汽車風(fēng)洞支撐干擾扣除方法研究

張英朝,張 喆,李 杰

(吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130022)

0 引 言

在進(jìn)行汽車風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),支撐裝置暴露在風(fēng)洞流場中,對于風(fēng)洞底部安裝的機(jī)械力分解天平來說,支撐桿受到的力也會(huì)被測量出來,無法一次獲得氣動(dòng)力的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于汽車模型的支撐裝置暴露在流場中,支撐裝置會(huì)對流場有干擾,從而干擾汽車本身的氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這些干擾需要進(jìn)行消除[1-3]。針對吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞存在的支撐干擾問題,應(yīng)用試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法來對支撐干擾力進(jìn)行扣除。

1 支撐干擾扣除方法

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

基于鏡像法的支撐干擾扣除方法需要支撐有較小的擾動(dòng),并且兩個(gè)鏡像支撐之間的距離較遠(yuǎn),兩者的相互干擾盡可能小[1]。對于汽車風(fēng)洞來說,風(fēng)洞試驗(yàn)很難應(yīng)用鏡像法來實(shí)現(xiàn)對于模型支撐干擾扣除。但是借鑒航空風(fēng)洞的鏡像法原理,作者提出了一種扣除風(fēng)洞模型支撐干擾的方法。應(yīng)用風(fēng)洞進(jìn)行兩次試驗(yàn),如圖1所示。在第一次(a)試驗(yàn)時(shí),通過天平獲得包括汽車模型、支撐和兩者干擾在內(nèi)的氣動(dòng)力。在第二次(b)試驗(yàn)時(shí),將汽車模型與汽車模型支撐的連接斷開,同時(shí)使用一種固定支撐方式將汽車模型固定在汽車風(fēng)洞上。固定汽車模型的方式盡量要簡單,并盡可能減小對汽車周圍流場的干擾。該方法因?yàn)楸旧聿粶y量汽車模型的氣動(dòng)力,因此計(jì)算分析時(shí)忽略汽車模型底部的支撐部件對風(fēng)洞支撐的氣動(dòng)力的影響。

圖1 試驗(yàn)方案示意圖Fig.1 Scheme of wind tunnel tests

從上圖中可以分析出,對于(a)試驗(yàn)有

對于(b)試驗(yàn),所測量的氣動(dòng)力為

式中,F為試驗(yàn)測得的氣動(dòng)力,不同的下標(biāo)代表不同氣動(dòng)力。m代表模型;s代表支撐裝置;s.m代表支撐對模型的干擾;m.s代表模型對支撐的干擾。

對上面兩式進(jìn)行分析,即使用Fa-Fb也不能獲得模型的氣動(dòng)力,僅能夠得到模型本身和由于支撐對模型產(chǎn)生的干擾。

對于汽車風(fēng)洞試驗(yàn)來說,汽車模型支撐對于汽車模型本身的氣動(dòng)干擾并不能夠忽略。因此如何確定這部分干擾成為重要內(nèi)容。

從現(xiàn)有試驗(yàn)裝置和設(shè)備以及經(jīng)驗(yàn)來看,還很難從試驗(yàn)方式上實(shí)現(xiàn)支撐對模型干擾的分離,去除支撐對模型的干擾量。為此將通過數(shù)值仿真的方法對該問題進(jìn)行研究。

1.2 數(shù)值仿真

應(yīng)用CFD數(shù)值仿真軟件建立風(fēng)洞的數(shù)字化模型。同樣進(jìn)行兩次試驗(yàn),如圖2所示。在第一次(a)仿真時(shí),通過仿真獲得汽車模型和支撐對汽車模型干擾的氣動(dòng)力。在第二次(b)仿真時(shí),獲得汽車模型的氣動(dòng)力。

圖2 數(shù)值仿真方案示意圖Fig.2 Scheme of numerical simulations

從上圖中可以分析出,對于(a)仿真可以得到：

對于(b)仿真,所獲得的氣動(dòng)力為：

式中,F′為數(shù)值仿真得到的氣動(dòng)力,不同的下標(biāo)代表不同氣動(dòng)力。對上述兩式進(jìn)行分析,使用即可獲得支撐對模型的干擾。

將F′s.m修正后作為Fs.m,這樣就可以通過公式(3)減去Fs.m獲得沒有支撐干擾的模型的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。

2 支撐干擾扣除的實(shí)現(xiàn)

2.1 試驗(yàn)風(fēng)洞介紹

吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞配備有專用的六分量天平測量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)、電子壓力掃描閥等系統(tǒng),天平測量系統(tǒng)包括測力傳感器和模型支撐裝置,傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體精度優(yōu)于0.05%F.S.,確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。風(fēng)泂主要技術(shù)參數(shù)為：

