小尺寸縮比模型車風(fēng)洞試驗及數(shù)值驗證

朱 暉，楊志剛

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙410082）

風(fēng)洞試驗作為空氣動力學(xué)研究的主要手段被廣泛用于車型的開發(fā)和優(yōu)化過程中［1－2］.考慮到模型造價、時間節(jié)點及試驗費用等問題，不可能完全采用全尺寸模型或?qū)嵻囘M(jìn)行研究（在多方案優(yōu)選階段尤是如此），因此引入縮比模型成為必然［3－4］.

與Ahmed Body模型［5］相比，MIRA（米拉）模型［6］更接近于實際車輛，所以本文采用MIRA模型作為標(biāo)準(zhǔn)驗證車模，用于校驗計算流體力學(xué)（CFD）方法的可行性和準(zhǔn)確性.

以CFD方法設(shè)計縮比模型風(fēng)洞試驗方案，并對MIRA模型及3種電動車概念模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，在相互校核試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上驗證了風(fēng)洞試驗和仿真分析的有效性，并獲得相關(guān)結(jié)論.

1 試驗支撐結(jié)構(gòu)及模型安裝

試驗采用1／4縮比模型，并在全尺寸風(fēng)洞中完成測試任務(wù)，由此帶來模型支撐問題.為保證試驗安全性和有效性，模型支撐的設(shè)計要點為：與氣動天平支桿剛性連接，自重不能過大，在試驗中杜絕抖動和脫落現(xiàn)象的發(fā)生；與縮比模型剛性連接，在試驗中杜絕模型抖動或脫落現(xiàn)象的出現(xiàn)；能夠模擬地面效應(yīng).

綜合以上要求，支撐系統(tǒng)設(shè)計為板型結(jié)構(gòu).底板的尺寸要求為：不能過小，以避免對模型車外流場尤其是尾跡區(qū)發(fā)展的干擾；不能過大，避免自重過大以及由于自身氣動受力大從而覆蓋模型車氣動受力的情況發(fā)生.為了更好地模擬地面效應(yīng)，底板和模型車之間采用輪下連接法，消除了其他連接方法（中心連接法、輪邊或輪后連接法）對車體底部氣流的干擾現(xiàn)象.圖1顯示了模型支撐系統(tǒng)的構(gòu)造形式、主要尺寸以及關(guān)鍵材質(zhì).圖2為支撐系統(tǒng)的3D數(shù)字模型.

支撐系統(tǒng)通過螺栓與天平支桿剛性連接，在支撐系統(tǒng)的鋼架上焊接2塊開有定位孔的鋼板，作為模型的安裝基準(zhǔn)臺面，模型通過螺栓（安裝在支撐系統(tǒng)反面）與支撐面進(jìn)行剛性連接.在所有部件連接完畢后，通過支撐系統(tǒng)的腹板、泡沫板、膠泥以及膠帶將支撐系統(tǒng)周界的孔洞、縫隙進(jìn)行填補和密封，起整流作用.

縮比模型采用工程代木材料在五軸聯(lián)動銑床上分塊加工再粘接而成.圖3為試驗所涉及的縮比模型.從左到右分別為：MIRA模型、模型1、模型2、模型3，正投影面積分別為0.115，0.129，0.111，0.130m2.

圖3 縮比模型Fig.3 Physical body of scaled models

圖4 顯示了支撐系統(tǒng)和MIRA模型在風(fēng)洞中的實際安裝情況，其他模型類似.

圖4 支撐系統(tǒng)和MIRA模型安裝情況Fig.4 Installation condition of MIRA model and support system

2 試驗方案的CFD驗證

在試驗方案初步制定后，為保證試驗的順利進(jìn)行，進(jìn)行了試驗方案的CFD驗證工作，依據(jù)CFD仿真結(jié)果，在證明試驗可行的基礎(chǔ)上進(jìn)入模型及支撐系統(tǒng)制作的試驗步驟.

為確保仿真結(jié)果的可靠性，計算域必須包括具備所有特征（收縮段、噴口、駐室、收集口、擴(kuò)散段等）的開口回流式整車風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)、天平支桿、支撐系統(tǒng)、縮比模型.圖5顯示了計算域的總體結(jié)構(gòu)，圖6顯示了模型及支撐系統(tǒng).

采用2～200mm的三角形網(wǎng)格對計算域各表面進(jìn)行劃分；采用棱柱體及四面體網(wǎng)格對計算域空間進(jìn)行離散；以y＋＝30～300為標(biāo)準(zhǔn)控制第1層網(wǎng)格中心離壁面的法向高度，并對包含模型、支撐系統(tǒng)及天平支柱的子區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密；體網(wǎng)格總數(shù)接近3 000萬單元，中截面網(wǎng)格分布如圖7所示.

數(shù)值計算采用可實現(xiàn)k－ε湍流模型（Realizablek－εModel）［6］.與傳統(tǒng) k－ε湍流模型相比，該湍流模型引入湍流粘度變化公式（不是常數(shù)），并為耗散率增加了新的傳輸方程，所以對旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流的解算能力較強(qiáng).

進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，x向風(fēng)速為100～250km·h－1，y向風(fēng)速和z向風(fēng)速皆為零，湍流強(qiáng)度為0.3%，與風(fēng)洞實際流場品質(zhì)一致；出口采用出流出口；壓力平衡口采用進(jìn)氣口邊界條件；試驗中移動帶無法開啟，故采用固定壁面邊界條件；其他構(gòu)造皆采用固定壁面邊界.采用非平衡壁面函數(shù)對近壁面流場進(jìn)行求解.

