袁志群，吉斯?jié)h，谷正氣，劉顯貴，3，許西安

前言

隨著車速的提高，汽車空氣動力學(xué)性能備受重視，風(fēng)洞試驗(yàn)是評估汽車空氣動力學(xué)性能的重要手段。因此，世界各大汽車公司都不惜投入巨資建設(shè)專有的汽車風(fēng)洞，國內(nèi)外高校也投入大量資金建設(shè)和改造現(xiàn)有的風(fēng)洞，在高速試驗(yàn)段加裝天平測力系統(tǒng)和邊界層控制系統(tǒng)，借助先進(jìn)的設(shè)備和科學(xué)的方法開展汽車空氣動力學(xué)性能研究。

從現(xiàn)有研究可知，目前國內(nèi)的高校都投入了大量資金購買先進(jìn)的邊界層控制系統(tǒng)和模型支撐系統(tǒng)，用來建設(shè)汽車風(fēng)洞高速試驗(yàn)段。吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室采用移動帶地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)[1]，其洞體結(jié)構(gòu)為回流開式[2]，帶有寬帶式移動地板和前部垂直抽吸系統(tǒng)，試驗(yàn)段氣流穩(wěn)定，速度梯度小；湖南大學(xué)汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室采用抽吸固定地板的方式消除地板邊界層的影響，根據(jù)抽吸參數(shù)變化對流場的影響，對抽吸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了試驗(yàn)精度[3]，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎盟妮喼蔚男问脚c六分力浮框式應(yīng)變天平連接[4]，設(shè)計制造了一套固定鎖緊裝置，防止模型在試驗(yàn)過程移動，影響測量結(jié)果[5]；同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心是國內(nèi)唯一的全尺寸汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室，試驗(yàn)段也是回流開口式，地面效應(yīng)采用五帶移動路面系統(tǒng)和轉(zhuǎn)盤，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c天平轉(zhuǎn)盤采用輪下連接的固定方式[6]，采用固定模式的錨定方式，試驗(yàn)方案更安全，測量結(jié)果更精確[7]。試驗(yàn)段噴口處加裝了渦流發(fā)生器，使流場品質(zhì)顯著提高[8]。

廈門理工學(xué)院風(fēng)工程試驗(yàn)室于2017年竣工驗(yàn)收，是福建省首座風(fēng)洞試驗(yàn)室，可用于汽車模型風(fēng)洞試驗(yàn)，本文中采用計算機(jī)輔助設(shè)計與分析的方法，在該風(fēng)洞高速試驗(yàn)段設(shè)計了一種經(jīng)濟(jì)簡便、滿足工程精度要求的汽車模型風(fēng)洞試驗(yàn)臺架，建立了某汽車風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)值分析模型，根據(jù)該模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，分析了影響試驗(yàn)精度的關(guān)鍵參數(shù)，并對試驗(yàn)臺架的干擾進(jìn)行了分析與修正。

1 試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)與原理

試驗(yàn)臺架位于風(fēng)洞高速試驗(yàn)段，由底座、地板、動力系統(tǒng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?部分組成，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)

底座與風(fēng)洞地板采用螺栓連接，動力系統(tǒng)安裝在底座的中間立柱上，四周的6根立柱起輔助支撐作用；地板位于底座之上，抬高的地板可以消除地面邊界層的影響。滑輪安裝在底座四周的6根立柱上，地板可繞底座的中心軸旋轉(zhuǎn)，以模擬不同橫擺角的工況；動力系統(tǒng)動力源為交流伺服電機(jī)，通過轉(zhuǎn)化電信號輸出動力和運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的速度和轉(zhuǎn)角控制，滿足設(shè)計功能要求。動力通過立式電機(jī)輸出，經(jīng)過1級斜齒輪減速后傳遞給地板。試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄔ诘匕迳希瑲鈩恿μ炱桨惭b在模型之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氣動力測量。

