擴散角對汽車風洞擴散段流動的影響

楊志剛,周曉利 ,李啟良 ,賈 青

(同濟大學上海地面交通工具風洞中心,上海 201804)

0 引 言

整車風洞是汽車空氣動力學試驗研究不可缺少的試驗設施。為了滿足中國汽車工業(yè)的需要,包括全尺寸氣動-聲學風洞和熱環(huán)境風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]。擴散段是汽車風洞的一個關鍵部件,位于試驗段下游,將來自試驗段氣流逐漸減速,使氣流的動能轉化為勢能,減少氣流在下游各管段的壓力損失,降低風洞所需的功率。擴散段流動是一種復雜的流動,在滿足擴散段進出口面積比條件下,進口截面速度不均勻度和擴散角對擴散段流動特性有很大的影響。研究它們對汽車風洞擴散段流動的影響,不僅可以深入了解擴散段的流動狀態(tài),而且有利于指導汽車風洞擴散段的設計。

擴散段的流動形態(tài)在過去的一段時間里進行了相關的試驗和數(shù)值研究。C.U.Buice et al[2]從試驗角度研究了均勻來流下,矩形截面對稱擴散段的流動特性。P.A.Durbin[3]使用v2f湍流模型對均勻來流下,2D擴散段進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),使用該模型能夠得到與試驗相一致的結果。過去的研究描述了均勻來流下,擴散段的流動形態(tài)。然而,非均勻來流下的擴散段流動形態(tài)仍未涉及。傳統(tǒng)航空風洞多數(shù)為閉口式風洞,風洞試驗段的出口速度相當均勻。對于試驗段下游的擴散段的設計,往往采用基于均勻來流條件下得到的經(jīng)驗公式和圖表[4]。然而,汽車風洞通常采用開口式風洞,噴口與收集口截面不同,試驗段的出口速度不均勻,如果仍采用傳統(tǒng)的設計,可能會帶來嚴重的偏差,增加風洞設計風險。

為此,首先針對模型風洞擴散段流動形態(tài)展開數(shù)值與試驗研究,然后使用數(shù)值方法對一系列擴散角的擴散段流動進行模擬,以求在更接近擴散段真實運行條件下尋找到壓力損失因數(shù)與擴散角的關系,為汽車風洞擴散段的設計提供指導。

1 試驗與數(shù)值模擬方法

1.1 試驗方法

為了研究汽車風洞空氣動力學性能,建設1∶15的模型風洞,如圖1所示。模型風洞速度由電機控制,其最大出口風速為45m/s?？紤]到模型風洞運行和傳感器量程等因素,選取35m/s的出口風速進行試驗。試驗使用皮托管對收集口進口和擴散段出口截面進行多點壓力測量,通過總壓和靜壓換算得到測試截面速度分布。收集口進口的速度分布的試驗結果主要用來驗證擴散段計算給定進口邊界條件的合理性,距擴散段出口約210mm處的速度分布的試驗結果,則主要用于評估計算得到擴散段流場的正確與否。

圖1 模型風洞示意圖Fig.1 Schematic of model wind tunnel

盡管15°的收集口角度所對應試驗段流場質量較好[5],但是出于以往研究均將收集口角度為0°作為基礎狀態(tài),故在試驗與數(shù)值模擬中均對收集口角度為0°時擴散段的流動形態(tài)進行分析。計算區(qū)域進口的兩種非均勻來流主要通過在試驗段天平位置是否放置車模來實現(xiàn)。

1.2 數(shù)值模擬方法

在數(shù)值模擬中,僅選取模型風洞的一部分。整個計算區(qū)域由收集口、擴散段以及為了防止回流而添加的延伸段組成,如圖2所示。之所以在擴散段后面直接添加延伸段而不是連接拐角1,是因為兩者對擴散段內(nèi)流動形態(tài)和總壓損失影響不大。計算區(qū)域內(nèi)的流場使用商業(yè)軟件Gambit進行網(wǎng)格劃分?？紤]到v2f湍流模型對壁面網(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。整個計算區(qū)域均創(chuàng)建能有效減少數(shù)值擴散、提高求解精度的六面體網(wǎng)格,其網(wǎng)格總數(shù)約為222萬個。其它擴散角下的網(wǎng)格創(chuàng)建方式與此相同,由于擴散角越大,擴散段對應的表面積越小,因而由此導致最終生成的體網(wǎng)格數(shù)目減少,在計算的所有擴散段中,網(wǎng)格總數(shù)處于108～222萬個。

圖2 計算區(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散角下擴散段的湍流場求解。v2f湍流模型在標準k-e湍流模型基礎上,考慮垂直于流線方向的速度脈動,采用可以代表近壁面湍流輸運方程中阻尼的合適尺度的速度尺度v2方程,同時在近壁面處理上利用橢圓松馳法構造 f函數(shù)[3]。v2f湍流模型解決了壁面附近湍流的各項異性問題,可以準確地模擬邊界層的分離、再附、或以分離為主的流場[6]。

圖3 計算域進口速度分布(試驗段無車)Fig.3 Velocity distribution of computational domain inlet(test section without car)

