仇 健,谷正氣2,,王 師,張清林,胡彭俊,張海峰

(1.湖南大學,汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙 410082; 2.湖南工業(yè)大學,株洲 412007)

前言

目前,隨著智能交通系統(tǒng)[1]的發(fā)展,國內(nèi)已開始采用數(shù)值模擬技術(shù)對智能交通系統(tǒng)中隊列行駛車輛進行研究,主要是對隊列行駛尾隨車輛的研究。

由汽車氣動阻力的構(gòu)成成分可知[2-4],汽車所受到空氣阻力的 65%來自壓差阻力,其中壓差阻力的9%來自車身前端,而91%來自車身尾部(其值與車身長短及外形有關(guān))。從氣動阻力形成的機理來看,它由形阻和渦阻構(gòu)成,其中渦阻占 40%左右,主要來自汽車的尾渦。

在風洞試驗中,粒子圖像測速(PIV)是近十幾年發(fā)展起來的流場測量新技術(shù),它是一種瞬態(tài)、多點、非接觸式的流體力學測速方法,并廣泛應(yīng)用于流體測量試驗。PIV技術(shù)的特點是超越了單點測速技術(shù)的局限性,能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點上的速度分布信息,可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動特性。

作者利用風洞試驗測量了隊列行駛工況下領(lǐng)航車輛和領(lǐng)航車輛單獨行駛時的阻力系數(shù),并運用PIV技術(shù)分別對領(lǐng)航車輛尾部縱對稱面內(nèi)的流場進行了測量,分析了尾部流場的速度場和渦量場,從場的角度闡述了汽車阻力系數(shù)產(chǎn)生變化的原因。為了更好地揭示尾部流場變化對領(lǐng)航車輛氣動阻力的影響,本文中僅選取不到一個車長的距離進行研究,而這種行駛狀態(tài)會在智能交通系統(tǒng)由自動駕駛實現(xiàn)。

1 PIV的基本原理及系統(tǒng)組成

粒子圖像測速(PIV)的基本原理是:在流場中散播示蹤粒子,用脈沖激光片光源照射所測流場區(qū)域,通過連續(xù)兩次或多次曝光,粒子的圖像被記錄在底片上或CCD相機上,攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列,并記錄相鄰兩幀圖像序列之間的時間間隔,進行圖像相關(guān)分析,識別示蹤粒子圖像的位移,求得流體的運動速度,進一步處理分析就可得到整個流場的速度場、渦量場和流線等流場特性參數(shù)分布,PIV系統(tǒng)原理如圖 1所示。

PIV系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)和示蹤粒子添加系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由激光器、片光元件、光臂、激光脈沖同步器和CCD攝像機組成;圖像分析系統(tǒng)主要由圖像采集板、圖像分析軟件和計算機組成;示蹤粒子添加系統(tǒng)由示蹤粒子和煙霧發(fā)生器組成。

2 試驗設(shè)備與方案

2.1 試驗風洞與模型

試驗在HD-2汽車模型風洞中進行。該風洞由風扇段、擴散段、收縮段、低速試驗段、高速試驗段、拐角導(dǎo)流片、穩(wěn)定段和蜂窩器等部分組成。動力系統(tǒng)由功率 620kW的直流電機驅(qū)動,調(diào)速系統(tǒng)采用西門子 6RA7090型直流調(diào)速裝置。風洞風速控制、數(shù)據(jù)采集與試驗監(jiān)視主要集中在主控制室以實現(xiàn)全自動化計算機系統(tǒng)控制。風洞為雙列單回流閉式,試驗段的橫截面為矩形,寬 3m,高 2.5m,面積為7.5m2,高速試驗段的長度為 17m,最大風速為 58 m/s,收縮比為 3.2。試驗段的流場參數(shù)見表 1。

表1 風洞流場品質(zhì)參數(shù)

兩輛類車體模型縮尺比例為 1∶3,試驗?zāi)Ｐ透鶕?jù)CAD數(shù)據(jù)模型通過數(shù)控機床加工而成。其中領(lǐng)航車模型的長為 1 683mm,寬為 700mm,高為500mm,尾隨車模型的表面涂以亞光黑漆,防止模型表面反光,影響測量結(jié)果,此模型的長為 1 450mm,寬為768mm,高為496mm,試驗?zāi)Ｐ鸵妶D2。

2.2 PIV系統(tǒng)設(shè)備

采用PIV專用雙脈沖激光器作為成像光源,單脈沖能量為500MJ,產(chǎn)生532nm的綠光,最高工作頻率為10Hz,片光厚度小于1mm。CCD相機的分辨率為 4 000×2 672,最小曝光時間間隔小于1μs,采集速率5幀/s,圖像采集板的傳輸速率大于200m/s;采用粒子圖像測速系統(tǒng)實時分析軟件,進行實時采集、控制和PIV互相關(guān)計算及數(shù)據(jù)分析。

2.3 PIV試驗方案設(shè)計

根據(jù)模型風洞的試驗條件,風洞試驗段的頂部有透明天窗,側(cè)壁面由透明玻璃組成。試驗?zāi)Ｐ桶惭b在汽車六分力天平處,模型的縱對稱面與風洞的中心面重合。采取的方案是:激光器放置于風洞頂部,激光從風洞頂部的天窗往風洞照射,片光平行來流方向,CCD相機置于風洞外側(cè),拍攝垂直片光平面的切面流場。這樣布置一方面有利于片光內(nèi)速度場的獲取,另一方面不會對風洞流場產(chǎn)生干擾,保證了測量精度。圖 3為試驗方案布置示意圖。