2 試驗(yàn)臺架數(shù)學(xué)模型的建立

為驗(yàn)證臺架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)精度，利用計算流體動力學(xué)方法建立數(shù)學(xué)分析模型。在三維建模軟件Siemens NX 10.0中，構(gòu)建試驗(yàn)臺架的幾何模型，如圖1所示，保留主體結(jié)構(gòu)，并對局部細(xì)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)簡化；在前處理軟件ICEM-CFD中，采用OCTREE方法對求解域進(jìn)行離散，劃分5層三棱柱網(wǎng)格精確捕捉車身表面附面層，在流動分離區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，共劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格540萬個，計算模型網(wǎng)格如圖2所示，定義該計算模型為模型1。

圖2 模型1計算網(wǎng)格

汽車屬非流線型物體，車身表面曲率變化大，流動分離劇烈，屬于三維不可壓、等溫、定常流場[9-10]。求解計算在大型商業(yè)軟件Fluent中完成，根據(jù)現(xiàn)有研究現(xiàn)狀可知，Realizable k-e湍流模型廣泛應(yīng)用于汽車外流場分析，其計算精度比其它湍流模型更高[11-13]。車身附面層采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解，空間離散格式采用2階迎風(fēng)格式，計算方法運(yùn)用SIMPLE算法，側(cè)風(fēng)的計算方法參見文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]，其它邊界設(shè)置見表1。

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)分析模型的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)臺架支架對汽車流場的干擾影響，另建立汽車外流場分析的常規(guī)模型，建模方法詳見文獻(xiàn)[14]，定義該計算模型為模型2。為使之與模型1和風(fēng)洞試驗(yàn)的地板邊界層數(shù)據(jù)接近，使計算結(jié)果具有可比性，將地板一分為二，如圖3所示。模型2網(wǎng)格劃分和其它邊界條件設(shè)置與模型1完全相同。模型2風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞完成，如圖4所示，流場測量采用粒子圖像測速技術(shù)(PIV)。

表1 邊界條件設(shè)置

圖3 模型2地板邊界條件

圖4 模型2風(fēng)洞試驗(yàn)

3 結(jié)果分析與討論

通過大量的數(shù)值分析得知，臺架地板直徑、臺架高度和臺架形狀是影響模型氣動特性數(shù)據(jù)變化的主要因素，其中臺架地板直徑影響最大，它會影響地板邊界層的速度分布和汽車周圍流場，氣動阻力和氣動升力會隨之改變，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖12所示，圖中L為車長。

圖5為模型1在橫擺角為0°、風(fēng)速為30m/s工況下氣動力系數(shù)隨地板直徑變化的關(guān)系曲線。由圖5可見，隨著地板直徑的增加，氣動阻力系數(shù)先減小后稍有增加，而氣動升力系數(shù)則一直呈增加趨勢，但變化越來越緩慢。地板直徑較小時，地板前緣的氣流分離和再附著、地板后緣的氣流分離對汽車近地面流場產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。地板前緣的再附著氣流使接近汽車前端的氣流速度方向發(fā)生改變，不再是水平來流方向，而是與水平線成一定夾角，如圖6中箭頭所示。地板直徑越小，夾角越大。夾角增大時，X軸方向氣流速度減小，氣動阻力減小，Z軸方向氣流速度增加，氣動升力增加。圖7和圖8分別為模型1縱對稱面的車身表面壓力云圖和車底速度。由圖可見，當(dāng)?shù)匕逯睆捷^大時，汽車底部邊界層增厚，車底氣流阻塞效應(yīng)增強(qiáng)，車底流速減小，壓力升高，因此氣動阻力和氣動升力都會增加。

圖5 氣動力系數(shù)隨地板直徑變化關(guān)系

圖6 模型1縱對稱面流線圖

由圖8可見:當(dāng)來流遇到臺架地板時，由于地板前緣的影響，氣流在此處加速，并改變運(yùn)動方向，速度會出現(xiàn)第一個峰值；當(dāng)氣流遇到車頭時，由于車頭的阻滯作用，速度急劇下降，在車頭位置降到最低，然后氣流在車頭下緣加速，出現(xiàn)另一個速度峰值；由于汽車底部的阻塞效應(yīng)和黏性的影響，車底氣流速度逐漸減小。地板直徑越大，車身底部同樣位置的邊界層越厚，速度越低，當(dāng)?shù)匕逯睆綇?.8L增加到2.8L時，車底平均速度降低了6.2%。

