移動帶系統(tǒng)升力實驗與數(shù)值研究

楊志剛，丁 寧，李啟良，龐加斌

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

近些年研究表明，汽車所受到的空氣阻力，大部分來自于汽車底部和輪胎部分［1］.因此，在實驗過程中，如何正確模擬汽車底部的流場就顯得尤為關(guān)鍵.所以，越來越多的汽車風(fēng)洞安裝地面模擬系統(tǒng)，其中應(yīng)用較為廣泛的是五帶地面模擬系統(tǒng)［2－6］.它由一條中央移動帶和四條處于輪胎位置的小移動帶組成.通過轉(zhuǎn)動單元帶動皮帶，使其移動速度與來流速度一致，這樣就真實再現(xiàn)了路面上汽車與空氣和路面間的相對運動情況，同時移動帶的運動也控制了邊界層在被測車輛位置處的發(fā)展［7］.

但凡是實驗設(shè)備都會帶來系統(tǒng)誤差.移動帶的運轉(zhuǎn)使得周圍的流場發(fā)生變化，在移動帶附近產(chǎn)生壓力差，從而導(dǎo)致移動帶產(chǎn)生升力.在風(fēng)洞實驗中，由于測力傳感器位于車輪轉(zhuǎn)動單元下部，這樣在測量時所得的數(shù)據(jù)實為被測物體所受升力與轉(zhuǎn)動單元處移動帶所受升力之和，因此五帶系統(tǒng)會對物體升力測量帶來的一定誤差.隨著車型的變化，這種誤差如何變化，這在國內(nèi)外的研究中均沒有涉及.由于現(xiàn)有的測量系統(tǒng)難以測量到整車實驗時移動帶自身升力情況，因此本文以數(shù)值模擬為主，實驗為輔來明確汽車外形與移動帶升力關(guān)系，從而給出整車升力修正結(jié)果.

1 數(shù)值方法的驗證

1.1 空載實驗

風(fēng)洞實驗中，在有被測物體時，移動帶系統(tǒng)所產(chǎn)生升力的測量以目前的技術(shù)條件不可能實現(xiàn).為此，只能測量空載時移動帶產(chǎn)生的升力.在實驗中車輪轉(zhuǎn)動單元開啟，地板抽吸關(guān)閉，偏角為0°，來流風(fēng)速為38.89m·s－1.工況1為中央移動帶開啟運行，工況2為中央移動帶關(guān)閉運行.

1.2 數(shù)值模型與數(shù)值模擬方法

按照實驗工況對移動帶系統(tǒng)進行建模.中央移動帶長為7m、寬為1m，四條小移動帶長為0.3m、寬為0.28m，轉(zhuǎn)動單元模型如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)動單元模型（單位：mm）Fig.1 WSU model

運用FLUENT軟件，選用 Realizablek－ε兩方程湍流模型［8］和非平衡的壁面函數(shù)，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，動量、湍動能和耗散率采用二階迎風(fēng)格式，當(dāng)殘差收斂至10－5數(shù)量級，且監(jiān)控物理量數(shù)值基本不隨迭代發(fā)生改變時，認(rèn)為計算收斂.

1.3 數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果對比

數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果均為四個車輪轉(zhuǎn)動單元處移動帶所受升力的合力.從實驗結(jié)果可以看出，對于兩個工況，對應(yīng)的升力分別為15.52N與15.32N.其中，工況2相對于工況1要小1.29%，也就是說中央移動帶的運轉(zhuǎn)與否對于轉(zhuǎn)動單元上的最終測力并沒有特別大的影響.從表1可以看到數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果相差較小，其誤差都在9.0%之內(nèi).可見本文采用的數(shù)值模擬方法正確可行.

表1 升力數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果對比Tab.1 Experimental and numerical results

2 車身外形與移動帶的關(guān)系

圖2給出五個整車模型，其中模型1和2是簡化Sedan模型與皮卡模型，不考慮后視鏡、車燈、車窗接縫等處的影響.模型3～5是更為真實的Sedan，SUV和賽車模型.

