整車風(fēng)洞力/壓同測實驗方法研究

周　華， 朱　暉， 楊志剛

(1.上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海 201804)

?

整車風(fēng)洞力/壓同測實驗方法研究

周華1,2， 朱暉1,2， 楊志剛1,2

(1.上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海 201804)

摘要：依托開口式整車風(fēng)洞，以階背式MIRA(Motor Industry Research Association)模型為實驗對象，通過雷諾數(shù)掃掠測試，確定了力/壓分測和力/壓同測時氣動力數(shù)據(jù)誤差的變化規(guī)律；基于偏航工況下氣動力的測試數(shù)據(jù)，明確了力/壓分測和力/壓同測時氣動力數(shù)據(jù)誤差的分布規(guī)律.依據(jù)計算流體力學(xué)的仿真結(jié)果，從流動機理層面剖析了誤差產(chǎn)生的原因.最后，對力/壓同測法在風(fēng)洞實驗中的具體實施及適用范圍進行了總結(jié).

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞實驗； MIRA車體； 流動機理

風(fēng)洞實驗作為汽車空氣動力學(xué)研究及車型研發(fā)的必要手段[1-3]，其自身的實驗技術(shù)發(fā)展一直是研究的熱點.在風(fēng)洞本體結(jié)構(gòu)確定的前提下，其研究內(nèi)容可概括為：實驗對象的設(shè)計準(zhǔn)則[4]；支架設(shè)計及干擾的修正[5]；實驗設(shè)備的研發(fā)[6-7]；在保證實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，對現(xiàn)有測試手段進行有機整合[8-9].

鑒于飛行器自身的結(jié)構(gòu)、功能及力學(xué)特性，其普遍的風(fēng)洞實驗方案為：閉口式風(fēng)洞、縮比模型結(jié)合尾支撐[10]；自然實現(xiàn)了氣動力及表面壓力的同時測量(力/壓同測，如分別測量簡稱：力/壓分測).而依據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)及運動環(huán)境特點，通常采用開口式風(fēng)洞結(jié)合地面支撐的方案對其進行風(fēng)洞實驗[11]，并采用力/壓分測的實驗技術(shù).

MIRA 模型由英國汽車工業(yè)研究聯(lián)合會(Motor Industry Research Association)研發(fā)定型，該模型真實反映了汽車的基本形態(tài)，因而在國際上被廣泛采用以研究汽車空氣動力學(xué)相關(guān)問題[12]，本文基于階背式MIRA模型對相關(guān)問題進行研究.

1實驗設(shè)施及相關(guān)設(shè)備

本次實驗在同濟大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心開口回流式整車風(fēng)洞中完成.該風(fēng)洞開口試驗段長度15 m，噴口橫截面寬6.5 m，高4.25 m，配置五帶移動路面系統(tǒng)及轉(zhuǎn)盤(轉(zhuǎn)角±180°)，五帶路面、轉(zhuǎn)盤結(jié)合氣動天平構(gòu)成完整的氣動測力系統(tǒng).試驗段風(fēng)速0～250 km·h-1連續(xù)可調(diào)，氣流湍流度0.1%.噴口及試驗段部分構(gòu)造如圖1所示.

圖2所示天平為六分量應(yīng)變式汽車專用天平，用以測量汽車所受氣動阻力(Fx)、側(cè)力(Fy)、升力(Fz)、側(cè)傾力矩(Mx)、俯仰力矩(My)和橫擺力矩(Mz)；天平測量分量信息見表1.

2實驗?zāi)Ｐ图斑B接方式

實驗?zāi)Ｐ蜑槿叽鐦?biāo)準(zhǔn)三廂MIRA模型，長4 165 mm；寬1 625 mm；高1 421 mm；軸距2 540 mm；輪距1 270 mm；正投影面積1.856 m2；試驗風(fēng)速80 km·h-1，Re=6.2×106，在此雷諾數(shù)水平下滿足測試車型的氣動力系數(shù)在自動?；瘏^(qū)[13-16].輪胎采用簡易半輪胎構(gòu)造，如圖3所示.

圖1　實驗段構(gòu)造

圖2　測力天平

分量量程精度/%準(zhǔn)度/%分辨率Fx/N-1500/70000.0050.0500.070Fy/N-9000/90000.0100.0500.180Fz/N-17000/60000.0070.0500.227Mx/N·m-13000/130000.0100.0500.260My/N·m-7500/130000.0100.0500.260Mz/N·m-11000/110000.0100.0500.010

圖3　MIRA實驗?zāi)Ｐ?/p>

模型型面采用五軸數(shù)控加工中心完成，加工精度為0.5 mm；各組件獨立加工，見圖3.在水平校準(zhǔn)臺上將各組件與車身連接并整形；模型整體拼接完畢且外敷三層面漆后，進行表面機器磨光處理，最大限度地保證實體模型與數(shù)字模型的一致性.

