)流速度不均勻度對(duì)擴(kuò)散段總壓損失的影響,選取模型風(fēng)洞擴(kuò)散段在各種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。從表中可以看出,隨著來(lái)流的速度不均勻度增加,擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)不斷增加,且增幅較大。試驗(yàn)段中無(wú)車(chē)對(duì)應(yīng)擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)約為均勻來(lái)流時(shí)的5.2倍,可見(jiàn)在風(fēng)洞擴(kuò)散段設(shè)計(jì)時(shí),僅依賴(lài)均勻來(lái)流得到的結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì),往往出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。比較兩種非均勻來(lái)流工況下,擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)發(fā)現(xiàn),由于速度不均勻度的減少,相同擴(kuò)散角下,有車(chē)對(duì)應(yīng)擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)比無(wú)車(chē)要小。

表1 各來(lái)流情況下,擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)T able 1 Total pressure factor of diffuser under different inflows

圖4 擴(kuò)散段無(wú)量綱速度分布Fig.4 Dimensionless velocity distribution of diffuser

2.2.2 擴(kuò)散角

兩種非均勻來(lái)流工況下,擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)與擴(kuò)散角的變化,如圖5所示。從圖中可以看出,隨著擴(kuò)散角的增加,擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)先減少后增加,呈現(xiàn)出V型的變化趨勢(shì)。當(dāng)來(lái)流處于試驗(yàn)段有車(chē)工況時(shí),擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)最小值對(duì)應(yīng)擴(kuò)散角為13.0°。當(dāng)來(lái)流處于試驗(yàn)段無(wú)車(chē)工況時(shí),擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)最小值對(duì)應(yīng)擴(kuò)散角為14.5°。

擴(kuò)散段的總壓損失由壁面摩擦損失和流動(dòng)分離損失組成。對(duì)照?qǐng)D5無(wú)車(chē)曲線(xiàn)可知,當(dāng)擴(kuò)散角從3.8°到14.5°,壁面摩擦損失由于擴(kuò)散角增加導(dǎo)致壁面面積減少而不斷減少,流動(dòng)分離損失由于擴(kuò)散角增加而不斷增加。然而,從該曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可知壁面摩擦損失減少起決定性作用。當(dāng)擴(kuò)散角大于14.5°,流動(dòng)分離損失增加起決定性作用。圖6顯示試驗(yàn)段無(wú)車(chē)時(shí)兩種擴(kuò)散角下擴(kuò)散段分離情況。由于擴(kuò)散段進(jìn)口速度非均勻分布,即使擴(kuò)散段處于較小的擴(kuò)散角,較小的逆壓梯度也會(huì)使擴(kuò)散段頂部和側(cè)壁交界處出現(xiàn)流動(dòng)分離。流動(dòng)分離隨著擴(kuò)散角增加而急劇增大。當(dāng)擴(kuò)散角為14.5°時(shí),在擴(kuò)散段的四個(gè)壁面交界處出現(xiàn)不同程度的流動(dòng)分離,其中頂部分離較大,底部分離較小。這顯然是由于進(jìn)口速度分布導(dǎo)致的。可見(jiàn),隨著擴(kuò)散角增加,分離加劇,由流動(dòng)分離帶來(lái)?yè)p失不斷增加。至于試驗(yàn)段有車(chē)時(shí),擴(kuò)散段流動(dòng)分離情況與此類(lèi)似,不予敘述。

圖5 不同擴(kuò)散角下,擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)Fig.5 Total pressure factor of diffuser under different diffuser angles

圖6 擴(kuò)散段等速度云圖(u=0m/s)Fig.6 Iso-surface contour of diffuser(u=0m/s)

3 結(jié)論與展望

模型風(fēng)洞擴(kuò)散段出口速度分布的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合表明,v2f湍流模型不僅可以較好模擬均勻來(lái)流下擴(kuò)散段流動(dòng),而且可以較真實(shí)反映出非均勻來(lái)流下擴(kuò)散段流動(dòng)情況。

來(lái)流速度分布影響著擴(kuò)散段總壓損失,來(lái)流速度不均勻度越大,擴(kuò)散段總壓損失越大。試驗(yàn)段無(wú)車(chē)時(shí),擴(kuò)散段總壓損失因數(shù)是均勻來(lái)流時(shí)的5.2倍。風(fēng)洞擴(kuò)散段設(shè)計(jì)使用均勻來(lái)流得到的經(jīng)驗(yàn)公式或圖表將會(huì)帶來(lái)較大偏差。

對(duì)于擴(kuò)散段,總存在一個(gè)最優(yōu)擴(kuò)散角,其也受來(lái)流速度不均勻度影響。來(lái)流速度不均勻度越大,最佳擴(kuò)散角越大。

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