圖7 模型1縱對稱面和車身壓力云圖

圖8 模型1縱對稱面車底速度分布

圖9 模型1尾部湍流動能云圖

圖9 為不同地板直徑下距離車尾0.55m處湍流動能分布云圖。由圖可見:當(dāng)?shù)匕逯睆捷^小時，臺架支架的尾流將會嚴(yán)重影響汽車尾部氣流，汽車尾渦與臺架尾渦相互作用。從圖6也可明顯看出車尾氣流的相互干涉，這些現(xiàn)象都會改變汽車尾部流場，進(jìn)而導(dǎo)致氣動力的變化。

通過以上分析可知，地板直徑大小的變化會影響汽車前端氣流方向、車底流速分布和尾渦形態(tài)。結(jié)合圖5數(shù)據(jù)分析可知，存在一個合理的地板直徑，風(fēng)洞臺架對模型周圍流場干擾最小，汽車周圍流場與實(shí)際情況相符，氣動力系數(shù)接近實(shí)際值。以模型2風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照，當(dāng)?shù)匕逯睆郊s為2.45m(2.6L)時，氣動力系數(shù)計算值與風(fēng)洞試驗(yàn)值偏差最小，如表2所示。

表2 氣動力系數(shù)結(jié)果對比

誤差產(chǎn)生的原因主要包括兩方面:一方面是由于數(shù)值計算本身帶來的誤差，包括模型一致性、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置等，這些誤差不可避免，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)可知，該部分誤差可控制在5%以內(nèi)[14]；另一方面是臺架支架的干擾，雖然某一尺寸的地板直徑能將誤差控制到最低，但或多或少都會影響汽車近地面的流場。為研究支架干擾產(chǎn)生的誤差量，對比了模型1和模型2數(shù)值計算結(jié)果，如圖10和圖11所示。

圖10 氣動力系數(shù)隨風(fēng)速變化關(guān)系

圖11 氣動力系數(shù)隨橫擺角變化關(guān)系

圖10 為橫擺角為0°時，模型1和模型2的氣動力系數(shù)隨風(fēng)速而變化的關(guān)系，模型1臺架地板直徑取2.6L。由圖10可見，模型1和模型2氣動力系數(shù)變化趨勢相同，且都比較穩(wěn)定。隨著風(fēng)速的升高，氣動力系數(shù)稍有降低。只是由于支架對流場的干擾影響，模型1氣動力系數(shù)均高于模型2。通過對比模型2的計算分析結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，兩者比較接近，以試驗(yàn)值為基準(zhǔn)，氣動阻力系數(shù)平均計算誤差為3.1%，氣動升力系數(shù)平均計算誤差為4.8%，證明了本文數(shù)值計算方法可行，結(jié)果可信。

圖11為風(fēng)速為30m/s時模型1和模型2的氣動力系數(shù)隨橫擺角而變化的關(guān)系。由圖可見，氣動力系數(shù)隨著橫擺角的增加而增加，氣動側(cè)向力系數(shù)增加明顯，其次為氣動升力，而氣動阻力變化比較平緩，與前人的研究結(jié)論吻合[16-17]。另外，由于支架的影響，模型1的氣動力系數(shù)均高于模型2，且差值隨著橫擺角的增加而增大。當(dāng)橫擺角為15°時，支架的干擾使氣動阻力系數(shù)增大了0.014，即4.2%，使氣動側(cè)力增大了0.029，即3.9%，使氣動升力增大了0.024 6，即9.7%。從百分比看，支架干擾對氣動升力影響較大，對氣動阻力和氣動側(cè)力的影響較小。這也與上面分析的結(jié)論吻合，因?yàn)榕_架的干擾會影響汽車前端流場和邊界層分布，是引起升力變化的主要原因。通過對比分析模型1和模型2的氣動力數(shù)據(jù)，可為臺架的干擾修正提供理論依據(jù)。