為消除支架干擾，采用輪下連接方式將車模固定于風(fēng)洞實驗段轉(zhuǎn)盤上，如圖4所示，同時使用保形蓋板遮蔽輪底連接口，確保輪邊流場不受干擾.

圖4　車輪連接方式

在對風(fēng)洞天平支撐系統(tǒng)調(diào)直調(diào)平后，將模型的加工基準(zhǔn)面(車輪內(nèi)部)與天平支撐系統(tǒng)連接，如此保證模型在風(fēng)洞中的位置中直水平.

3模型氣動實驗結(jié)果

圖5顯示實驗測量坐標(biāo)系：X方向為阻力方向，Y方向為側(cè)向力方向，Z方向為升力方向；X方向的力矩為側(cè)傾力矩，Y方向的力矩為矩俯仰力矩，Z方向的力為橫擺力矩.

圖5　實驗坐標(biāo)系

為保證基準(zhǔn)氣動力數(shù)據(jù)的可靠性，實驗采用兩步法：①測試無表面壓力測量引線時的氣動力；②將壓力掃描閥導(dǎo)線引出車體并與車體左后輪及轉(zhuǎn)盤貼合后，測試模型氣動力數(shù)據(jù)，如圖6所示.實驗過程涵蓋偏航工況，偏航角范圍[-20°, 20°]，正偏航取順時針方向，負偏航取逆時針方向.

圖6　掃描閥導(dǎo)線引出方式

雷諾數(shù)掃掠實驗結(jié)果如圖7所示，圖中數(shù)據(jù)為以力/壓分測氣動力實驗值為準(zhǔn)的絕對誤差絕對值(例如與阻力系數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)記為|ΔCD|，其他類推).由圖可知：在實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)，力/壓同測時所測阻力系數(shù)(簡記：CD,FP，同狀態(tài)下其他系數(shù)亦以下標(biāo)“FP”標(biāo)記)與力/壓分測時所測阻力系數(shù)(簡記：CD,F，其他系數(shù)亦以下標(biāo)“F”標(biāo)記)極其接近，|ΔCD|<0.001 4，且隨風(fēng)速的增加而減小；升力系數(shù)誤差為：|ΔCL|<0.004，其中前輪升力系數(shù)|ΔCLF|<0.002 8，后輪升力系數(shù)|ΔCLR|<0.002 7，且當(dāng)風(fēng)速高于120 km·h-1時，升力系數(shù)誤差絕對值隨風(fēng)速增加皆增大；由于力/壓同測側(cè)向力系數(shù)CS,FP與力/壓分測側(cè)向力系數(shù)CS,F皆接近于0，所以認為一致；俯仰力矩系數(shù)CMY較接近，|ΔCMY|<0.002.

a 阻力系數(shù)誤差

b 升力系數(shù)誤差

c 俯仰力矩系數(shù)誤差

圖8顯示了偏航工況下兩種實驗狀態(tài)氣動力系數(shù)誤差，需要說明的是：風(fēng)速保持80 km·h-1不變；正偏航工況下，地面管線完全處在迎風(fēng)側(cè)，負偏航工況下，地面管線在一定程度上被車體掩蓋，部分處于背風(fēng)側(cè).正負工況下誤差絕對值最大值見表2.

由圖8及表2可知：對于CD，CLF，CS和CMZ，在正偏航工況下實驗值與力/壓分測的結(jié)果更吻合；對于CL，CLR，側(cè)傾力矩系數(shù)CMX和橫擺力矩系數(shù)CMY在負偏航工況下實驗值與力/壓分測的結(jié)果更吻合，以誤差絕對值0.005為準(zhǔn)，對于CLF，CMX和CMZ，可認為在正負偏航工況下的實驗值皆與力/壓分測時結(jié)果吻合.

表2　誤差絕對值最大值

注：ΔCD=CD,FP-CD,F，其他類推.

4局部流場分析

采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對流場相關(guān)信息進行解算，著重分析偏航工況下地面上壓力掃描閥導(dǎo)線對車體空氣動力學(xué)性能的影響，本文以9°偏航作為典型例子進行數(shù)值分析.

參照圖6所示引線方式，在左側(cè)后輪及轉(zhuǎn)盤位置構(gòu)造凸臺結(jié)構(gòu)以模擬引線，凸臺結(jié)構(gòu)、車輪及面網(wǎng)格分布如圖9所示，凸臺面網(wǎng)格保持5 mm不變，車輪面網(wǎng)格尺度范圍[5 mm,10 mm]，管線寬度80 mm，厚度30 mm，從車身側(cè)面延長出來900 mm.

