李啟良，楊志剛，陳 力

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

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2015016

汽車(chē)氣動(dòng)升力風(fēng)洞試驗(yàn)值的修正方法*

李啟良，楊志剛，陳 力

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

分別采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，研究汽車(chē)風(fēng)洞移動(dòng)帶產(chǎn)生的附加升力，獲得前后輪移動(dòng)帶靜壓系數(shù)和附加升力系數(shù)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果。接著通過(guò)對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)工況移動(dòng)帶靜壓系數(shù)變化的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由靜止工況變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)工況后，前輪帶的附加升力系數(shù)僅增加0.004，而后輪帶增加0.008。結(jié)合靜止工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和靜止與運(yùn)動(dòng)工況的數(shù)值模擬結(jié)果，給出了運(yùn)動(dòng)工況汽車(chē)風(fēng)洞氣動(dòng)升力系數(shù)的修正公式，從而可獲得被測(cè)車(chē)輛的真實(shí)升力系數(shù)。

汽車(chē)風(fēng)洞；移動(dòng)帶系統(tǒng)；數(shù)值模擬；升力修正

前言

氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力分別影響著汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。準(zhǔn)確獲得汽車(chē)的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力對(duì)汽車(chē)研發(fā)有著重要意義，為此國(guó)外各汽車(chē)企業(yè)花費(fèi)大量人力物力建設(shè)汽車(chē)整車(chē)風(fēng)洞[1-2]。為了有效模擬汽車(chē)在道路的運(yùn)行工況，近年建設(shè)的整車(chē)風(fēng)洞都配備地面移動(dòng)系統(tǒng)。由1條中央移動(dòng)帶和4條處于車(chē)輪的小移動(dòng)帶組成的5帶地面移動(dòng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用[3-4]。

地面移動(dòng)系統(tǒng)能夠有效消除地面邊界層對(duì)氣動(dòng)力測(cè)量的影響，從而真實(shí)再現(xiàn)汽車(chē)在道路上的運(yùn)行情況。然而由于天平的某些測(cè)力傳感器位于車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)單元下，小移動(dòng)帶的運(yùn)轉(zhuǎn)使自身上下產(chǎn)生壓力差，從而使天平測(cè)量得到的升力為被測(cè)車(chē)輛升力和移動(dòng)帶附加升力之和。為此有必要獲得移動(dòng)帶附加升力的大小，從而對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)升力測(cè)量值進(jìn)行修正，獲得真實(shí)的被測(cè)車(chē)輛的升力。應(yīng)該指出的是，國(guó)內(nèi)在這方面研究幾乎屬于空白，找不到相關(guān)研究成果，其主要原因是國(guó)內(nèi)之前尚未有汽車(chē)整車(chē)風(fēng)洞。

本文中將風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析靜止工況下小移動(dòng)帶的附加升力，獲得該工況的氣動(dòng)升力修正公式，利用數(shù)值模擬開(kāi)展運(yùn)動(dòng)工況下的移動(dòng)帶附加升力研究，獲得運(yùn)動(dòng)工況的氣動(dòng)升力修正式。由于無(wú)法通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到運(yùn)動(dòng)工況下移動(dòng)帶附加升力，因此只能利用數(shù)值模擬在靜止與運(yùn)動(dòng)工況的差異來(lái)給出運(yùn)動(dòng)工況的氣動(dòng)升力的修正式。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

利用上海地面交通工具風(fēng)洞中心的氣動(dòng)-聲學(xué)整車(chē)風(fēng)洞，開(kāi)展車(chē)輪靜止工況的氣動(dòng)升力測(cè)量。42個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)布置在車(chē)輪四周的小移動(dòng)帶上方，如圖1所示。

整車(chē)質(zhì)量分布通常前重后輕，為此前后輪的接觸面積有所不同。如圖2所示的輪胎紋影清楚表明，前輪接觸面積大，后輪小，且內(nèi)側(cè)大，外側(cè)小。盡管前后輪均布置42個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，但是所對(duì)應(yīng)的面積并不相同。利用面積平均來(lái)計(jì)算前后平均壓力是比較合理的，如式(1)所示。由于小移動(dòng)帶下方位于大氣環(huán)境中，因?yàn)樾∫苿?dòng)帶的附加升力為被測(cè)平均壓力。