2.4 示蹤粒子的發(fā)生和布撒

PIV技術(shù)測量的是粒子速度而不是流場速度。因此,必須對粒子流體力學特性進行考查,以免出現(xiàn)粒子與流場運動間的顯著差異,因此在PIV試驗中示蹤粒子的投放和選擇十分重要[5]:首先,要求示蹤粒子無毒、無腐蝕、化學性質(zhì)穩(wěn)定和清潔;其次,要求粒子跟隨流體的流動性好,粒子應(yīng)是良好的散射體,其成像可見性好。這是使P1V測量真實、可靠的基本保證。

試驗中,采用氣壓式霧化 4噴嘴煙霧發(fā)生器,噴出粒子的等效直徑小于 1μm。煙霧發(fā)生器置于風洞試驗段的出口處,這樣能使投放的粒子在風洞中循環(huán),保證了粒子的濃度均勻。

3 試驗結(jié)果與分析[6-7]

試驗中測量區(qū)域為模型縱對稱面(X-Y平面)的尾部區(qū)域,測量的坐標系位于模型的尾部,見圖 4。

分別測量風速為35m/s時隊列行駛3種工況下領(lǐng)航車輛的尾部流場。表 2為不同試驗工況下的阻力系數(shù)和與單車對比的減小率,其中 L為領(lǐng)航車輛的車長。

表2 工況類別及阻力系數(shù)

3.1 尾部流線圖分析

3種工況下尾部流線如圖 5～圖 7所示。

從圖5～圖7可以看出,汽車尾部的流場渦的形狀、大小和位置隨著試驗工況的不同而變化,而且流場基本上可分為兩部分,分別是由背部俯沖下來的氣流和從車底部上卷形成的氣流[8]。其中由車身背部俯沖下來的剪切流流動所形成的渦順時針方向旋轉(zhuǎn),稱之為渦 A。由車身底部上卷氣流所形成的渦逆時針方向旋轉(zhuǎn),稱之為渦B。

比較這 3個工況可以看到,在工況 1條件下,即S=0.5L時,渦A渦核的坐標為X≈70mm;在工況2條件下,即S=0.3L時,渦A的渦核坐標為X≈35mm;在工況3條件下,即S=0.5L時,渦A的渦核坐標X≈40mm。因此總體來講,渦A的中心位置隨著兩車間距的縮短而逐漸接近領(lǐng)航車輛的尾部。對于工況2和工況 3,雖然工況 3中渦A的渦核中心比工況 2要靠后,即距離領(lǐng)航車尾部距離更大一些。但是工況3中渦 B的渦核中心坐標為 X≈140mm,相對于工況2中渦B的渦核坐標X≈190mm小了50mm,即工況3中渦B較工況2中的渦B靠近車尾約50mm。

工況1中渦的邊界坐標X≈240mm,工況2為X≈220mm,工況3為X≈190mm。從工況1到工況3,這 3種工況流場渦所延伸的長度逐漸縮小。與之相對應(yīng),擴展直徑也逐漸減小。而渦在邊緣與周圍氣流有較大的相對速度,在氣體黏性的作用下,渦邊緣與周圍空氣產(chǎn)生有梯度變化的剪切力,形成一定厚度的邊界層。在這種邊界層內(nèi)存在著劇烈的能量交換,而能量耗散量會隨著邊界層區(qū)域的縮小而減少,從能量角度來分析,從工況 1到工況 3,隨著車間距的縮短,領(lǐng)航車輛能量損失減小,阻力系數(shù)降低。

3.2 尾部渦量場分析

渦量為流體微團繞其中心做剛性旋轉(zhuǎn)角速度的2倍,流場的速度梯度越大,渦量也就越大,可以根據(jù)渦量的大小來判斷渦的強度。

為進一步揭示尾部流場湍流結(jié)構(gòu)的變化[9],選取在此風速下,即雷諾數(shù) Re=3.92×106的穩(wěn)態(tài)渦量場進行定量分析,其渦量圖見圖 8～圖 10。

由圖可見:3個工況的渦量場也由兩部分組成,分別是車背部氣流順時針流動而形成的負的渦量場和車身底部剪切流上翻逆時針流動而形成的正的渦量場;渦量峰值呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,工況 1的峰值wmax=-2 251.08,工況2中wmax=-1 512.26,工況3中wmax=-1 095,其絕對值逐漸減小。

由于渦量的大小可以用來表征漩渦的強度,故從工況 1到工況 3漩渦的強度逐漸減小,即速度梯度減小,由此所產(chǎn)生的負壓減小,因此,汽車前后壓差減小,所產(chǎn)生的壓差阻力值降低。所以,從渦量場的角度來講,從工況 1到工況 3,領(lǐng)航車輛所受到的氣動阻力逐漸減小。

4 結(jié)論

(1)隊列行駛的領(lǐng)航車輛隨車間距的縮短,阻力值降低。這會比考慮改進單車造型能更有效地減小氣動阻力。

(2)隊列行駛的領(lǐng)航車輛行駛時的阻力系數(shù)減小的原因,從其尾部流場的角度來考慮,主要是由于隨著車間距的減小,尾部的流場在 X方向上拖曳的距離逐漸變短,且尾渦的強度也逐漸變小。

(3)試驗結(jié)果顯示,隊列行駛工況中領(lǐng)航車輛的阻力系數(shù)的最大降幅為41.66%。

(4)對于單車而言,可以考慮增加某種附加裝置來改善尾部氣流,使尾流渦拖曳的距離和強度都減小,從而達到降阻的目的。

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