計算域形狀如圖10所示，入口離車頭3倍車長，出口離車尾6倍車長(L)，左右離車側(cè)面各7.5倍車寬(W)，頂部離車頂4倍車高(H).體網(wǎng)格采用4/5/6面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(如圖11所示)，網(wǎng)格總數(shù)約2 000萬單元.數(shù)值仿真采用雙側(cè)進/出口方案模擬偏航工況，相關(guān)邊界條件設(shè)置及湍流模型選取見文獻[17-18].

a 阻力系數(shù)誤差

b 側(cè)傾力矩系數(shù)誤差

c 升力系數(shù)誤差

d 俯仰力矩系數(shù)誤差

e 側(cè)向力系數(shù)誤差

f 橫擺力矩系數(shù)誤差

圖9　局部面網(wǎng)格

圖10　計算域設(shè)置

圖12和圖13顯示了在偏航±9°時，有引線和無引線兩種狀態(tài)下，車體表面壓力分布的差別.

圖11　體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

a 偏航角+9°；V=80 km·h-1

b 偏航角-9°；V=80 km·h-1

a 偏航角+9°

b 偏航角-9°

圖13正負9°偏航車身底部后輪區(qū)域力壓同測減去僅測力的壓力差值分布

Fig.13Pressure difference contour on underbody

由圖12～圖13可知：+9°偏航時，引線的存在對車身上部、尾部和側(cè)部的壓力分布影響較小，但改變了車身底部后半?yún)^(qū)域的壓力分布，這是因為車身側(cè)面底部氣流在繞過引線時邊界層脫落產(chǎn)生渦流，該渦流在車身底部上翹角部分產(chǎn)生局部低壓.

從車身表面切應(yīng)力流線圖(如圖14所示)和等值面渦量圖(如圖15，Q=3 500 s-2)可以看出，管線的存在都是對背風(fēng)側(cè)后輪區(qū)域的流場影響較大，且管線存在時左右偏航流場不具有很好的對稱性.結(jié)合試驗結(jié)果，認為在進行偏航試驗時單側(cè)偏航試驗可行性不佳，需要對左右偏航都進行掃略，但由于管線存在造成的左右偏航流場不完全對稱的影響，建議對試驗結(jié)果的處理方面：氣動阻力取正偏航試驗值；氣動升力取負偏航試驗值；側(cè)向力取正偏航試驗值；側(cè)傾力矩取負偏航試驗值；俯仰力矩取負偏航試驗值；橫擺力矩取正偏航試驗值.

a 9°正偏航

b 9°負偏航

a 9°正偏航

b 9°負偏航

5結(jié)論

(1) 對于無偏航工況，采用本實驗所用掃描閥導(dǎo)線引出方式，力/壓同測與力/壓分測的數(shù)據(jù)誤差絕對值可控制在0.004以內(nèi).

(2) 對于偏航工況，采用本實驗所用掃描閥導(dǎo)線引出方式，在進行正負偏航掃掠的基礎(chǔ)上，以圖7為參照，選取力/壓同測數(shù)據(jù)，可保證誤差絕對值控制在0.006以內(nèi).

(3) 該力/壓同測法以臨地面鈍體外部繞流氣動力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立，對于細長體、流線體等其他構(gòu)型的風(fēng)洞實驗來說，該方法有待進一步研究證實.

在保證精度的基礎(chǔ)上，采用力/壓同測法可減少近一半的測試時間(含連接測壓管及二次起風(fēng)時間)，由于風(fēng)洞測試費用與測試時間成正比，進而節(jié)省了近一半的測試費用；對于風(fēng)洞測試單位，在相同的測試周期內(nèi)增加近一半的客戶，經(jīng)濟效益和社會效益顯著.

參考文獻:

[1]Hucho W, Sovran G. Aerodynamics of road vehicles[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 1993, 25:485.

[2]谷正氣. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京:人民交通出版社, 2005.

GU Zhengqi. Automotive aerodynamics[M]. Beijing: China Communications Press, 2005.

[3]傅立敏. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1998.

FU Limin. Automotive aerodynamics[M]. Beijing: China Machine Press,1998.

[4]Mahmoud Khaled, Hicham EI Hage, Fabien Harambat,etal. Some innovative concepts for car drag reduction: a parametric analysis of aerodynamic forces on a simplified body[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012, 107: 36.

[5]張英朝, 張喆, 李杰. 汽車風(fēng)洞支撐干擾扣除方法研究[J]. 實驗流體力學(xué), 2011, 25(3):16.