(1)

式中：ΔCL為移動(dòng)帶產(chǎn)生的附加升力系數(shù)；pi和Si分別為測(cè)點(diǎn)的靜壓和面積，Pa和m2；ρ為空氣密度，試驗(yàn)時(shí)的空氣密度ρ=1.2kg/m3；v∞為來(lái)流速度，m/s；S為迎風(fēng)面積，m2。

試驗(yàn)車(chē)輛選用上汽某三廂轎車(chē)，如圖3所示。開(kāi)啟邊界層抽吸系統(tǒng)和中央移動(dòng)帶，分別測(cè)量車(chē)速為80、110和140km/h時(shí)小移動(dòng)帶的壓力和天平感受的氣動(dòng)升力。

1.2 數(shù)值模擬

創(chuàng)建包括5帶系統(tǒng)的數(shù)值風(fēng)洞。將被測(cè)車(chē)型固定在數(shù)值風(fēng)洞中，前后輪與小移動(dòng)帶相接觸。汽車(chē)表面網(wǎng)格尺寸控制在20～30mm之間。發(fā)動(dòng)機(jī)艙的風(fēng)扇、冷凝器等關(guān)鍵部件的面網(wǎng)格尺寸控制在5mm左右。為了更好模擬地面和車(chē)身邊界層，在它們表面創(chuàng)建邊界層網(wǎng)格。第1層網(wǎng)格厚度為1mm，增長(zhǎng)率為1.2，共計(jì)4層。計(jì)算域尺寸為7倍車(chē)長(zhǎng)、5倍車(chē)寬和4倍車(chē)高。在靠近車(chē)輛區(qū)域采用了幾何適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格，而在遠(yuǎn)離車(chē)輛的流場(chǎng)采用了六面體網(wǎng)格。四面體和六面體網(wǎng)格區(qū)域之間用金字塔型網(wǎng)格連接。網(wǎng)格總數(shù)為1 600萬(wàn)。圖4給出中截面網(wǎng)格示意圖。

冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型，并根據(jù)風(fēng)室試驗(yàn)獲得的風(fēng)阻和速度曲線(xiàn)設(shè)置多孔介質(zhì)模型。給定與試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，使用Realizablek-ε雙方程湍流模型和非平衡壁面函數(shù)[5]對(duì)湍流場(chǎng)進(jìn)行模擬。首先進(jìn)行1階精度計(jì)算，當(dāng)殘差收斂至10-4后繼續(xù)進(jìn)行2階精度計(jì)算，直到殘差收斂至10-5數(shù)量級(jí)，且監(jiān)控升力和某點(diǎn)壓力數(shù)值基本不隨迭代發(fā)生改變時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比

為了更好地比較不同風(fēng)速的數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)測(cè)點(diǎn)壓力進(jìn)行無(wú)量綱處理，定義靜壓系數(shù)Cpi為

Cpi=(pi-p

(2)