(1)試驗(yàn)段尺寸：8m(長)×4m(寬)×2.2m(高);

(2)最大風(fēng)速：60m/s;

(3)收縮比：5.17;

(4)主電機(jī)功率：1000kW;

(5)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角范圍：±30°。

如圖3所示,吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞。風(fēng)洞的試驗(yàn)段為開式試驗(yàn)段,如圖4所示。采用開式試驗(yàn)段,可以更小的試驗(yàn)段完成更大正投影面積的模型試驗(yàn),能夠降低風(fēng)洞的建設(shè)投資費(fèi)用。

圖3 吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞簡圖Fig.3 Automotive wind tunnel of Jilin University

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鳌L(fēng)洞支撐及風(fēng)洞試驗(yàn)

研究以MIRA模型和SAE模型兩種標(biāo)準(zhǔn)參考汽車模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真研究。根據(jù)這兩種模型的尺寸,選取1∶2比例,制作出的試驗(yàn)用的模型如圖5所示。

針對上述兩種汽車模型,結(jié)合前面所述的吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞支撐氣動(dòng)干擾扣除方法,進(jìn)行兩次與風(fēng)洞支撐有關(guān)的試驗(yàn)：(1)汽車模型和支撐的總氣動(dòng)力試驗(yàn)方案;(2)汽車模型固定在地板上,斷開汽車模型與支撐的連接,單獨(dú)測量支撐氣動(dòng)力的試驗(yàn)方案。

對于模型的第一次試驗(yàn)方案,由于有四個(gè)車輪,所以制作出一種z字形的支撐桿,將支撐桿直接卡在四個(gè)輪子旁邊,輔助一定的膠水粘結(jié),模型可以很穩(wěn)定固定在支撐上,如圖6所示。

圖6 MIRA模型的風(fēng)洞支撐與試驗(yàn)Fig.6 MIRA model support and wind tunnel tests

對于模型的第二次試驗(yàn)方案,因?yàn)橛熊囕?通過車輪將模型固定在移動(dòng)地板上方的細(xì)木工板上,再將細(xì)木工板通過鋼帶固定在風(fēng)洞試驗(yàn)段上,同時(shí)對部分區(qū)域粘貼膠帶,減小大的棱角和突起對流場的干擾。汽車模型同支撐分離,模型整體抬高5mm。汽車風(fēng)洞的支撐保持不變,包括支撐的軸距和高度,具體方式如圖7所示。研究忽略模型抬高對支撐氣動(dòng)力的影響。

由于篇幅限制,僅以MIRA模型的風(fēng)洞試驗(yàn)為例進(jìn)行說明。SAE模型的風(fēng)洞試驗(yàn)過程和MIRA的風(fēng)洞試驗(yàn)類似。

圖7 M IRA模型支撐分離的試驗(yàn)Fig.7 MIRA wind tunnel test model separated with support

2.3 數(shù)字化模型的建立、邊界條件設(shè)置及仿真

數(shù)值仿真的邊界條件設(shè)置會(huì)影響數(shù)值仿真結(jié)果,采用課題組過去常用的邊界條件設(shè)定方法[4],所有計(jì)算求解在ANSYS Fluent 6.3中進(jìn)行,采用Fluent中的邊界條件。具體邊界設(shè)定及參數(shù)為：

(1)噴口處速度：25 m/s、30m/s、35 m/s、40 m/s等多種風(fēng)速,以30 m/s為主;

(2)噴口湍流強(qiáng)度：0.5%;

(3)大氣壓：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

(4)空氣密度：1.225kg/m3;

(5)出口條件：壓力出口,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

(6)湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

根據(jù)吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)和參數(shù),在CAD軟件中建立了吉林大學(xué)風(fēng)洞的數(shù)字化模型,模型包括了從風(fēng)洞穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、集氣口、試驗(yàn)控制室及第一擴(kuò)散段的所有結(jié)構(gòu),如圖8所示。在CFD前處理軟件中完成風(fēng)洞中模型支撐的數(shù)字化建模,如圖9所示。

圖8 吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞的數(shù)字化模型Fig.8 Digital model of automotive wind tunnel of Jilin University