ZHANG Yingchao, ZHANG Zhe, LI Jie. Method to eliminate the interference of model support in automotive wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(3):16.

[6]張英朝, 李杰, 劉暢, 等. 汽車風(fēng)洞的PIV試驗技術(shù)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2009, 39(S1):83.

ZHANG Yingchao, LI Jie, LIU Chang,etal. Technology of particle image velocimetry test in automotive wind tunnel[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2009, 39(S1):83.

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

[8]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,etal. A review on Reynolds number, blockage and boundary layer effect in automotive wind tunnel test[J]. Automotive Engineering, 2009, 31(7): 609.

[9]李啟良, 楊志剛, 陳力. 汽車氣動升力風(fēng)洞試驗值的修正方法[J]. 汽車工程, 2015, 37(1):88.

LI Qiliang, YANG Zhigang, CHEN Li. Correction method for the wind tunnel test value of vehicle aerodynamic lift[J]. Automotive Engineering, 2015, 37(1):88.

[10]李浩. 風(fēng)洞虛擬飛行試驗相似準(zhǔn)則和模擬方法研究[M]. 綿陽:中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 2012.

LI Hao. Study on the similarity criteria and simulation method of the wind tunnel based virtual flight testing[M]. Mianyang: China Aerodynamics Research and Development Center, 2012.

[11]張海峰. 基于湍流模型的汽車氣動特性研究[D]. 長沙:湖南大學(xué), 2011.

ZHANG Haifeng. Analysis of vehicle aerodynamics performance based on turbulent model[D]. Changsha: Hunan University, 2011.

[12]SAE Standard Committee. Aerodynamic testing of road vehicles open throat wind tunnel adjustment[S].[S.l.]: SAE, 1990: J2071-199003.

[13]Shinri Muto, Hideo Sakai. Aerodynamic correlation tests between the MIRA and JARI wind tunnels [C]∥SAE.[S.l.]: SAE, 1986: 860094.

[14]Jeffrey Hoffman, Bill Martindale, Stephen Arnette,etal. Effect of test section configuration on aerodynamic drag measurements[C]∥SAE.[S.l.]: SAE, 2001: 2001-01-0631.

[15]Phil Newnham, Martin Passmomre, Jeff Howell,etal. On the optimisation of road vehicle leading edge radius in varying levels of free stream turbulence[C]∥SAE.[S.l.]: SAE, 2006: 2006-01-1029.

[16]A. P. Gaylard, J. P. Howell, and K. P. Garry. Observation of flow asymmetry over the rear of notchback vehicles[C]∥SAE.[S.l.]: SAE, 2007: 2007-01-0900.

[17]谷正氣, 姜樂華, 吳軍, 等. 汽車?yán)@流的數(shù)值分析及計算機模擬[J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報, 2000, 18(2):188.

GU Zhengqi, JIANG Lehua, WU Jun,etal. Numerical analysis and simulation of flow around automobiles[J].ActaAerodynamicaSinica, 2000, 18(2):188.

[18]龔旭, 谷正氣, 李振磊, 等. 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下轎車氣動特性數(shù)值模擬方法的研究[J]. 汽車工程, 2010, 32(1):13.

GONG Xu, GU Zhengqi, LI Zhenlei,etal. Aerodynamic numerical simulation research of cars under crosswind[J]. Automotive Engineering, 2010, 32(1):13.

Simultaneous Test Method of Force/Pressure in Full-Scale Automotive Wind Tunnel

ZHOU Hua1,2, ZHU Hui1,2, YANG Zhigang1,2

(1. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Shanghai 201804, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems, Shanghai 201804, China)

Abstract：In full-scale automotive wind tunnel with open-jet test section, targeting notchback MIRA body, variation law and distribution rule of force/pressure test data error between simultaneously testing method and respectively testing method were revealed by wind tunnel test in a range of Reynolds number and yaw angle. The error was subsequently explained by computational fluid dynamics in view of flow mechanism. Finally, the specific implementation and application scope of force/pressure simultaneously testing method in full-scale automotive wind tunnel were concluded.

Key words：wind tunnel test; Motor Industry Research Association(MIRA) body; flow mechanism

文獻標(biāo)志碼：A

中圖分類號：O355;U461.1

通訊作者：楊志剛(1961—), 男, 工學(xué)博士, 教授主要研究方向為流體力學(xué). E-mail: zhigangyang@#edu.cn

基金項目：上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(14DZ2291400)

收稿日期：2015—04—25

第一作者： 周華(1987—), 女, 博士生, 主要研究方向為汽車空氣動力學(xué). E-mail：537506970@qq.com