以Simplec算法為基礎(chǔ)，迭代過程先采用一階迎風(fēng)格式，再調(diào)至二階迎風(fēng)格式，從而保證數(shù)值穩(wěn)定性和截差精度.松弛因子為默認(rèn)值，保持不變.

在進(jìn)行縮比模型仿真之前，對全尺寸MIRA模型在風(fēng)洞中的流場進(jìn)行了解算，其仿真過程所涉及的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)置與針對縮比模型的仿真基本一致，網(wǎng)格總數(shù)約為2 100萬單元.當(dāng)流場核心速率為108km·h－1時，計算所得CD（氣動阻力系數(shù)）值為0.292，與文獻(xiàn)［7］中試驗的0.305 5之間存在4.41%的誤差，表明仿真方法可行.

圖8為中截面流場的速率云圖，圖8a專用一個標(biāo)尺，圖8b～8e合用一個標(biāo)尺.

由圖8可知：氣流從噴口射出，繞過車體及支撐系統(tǒng)后，經(jīng)收集口匯流入擴(kuò)散段，由出口排出；流動分層清晰，在駐室上部未出現(xiàn)由數(shù)值誤差所引起的串流現(xiàn)象，說明仿真可靠、準(zhǔn)確.

3 風(fēng)洞試驗及CFD分析結(jié)果

風(fēng)洞試驗的目的是比較模型1、模型2及模型3的氣動阻力大小.在測力過程中對模型表面的壓力也同時進(jìn)行了測量.模型車受力僅考慮支撐系統(tǒng)的直接干擾效應(yīng)，對二次干擾不作修正.

圖9為4款模型車受力的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果.

由圖9可知：隨著風(fēng)速（流場核心區(qū)平均風(fēng)速）的提高，4款模型車所受氣動阻力皆上升，但氣動阻力系數(shù)卻逐步下降，與文獻(xiàn)［1－2］中的規(guī)律一致；數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗值之間的誤差基本控制在5%以內(nèi)，少數(shù)點在7%左右.

圖8 中截面速率云圖Fig.8 Velocity contour of symmetry pla n

圖10 顯示了4款模型車CD值大小的相互關(guān)系，與數(shù)值計算結(jié)果一致，4款模型車CD值由大到小為：MIRA模型、模型1、模型3、模型2.

圖11為4款模型車尾跡區(qū)的渦量云圖.由圖11可知：MIRA模型的尾跡區(qū)一直發(fā)展至大于1倍車長的遠(yuǎn)場，由后風(fēng)窗結(jié)構(gòu)及車體背部引發(fā)的分渦系所融合成的巨大的渦團(tuán)是能量損失的主要因素，也是氣動阻力的主要來源；模型1和模型3尾跡區(qū)渦團(tuán)結(jié)構(gòu)基本相同，由后窗造型所引發(fā)的分渦系皆注入尾跡區(qū)主渦系中，但是由于模型1采用了局部分體式造型概念，使得尾渦外擴(kuò)現(xiàn)象突出，且涉及區(qū)域廣（大于1倍車長），從而使得模型1的氣動阻力大于模型3的氣動阻力；模型2采用整體式造型，無后窗造型所誘發(fā)的分渦系注入尾跡區(qū)主渦系中，且尾渦結(jié)構(gòu)控制良好，所以其氣動阻力最小.

圖12顯示了4款模型車背部測點（部分）處的壓力試驗值和數(shù)值計算結(jié)果.

2種方法所揭示的壓力隨風(fēng)速的變化規(guī)律一致：隨著風(fēng)速的提高，背部負(fù)壓增加，致使壓差阻力增大，從而使氣動阻力增加.數(shù)值計算結(jié)果與試驗值吻合得較好，平均在5%的誤差范圍內(nèi)，但是由于采用了貼片式測壓系統(tǒng)，使得有些測點處壓力值誤差為6%～7%.

圖12 測點處壓力的試驗值與計算值Fig.12 Pressure value of the test points

通過風(fēng)洞試驗和CFD分析的相互校核，從氣動阻力的角度出發(fā)，由于存在雷諾數(shù)效應(yīng)（雷諾數(shù)約為4.58×105，偏低），且支撐系統(tǒng)二次干擾難以扣除［8］，使得通過該試驗方案所得氣動阻力試驗值與實車的試驗值偏差較大（縮比MIRA模型試驗值小于實車試驗值20.45%），所以1／4縮比模型的氣動力試驗無法替代全尺寸模型和實車的氣動力試驗.因此，該試驗方案的適用范圍為：在多方案優(yōu)選階段比較縮比模型車氣動阻力間的差異.

4 結(jié)論

通過對1／4縮比模型車風(fēng)洞試驗方案制定、試驗結(jié)果分析及CFD的相關(guān)驗證，得到以下結(jié)論：

（1）試驗中所涉及的支撐系統(tǒng)設(shè)計合理，能為概念車在多方案選型（以氣動阻力大小為判據(jù)）階段提供可靠的試驗支撐.

（2）CFD技術(shù)為試驗方案的制定奠定了基礎(chǔ)，與風(fēng)洞試驗技術(shù)相結(jié)合，通過探討尾跡區(qū)渦結(jié)構(gòu)的特征，揭示了不同模型車氣動阻力之間差異的機(jī)理.

（3）貼片式測壓系統(tǒng)雖能降低模型制作難度，縮短試驗準(zhǔn)備時間，節(jié)約試驗費用，但由于測壓貼片及固定輔材對流場皆有干擾，所以在針對縮比模型的風(fēng)洞試驗中應(yīng)盡量采用傳統(tǒng)壓力孔測壓系統(tǒng).

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