雖然臺架會對流場產(chǎn)生干擾，使氣動力數(shù)據(jù)不同程度增加，但合適的臺架地板直徑可使干擾量降到最低，氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)誤差在8%以內(nèi)，說明該風(fēng)洞臺架的氣動力試驗(yàn)精度較好，能滿足工程實(shí)際的要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)洞臺架的試驗(yàn)精度，接下來將從流場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖12～圖14所示。

圖12 縱對稱面速度云圖和流線圖(β＝0°)

圖12 為模型1和模型2縱對稱面速度云圖和流線圖。由圖可見，車尾存在兩個旋向相反的橢圓形尾渦，順時針渦A是由尾部行李箱的上緣氣流拖曳形成，逆時針渦B是由車底部氣流翻卷至尾流中形成，且渦A的尺寸比渦B大，占據(jù)尾渦空間的主要部分。兩個模型的氣動數(shù)據(jù)計算結(jié)果比較接近，車頭和車尾速度分布與氣流流向、尾渦形態(tài)與位置都非常相似，但在車底氣流速度分布存在一定的差別。對模型2車尾主渦A進(jìn)行PIV測量，結(jié)果如圖13所示。由圖可見，主渦A的形態(tài)、渦核的位置計算準(zhǔn)確，局部區(qū)域速度大小存在一定差別，進(jìn)一步證明了風(fēng)洞臺架流場干擾小，試驗(yàn)精度高。

圖13 模型2車尾主渦A風(fēng)洞試驗(yàn)測量值(β＝0°)

圖14 給出了模型1和模型2在橫擺角為0°、風(fēng)速為30m/s時，縱對稱面車身上表面壓力系數(shù)分布。從圖可見，壓力系數(shù)大小、分布形態(tài)基本相同，說明臺架對車身上表面流場干擾較小。

圖15為模型1和模型2在橫擺角為15°、風(fēng)速為30m/s時車身迎風(fēng)側(cè)壓力云圖。從圖可見，壓力大小、正壓和負(fù)壓分布區(qū)域及壓力變化基本一致。

圖14 縱對稱面車身上表面壓力系數(shù)分布(β＝0°)

圖15 車身迎風(fēng)側(cè)壓力云圖(β＝15°)

通過對比模型1和模型2的各主要?dú)鈩犹匦詳?shù)據(jù)可知，當(dāng)試驗(yàn)臺架地板具有合適的直徑時，可將支架干擾量降到最低，汽車模型氣動力試驗(yàn)誤差最小，流場測量數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果接近。

4 結(jié)論

本文中設(shè)計了一種簡易的汽車模型風(fēng)洞試驗(yàn)臺架，利用計算流體動力學(xué)方法建立了其數(shù)學(xué)模型，總結(jié)了影響該裝置試驗(yàn)精度的關(guān)鍵參數(shù)，分析了其影響規(guī)律，得到了該模型在不同風(fēng)速、不同橫擺角下的氣動力數(shù)據(jù)，并與常規(guī)數(shù)學(xué)模型建模方法得到的數(shù)據(jù)和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，得出以下結(jié)論。

(1)臺架地板直徑是影響試驗(yàn)精度的重要參數(shù)。氣動阻力隨著直徑的增加先減小后增加，氣動升力隨著直徑的增加而增大；地板直徑較小時，主要影響車身前端氣流和尾渦形態(tài)，地板直徑較大時，主要影響地板附面層。

(2)試驗(yàn)臺架支架干擾不可忽略。對氣動升力影響較大，對氣動阻力和氣動側(cè)力的影響較小。當(dāng)橫擺角為15°時，臺架支架的干擾使氣動阻力增大4.2%，氣動側(cè)力增大 3.9%，而使氣動升力增大9.7%。

(3)臺架裝置的試驗(yàn)精度較好。當(dāng)?shù)匕逯睆綖?.6L時，支架干擾量最小，氣動阻力計算精度為6.7%，氣動升力計算精度為7.5%，且車身流場與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果接近，試驗(yàn)精度達(dá)到工程要求。

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