計算區(qū)域的進口使用非均勻速度分布,如圖3所示。該速度分布是通過對整個模型風洞進行計算得到的,并且該速度分布得到了試驗驗證[7]。從圖3可以看出,計算區(qū)域的進口速度分布非常不均勻,計算得到的速度不均勻度可達50.5%。這將是汽車風洞與航空風洞的最大區(qū)別之一。因為對于航空風洞擴散段的進口速度分布相當均勻,但汽車風洞擴散段進口卻是如此不均勻。計算區(qū)域的出口使用壓力出口,收集口和擴散段壁面采用無滑移條件,延伸段采用無粘壁面條件。計算首先采用較為穩(wěn)定的1階迎風格式,幾百次乃至上千次迭代后,選用精度較高的2階迎風格式,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,則認為計算收斂。

2 結果分析與討論

2.1 數(shù)值結果與試驗結果對比

在圖2給出的測試截面中,原點位于截面中心,高度方向上布置8排,每排有11個測點。圖4僅給出出口速度為35m/s、高度方向z=-35mm的兩種非均勻來流下擴散段的無量綱速度分布。從圖中的試驗結果可以看出,擴散段從兩側無量綱速度約0.6增加到中心無量綱速度約1.3,且呈現(xiàn)出對稱分布。應該指出的是,圖4的u進指的是擴散段進口的平均速度,觀察圖3給出的速度分布可以判斷出擴散段內(nèi)無量綱速度分布可以超過1.0。受出口射流的影響,即使到了擴散段入口截面,軸心速度降低較少。從圖4試驗給出的速度分布可以反映出,擴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口的33.9%降低到出口的26.9%,但它并沒有完全消除出口射流影響。從兩種非均勻來流下的數(shù)值與試驗結果可以看出,不僅它們變化趨勢一致,而且大多數(shù)測點上的速度值也基本相同。計算兩者平均速度發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬得到的速度為13.4m/s,試驗測量得到的速度為13.7m/s,誤差約為2.2%?？梢?數(shù)值模擬能真實反映擴散段流場的分布。

2.2 總壓損失因數(shù)

總壓損失因數(shù)是評價風洞擴散段氣動性能的主要參數(shù),其定義如式(1)所示。

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

2.2.1 來流速度不均勻度

為了考察來流速度不均勻度對擴散段總壓損失的影響,選取模型風洞擴散段在各種工況下的計算結果進行對比,如表1所示。從表中可以看出,隨著來流的速度不均勻度增加,擴散段總壓損失因數(shù)不斷增加,且增幅較大。試驗段中無車對應擴散段總壓損失因數(shù)約為均勻來流時的5.2倍,可見在風洞擴散段設計時,僅依賴均勻來流得到的結果來設計,往往出現(xiàn)嚴重的偏差。比較兩種非均勻來流工況下,擴散段總壓損失因數(shù)發(fā)現(xiàn),由于速度不均勻度的減少,相同擴散角下,有車對應擴散段總壓損失因數(shù)比無車要小。

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

圖4 擴散段無量綱速度分布Fig.4 Dimensionless velocity distribution of diffuser

2.2.2 擴散角

兩種非均勻來流工況下,擴散段總壓損失因數(shù)與擴散角的變化,如圖5所示。從圖中可以看出,隨著擴散角的增加,擴散段總壓損失因數(shù)先減少后增加,呈現(xiàn)出V型的變化趨勢。當來流處于試驗段有車工況時,擴散段總壓損失因數(shù)最小值對應擴散角為13.0°。當來流處于試驗段無車工況時,擴散段總壓損失因數(shù)最小值對應擴散角為14.5°。

擴散段的總壓損失由壁面摩擦損失和流動分離損失組成。對照圖5無車曲線可知,當擴散角從3.8°到14.5°,壁面摩擦損失由于擴散角增加導致壁面面積減少而不斷減少,流動分離損失由于擴散角增加而不斷增加。然而,從該曲線變化趨勢可知壁面摩擦損失減少起決定性作用。當擴散角大于14.5°,流動分離損失增加起決定性作用。圖6顯示試驗段無車時兩種擴散角下擴散段分離情況。由于擴散段進口速度非均勻分布,即使擴散段處于較小的擴散角,較小的逆壓梯度也會使擴散段頂部和側壁交界處出現(xiàn)流動分離。流動分離隨著擴散角增加而急劇增大。當擴散角為14.5°時,在擴散段的四個壁面交界處出現(xiàn)不同程度的流動分離,其中頂部分離較大,底部分離較小。這顯然是由于進口速度分布導致的?？梢?隨著擴散角增加,分離加劇,由流動分離帶來損失不斷增加。至于試驗段有車時,擴散段流動分離情況與此類似,不予敘述。

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

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

3 結論與展望

模型風洞擴散段出口速度分布的數(shù)值模擬與實驗結果相吻合表明,v2f湍流模型不僅可以較好模擬均勻來流下擴散段流動,而且可以較真實反映出非均勻來流下擴散段流動情況。

來流速度分布影響著擴散段總壓損失,來流速度不均勻度越大,擴散段總壓損失越大。試驗段無車時,擴散段總壓損失因數(shù)是均勻來流時的5.2倍。風洞擴散段設計使用均勻來流得到的經(jīng)驗公式或圖表將會帶來較大偏差。

對于擴散段,總存在一個最優(yōu)擴散角,其也受來流速度不均勻度影響。來流速度不均勻度越大,最佳擴散角越大。

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