式中：pi和p∞分別為測(cè)點(diǎn)靜壓和參考靜壓，Pa；i為測(cè)點(diǎn)序號(hào)；v∞為來(lái)流速度，m/s。

當(dāng)測(cè)點(diǎn)靜壓系數(shù)Cp>0時(shí)，該處的氣流對(duì)于移動(dòng)帶產(chǎn)生的是方向向下的下壓力，當(dāng)Cp<0時(shí)，氣流對(duì)于移動(dòng)帶有向上吸附的作用使移動(dòng)帶所受的是方向向上的升力。值得指出的是，無(wú)論是試驗(yàn)還是數(shù)值模擬結(jié)果都表明，左右兩側(cè)基本對(duì)稱(chēng)，不同風(fēng)速對(duì)靜壓系數(shù)影響不大，為此僅給出風(fēng)速為80km/h時(shí)左側(cè)的靜壓系數(shù)。觀(guān)察圖5所示的靜壓系數(shù)測(cè)量結(jié)果可以看到，除前后輪迎風(fēng)處的測(cè)點(diǎn)22、23、26和27的Cp>0外，其它測(cè)點(diǎn)的Cp<0。由于后輪處于前輪的尾渦中，后輪移動(dòng)帶表面的靜壓系數(shù)較前輪移動(dòng)帶表面要小，由此導(dǎo)致后輪處移動(dòng)帶的附加升力相對(duì)于前輪處移動(dòng)帶小。前輪處移動(dòng)帶表面Cp的正負(fù)峰值分別約為0.70和-0.70，后輪處移動(dòng)帶表面Cp的正負(fù)峰值分別約為0.15和-0.30。

對(duì)比前后輪靜壓系數(shù)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果可以看到，兩者變化趨勢(shì)相同，且大多數(shù)測(cè)點(diǎn)數(shù)值差異較小。當(dāng)然也存在個(gè)別測(cè)點(diǎn)差異較大?？傮w來(lái)講，數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的精度，可以應(yīng)用相同的數(shù)值方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)工況的模擬。

利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)獲得的測(cè)點(diǎn)靜壓系數(shù)，通過(guò)式(1)可以算得移動(dòng)帶產(chǎn)生的附加升力系數(shù)值，如表1所示。從表中可以看出，試驗(yàn)獲得前輪移動(dòng)帶的附加升力系數(shù)為0.020，后輪為0.010，大小僅為前輪的1/2。數(shù)值模擬獲得前輪和后輪的附加升力系數(shù)分別為0.028和0.012。它們都不隨風(fēng)速的改變而改變。值得指出的是，前輪移動(dòng)帶的附加升力系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果差異稍大，后輪差異較小。

表1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬所得的升力系數(shù)

2.2 運(yùn)動(dòng)工況數(shù)值模擬結(jié)果

圖6給出了移動(dòng)帶靜止與運(yùn)動(dòng)工況下測(cè)點(diǎn)Cp的對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：移動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)后對(duì)于前輪影響較小，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的靜壓系數(shù)并無(wú)明顯變化，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的靜壓系數(shù)有明顯降低，如測(cè)點(diǎn)28～31和測(cè)點(diǎn)34～40；后輪移動(dòng)帶在運(yùn)動(dòng)工況的靜壓系數(shù)明顯小于靜止工況，除個(gè)別幾個(gè)測(cè)點(diǎn)靜壓系數(shù)無(wú)明顯變化外，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都有不同程度的降低，但這些測(cè)點(diǎn)在靜止和運(yùn)動(dòng)工況的變化趨勢(shì)大致相同。

表2給出靜止和運(yùn)動(dòng)工況下，通過(guò)數(shù)值模擬得到的移動(dòng)帶附加升力系數(shù)。從表中看出：移動(dòng)帶的運(yùn)動(dòng)使前輪移動(dòng)帶的附加升力系數(shù)增加0.004，后輪移動(dòng)帶的附加升力系數(shù)約增加0.008。顯然后輪增幅遠(yuǎn)大于前輪。風(fēng)速的變化并不改變前后輪移動(dòng)帶的附加升力系數(shù)。

表2 靜止和運(yùn)動(dòng)工況移動(dòng)帶的附加升力系數(shù)

2.3 升力系數(shù)修正

被測(cè)車(chē)輛的升力應(yīng)該在天平測(cè)得升力數(shù)值中減去移動(dòng)帶產(chǎn)生的附加升力。

根據(jù)表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得車(chē)輪靜止時(shí)氣動(dòng)升力系數(shù)修正關(guān)系為

CLF=CLF實(shí)測(cè)-0.020

CLR=CLR實(shí)測(cè)-0.010

CL=CL實(shí)測(cè)-0.030

(3)