采用來流速度為20，30和40m·s－1對上述模型進行計算，考慮地面邊界層效應(yīng).計算域由風(fēng)洞實驗段的長方體區(qū)域和轉(zhuǎn)動單元區(qū)域組成，長方體區(qū)域的大小以保證阻塞比符合計算條件所定，五個模型的阻塞比最大為2.47%，阻塞干擾產(chǎn)生的誤差可以不用修正［9］.移動帶系統(tǒng)數(shù)值計算方法的選擇與上文相同.

圖2 整車模型Fig.2 Vehicle models

2.1 模型1和2

在風(fēng)洞實驗中，升力系數(shù)CL用來考察被測物體的空氣動力學(xué)特征.移動帶對汽車測量升力系數(shù)的影響可用ΔCL來表示，計算式如下：

式中：Pi為測點靜壓，Pa；Si為測點面積，m2；ρ為空氣密度，kg·m－3；V∞為來流速度，m·s－1；S為移動帶總面積，m2.

模型1和2的數(shù)值模擬結(jié)果見表2和3.可以看出，前部移動帶所受升力均高于后部移動帶所受升力.受到前端邊界層去除的影響，移動帶系統(tǒng)自身運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生升力的合力趨勢都是變小，且量綱為一的ΔCL為一定值.模型2的移動帶所受升力與模型1近似相等，但由于模型2的迎風(fēng)面積大于模型1的迎風(fēng)面積，其ΔCL顯得更小.

表2 不同來流風(fēng)速下模型1升力數(shù)值模擬結(jié)果Tab.2 Numerical simulation results of Model 1at different wind speeds

表3 不同來流風(fēng)速下模型2升力數(shù)值模擬結(jié)果Tab.3 Numerical simulation results of Model 2at different wind speeds

2.2 模型3，4和5

模型3，4和5的數(shù)值模擬結(jié)果見表4～6.通過對三種車型的對比，可以看出三種車型對于移動帶受力的影響略有不同，模型3最大、模型4次之、模型5最小.三種車型的ΔCL可以認(rèn)為是近似相等.

表4 不同來流風(fēng)速下模型3升力數(shù)值模擬結(jié)果Tab.4 Numerical simulation results of Model 3at different wind speeds

表5 不同來流風(fēng)速下模型4升力數(shù)值模擬結(jié)果Tab.5 Numerical simulation results of Model 4at different wind speeds

表6 不同來流風(fēng)速下模型5升力數(shù)值模擬結(jié)果Tab.6 Numerical simulation results of Model 5at different wind speeds

模型3和4前部移動帶所受的升力近似相等，而模型5明顯較低.當(dāng)前端邊界層去除時，模型5前部移動帶所受升力有小幅增加，縮小了與模型3和4的差距，但是前端邊界層的去除對于模型3和4前部移動帶的受力沒有影響；與前部移動帶所受升力不同，隨著車型的變化，后部移動帶所受升力明顯不同，模型5最大、模型3次之、模型4最小.對于如模型5之類的賽車來說，其流暢的底部氣流使得在底部后輪處也有很大負(fù)壓，因此它后部移動帶的升力與前部移動帶相比沒有變化.但對于模型3和模型4之類的民用車型，其車身造型并不極端追求空氣動力學(xué)效應(yīng)，其后輪處的負(fù)壓區(qū)沒有模型5大，使得移動帶所受的升力較之于前部移動帶明顯減小.

3 整車升力測量值的修正

通過對五種模型的數(shù)值計算，可以發(fā)現(xiàn)其ΔCL是一個定值，這就為風(fēng)洞實驗結(jié)果的處理提供了便利.在風(fēng)洞實驗中，所測得的升力系數(shù)其實包含了ΔCL，在實際工作中減去這部分ΔCL，會使得測量值更為精確.