圖9 風(fēng)洞中汽車的數(shù)字化模型Fig.9 Digital model of the support in wind tunnel

支撐零部件多,而且體積小,拐角多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此支撐的網(wǎng)格劃分,是風(fēng)洞網(wǎng)格生成的難點(diǎn)。如何控制網(wǎng)格尺寸,保證網(wǎng)格能夠很好體現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),能夠精確模擬支撐周圍的繞流是關(guān)鍵問題。根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)對不同部件的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行控制,并對支撐結(jié)構(gòu)的尾流區(qū)域進(jìn)行細(xì)化,網(wǎng)格劃分方案如圖10所示。

圖10 支撐表面網(wǎng)格與支撐周圍流場網(wǎng)格Fig.10 Meshes of support and flow field around support

數(shù)值仿真模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?進(jìn)行了MIRA模型4種尾部和SAE模型3種尾部共7款車型的風(fēng)洞試驗(yàn),因此同時(shí)建立了這7種車型的數(shù)字化模型,如圖11和圖12所示。

數(shù)值仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)比較多,這里只選取SAE模型階背式車型有無支撐的表面壓力顯示結(jié)果做一展示,如圖13所示。

3 結(jié)果分析

僅對氣動(dòng)阻力系數(shù)進(jìn)行分析研究。根據(jù)公式(3),將模型支撐和汽車模型各自的氣動(dòng)力及其相互干擾之和減掉支撐的氣動(dòng)力與模型對支撐的干擾就得到了帶有支撐干擾的汽車模型的氣動(dòng)力,即Fm+ Fs.m,將其轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)阻力系數(shù),如表1。數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)值仿真方法獲得有支撐情況下的模型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)的條件是一致的。表1所示,誤差為數(shù)值仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之差對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比值,以百分比表示。所有數(shù)據(jù)都是在風(fēng)速30m/s(相當(dāng)于108km/h)的條件下獲得的。

圖13 數(shù)值仿真汽車模型表面壓力分布Fig.13 Pressure distribution on model body of CFD

表1 帶有支撐干擾的汽車模型氣動(dòng)阻力系數(shù)對比Table 1 Drag coefficients with interference of support

可以看到,所進(jìn)行的研究數(shù)值仿真的精度都在5%左右,并且各種方案的數(shù)值仿真的結(jié)果比較穩(wěn)定,誤差也相對比較接近,可以滿足本次工程研究的需要。

按照上述方法,對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理獲得進(jìn)行支撐修正之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過風(fēng)洞阻塞修正獲得最終風(fēng)洞試驗(yàn)值,將進(jìn)行風(fēng)洞阻塞修正后的試驗(yàn)值同來自其它風(fēng)洞試驗(yàn)[5-6]的目標(biāo)值比較獲得試驗(yàn)的誤差,數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 修正后氣動(dòng)力系數(shù)Table 2 Drag coefficients with correction

風(fēng)洞試驗(yàn)的最終結(jié)果大多數(shù)誤差在±1%以內(nèi),僅有個(gè)別的稍高?？傮w誤差在可接受范圍之內(nèi),風(fēng)洞修正方法能夠滿足工程要求,方法可行。

4 結(jié) 論

根據(jù)研究需要,借鑒航空風(fēng)洞支撐干擾的鏡像法,應(yīng)用兩次風(fēng)洞試驗(yàn)和兩次數(shù)值仿真結(jié)合的方式來修正模型支撐的氣動(dòng)干擾。首先通過兩次風(fēng)洞試驗(yàn),一次獲得汽車模型和支撐各自氣動(dòng)力以及其相互干擾;一次獲得支撐及模型對支撐的氣動(dòng)干擾。兩次數(shù)據(jù)相減獲得帶有支撐干擾的汽車模型阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)行兩次同試驗(yàn)工況類似的數(shù)值仿真,一次進(jìn)行風(fēng)洞中有模型支撐的數(shù)值仿真;一次進(jìn)行風(fēng)洞中無支撐的數(shù)值仿真。提取兩次仿真汽車模型的氣動(dòng)阻力數(shù)據(jù),并相減獲得支撐對汽車模型氣動(dòng)阻力系數(shù)的干擾量。通過對該數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,作為試驗(yàn)時(shí)支撐對汽車模型的干擾量。這樣就獲得修正了模型支撐干擾的汽車模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過扣除了支撐干擾后的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)洞阻塞修正后,試驗(yàn)數(shù)據(jù)同試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪繕?biāo)數(shù)據(jù)接近,試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度能夠滿足工程需要。所研究的風(fēng)洞支撐干擾扣除方法可行。

主要針對汽車風(fēng)洞的氣動(dòng)阻力進(jìn)行了研究,其它氣動(dòng)力數(shù)據(jù)的干擾扣除還有待進(jìn)一步深入探討。

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