在式(3)修正關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬得到靜止和運(yùn)動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的附加氣動(dòng)升力系數(shù)的差異(見(jiàn)表2)，可獲得車(chē)輪運(yùn)動(dòng)時(shí)氣動(dòng)升力系數(shù)修正關(guān)系為

CLF=CLF實(shí)測(cè)-0.024

CLR=CLR實(shí)測(cè)-0.018

CL=CL實(shí)測(cè)-0.042

(4)

應(yīng)該指出的是，不同汽車(chē)風(fēng)洞和不同的車(chē)型可能由于使用移動(dòng)帶系統(tǒng)大小和輪胎尺寸不一，附加升力系數(shù)的具體數(shù)值可能有所差異。但均可參考本文的方法來(lái)獲得。

3 結(jié)論

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量靜止工況下前后輪靜壓系數(shù)，得到前輪移動(dòng)帶產(chǎn)生的附加升力系數(shù)為0.020，后輪為0.010。

數(shù)值模擬靜止工況和運(yùn)動(dòng)工況下前后輪靜壓系數(shù)，發(fā)現(xiàn)靜止工況下，測(cè)點(diǎn)靜壓系數(shù)的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢(shì)上一致。與靜止工況相比，移動(dòng)帶的運(yùn)動(dòng)對(duì)于后輪移動(dòng)帶的影響較大，前輪影響較小。表現(xiàn)在數(shù)值差異為前輪附加升力系數(shù)增加了0.004，后輪增加0.008。

利用文中得到的汽車(chē)風(fēng)洞氣動(dòng)升力修正關(guān)系可以對(duì)天平測(cè)得的氣動(dòng)升力系數(shù)進(jìn)行修正，從而得到被測(cè)車(chē)輛真實(shí)的氣動(dòng)升力值。當(dāng)然，即使在相同風(fēng)洞測(cè)量不同類(lèi)別的車(chē)型時(shí)，獲得移動(dòng)帶附加升力系數(shù)也可能有所不同，但仍可通過(guò)本文方法獲得。

[1]WalterJA,DuellEG,MartindaleWR,etal.TheDaimlerchryslerFull-scaleAerodynamicNoiseWindTunnel[C].SAEPaper2003-01-0426.

[2]EdwardD,AmirK,SamM,etal.TheBMWAVZWindtunnelCenter[C].SAEPaper2010-01-0118.

[3]WiedemannJ,PotthoffJ.TheNew5-beltRoadSimulationSystemoftheIVKWindTunnel-DesignandFirstResults[C].SAEPaper2003-01-0429.

[4]CogottiA.TheNewMovingGroundSystemofthePininfarinaWindTunnel[C].SAEPaper2007-01-1044.

[5]ShihTH,LiouWW,etal.ANewk-εEddyViscosityModelforHighReynoldsNumberTurbulentFlows:ModelDevelopmentandValidation[J].ComputersandFluids,1995,24(3):227-238.

Correction Method for the Wind Tunnel Test Value of Vehicle Aerodynamic Lift

Li Qiliang, Yang Zhigang & Chen Li

TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804

Both numerical simulation and wind tunnel test are conducted to study the additional lift generated by moving belts in automotive wind tunnel with the simulation and test results obtained in terms of the static pressure coefficients and lift coefficients of front and rear belts. It is found by the numerical simulation on the change in the static pressure coefficients of moving belts between stationary and moving conditions that the additional lift coefficient of front belt in moving condition is only 0.004 larger than that in static condition while it is 0.008 larger for rear belt. By combining the test data in stationary condition with the numerical simulation results in both stationary and moving conditions, the correction formulae for the aerodynamic lift coefficients of automotive wind tunnel in moving condition are given and hence the real lift coefficient of tested vehicle can be obtained.

automotive wind tunnel; moving belt system; numerical simulation; lift correction

*同濟(jì)大學(xué)青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)行動(dòng)計(jì)劃(2013KJ037)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(11302153)、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711203)和上海市地面交通工具風(fēng)洞專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)(14DZ2291400)資助。

原稿收到日期為2013年6月5日，修改稿收到日期為2013年7月22日。