表7給出了五種模型通過數(shù)值模擬得到的修正前與修正后的升力系數(shù).從表中可以看出，移動帶所受升力對于模型1的結(jié)果影響最大，修正后與修正前相差了55%；對于普通民用車如模型3和4，其影響都在25%左右；對于如模型5之類的車型來說，其自身升力系數(shù)的絕對值就很大，移動帶所受的升力對于其影響低于5%.可見車型的不同，移動帶對于實驗測力的影響是不同的.

表7 五種模型數(shù)值模擬得到的升力系數(shù)Tab.7 Lift coefficients of the numerical simulation of 5 different models

需要指出的是，通過對于不同車型的數(shù)值計算，其整車ΔCL均很接近，風(fēng)洞中邊界層抽吸系統(tǒng)對于其影響不大.模型1的ΔCL為0.049，模型2的ΔCL為0.038，模型3的ΔCL為0.042，模型4的ΔCL為0.038，模型5的ΔCL為0.040.在實際工作中可將ΔCL近似地以定值0.040進行處理.

4 結(jié)論

對移動帶系統(tǒng)進行空載實驗，結(jié)果表明當(dāng)來流速度為38.89m·s－1時，無論中央移動帶運轉(zhuǎn)與否，其所測升力近似等于15.50N.數(shù)值模擬得到的結(jié)果與實驗結(jié)果相當(dāng)吻合，驗證了本文采用數(shù)值模擬方法正確性.

通過使用不同車型對移動帶系統(tǒng)進行數(shù)值研究，結(jié)果表明：隨著流速的變化，無論是使用哪種車輛模型進行數(shù)值模擬，其量綱為一的ΔCL都近似相等.風(fēng)洞中邊界層抽吸系統(tǒng)的開啟不會對ΔCL的值產(chǎn)生很大的影響.風(fēng)洞整車升力測量可根據(jù)該數(shù)值進行升力修正，從而獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果.

［1］ Cogotti A.Evolution of performance of an automotive wind tunnel ［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96（6）：667.

［2］ Johan Sternéus，Tim Walker，Trevor Bender，et al.Upgrade of the Volvo cars aerodynamic wind tunnel ［C］//Social Automotive Engineering.［S.l.］：SAE，2007：2007－01－1043.

［3］ Kim M，Lee J，Kee J，et al.Hyundai full scale aero－acoustic wind tunnel［C］//Social Automotive Engineering.［S.l.］：SAE，2001：2001－01－0629.

［4］ Walter J，Duell E，Martindale B，et al.The Daimler Chrysler full－scale aeroacoustic wind tunnel ［C］//Social Automotive Engineering.［S.l.］：SAE，2003：2003－01－0426.

［5］ Duell E，Kharazi A，Muller S，et al.The BMW AVZ wind tunnel center［C］//Social Automotive Engineering.［S.l.］：SAE，2010：2010－01－0118.

［6］ Wiedemann J，Potthoff J.The new 5－belt road simulation system of the IVK wind tunnels－design and first result［C］//Social Automotive Engineering.［S.l.］：SAE，2003：2003－01－0429.

［7］ 楊帆.整車風(fēng)洞邊界層控制系統(tǒng)數(shù)值研究 ［D］.上海：同濟大學(xué)，2009.YANG Fan.Numerical study on boundary layer control system for full－scale automotive wind tunnel［D］.Shanghai：Tongji University，2009.

［8］ Shih T H，Liou W W，Shabbir A，et al.A newk－εeddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows：model development and validation［J］.Computers and Fluids，1995，24（3）：227.

［9］ 龐加斌，劉曉暉，陳力，等.汽車風(fēng)洞試驗中的雷諾數(shù)、阻塞和邊界層效應(yīng)問題綜述［J］.汽車工程，2009，31（7）：609.PANG Jiabin，LIU Xiaohui，CHEN Li，et al.A review on Reynolds number，blockage and boundary layer effects in automotive wind tunnel tests［J］.Automobile Engineering，2009，31（7）：609.