移動(dòng)帶和切向吹氣對(duì)氣動(dòng)力的影響

袁海東，李啟良，楊志剛（同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804）

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移動(dòng)帶和切向吹氣對(duì)氣動(dòng)力的影響

袁海東，李啟良，楊志剛
（同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804）

使用數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法獲得某三廂轎車的氣動(dòng)力，并采用現(xiàn)有的修正方法對(duì)氣動(dòng)力結(jié)果進(jìn)行修正.對(duì)比了氣動(dòng)力的計(jì)算值和試驗(yàn)值，結(jié)果表明所采用的數(shù)值計(jì)算方法所獲得的氣動(dòng)力值與試驗(yàn)值一致性較好.通過(guò)對(duì)移動(dòng)帶形式和切向吹氣角度的研究發(fā)現(xiàn)：移動(dòng)帶形式對(duì)氣動(dòng)力影響不大，氣動(dòng)力系數(shù)差值約在0.002左右；切向吹氣角度也同樣不對(duì)氣動(dòng)力造成較大影響.

移動(dòng)帶；切向吹氣；數(shù)值計(jì)算；風(fēng)洞試驗(yàn)

數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)是進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要方法.隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］，但數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的一致性需要進(jìn)一步的驗(yàn)證.

汽車風(fēng)洞地面邊界層的存在影響汽車周圍流場(chǎng)和氣動(dòng)力的測(cè)量.現(xiàn)代汽車風(fēng)洞邊界層的控制方法主要有：基礎(chǔ)抽吸、分布抽吸、移動(dòng)帶系統(tǒng)和切向吹氣.國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了一些研究.文獻(xiàn)［2－3］指出，邊界層抽吸減少風(fēng)洞地面邊界層位移厚度，從而提高測(cè)量精度，但是過(guò)度抽吸卻改變?cè)囼?yàn)段靜壓因數(shù)分布，反而帶來(lái)測(cè)量誤差.文獻(xiàn)［4－5］中使用數(shù)值模擬方法研究最優(yōu)抽吸率和回風(fēng)位置.文獻(xiàn)［6］關(guān)注轉(zhuǎn)動(dòng)單元對(duì)升力的影響.上述研究關(guān)注了分布抽吸和轉(zhuǎn)動(dòng)單元，但很少涉及到移動(dòng)帶和切向吹氣，因此本文開展移動(dòng)帶形式和切向吹氣角大小對(duì)氣動(dòng)力影響的研究.

1 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)方法

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

汽車在無(wú)風(fēng)的天氣和良好、平直的地面條件下行駛時(shí)，前方為均勻自由來(lái)流，地面與空氣相對(duì)靜止，汽車與地面和空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)，行駛中的汽車處于半無(wú)窮大空間.本文選取矩形計(jì)算域模擬半無(wú)窮大空間，矩形計(jì)算域的6個(gè)面分別為入口、出口、地面、2個(gè)側(cè)面和頂面，見圖1.

圖1 計(jì)算域示意圖Fig.1 Schematic of computational domain

計(jì)算域采用混合網(wǎng)格方案.車身表面網(wǎng)格大小為16mm，發(fā)動(dòng)機(jī)艙網(wǎng)格大小為10mm，發(fā)動(dòng)機(jī)表面網(wǎng)格大小為3mm，底盤網(wǎng)格大小為20mm，汽車面網(wǎng)格總數(shù)為184萬(wàn).為了更好地模擬車身表面和地面邊界層內(nèi)的流動(dòng)，在車身表面和地面設(shè)置了邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度為1.5mm，增長(zhǎng)率為1.2，共4層.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊采用多孔介質(zhì)處理，相關(guān)數(shù)據(jù)由風(fēng)室試驗(yàn)臺(tái)獲得.體網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格，在靠近汽車3倍車長(zhǎng)、3倍車寬、2.5倍車高的矩形區(qū)域內(nèi)采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.在外層計(jì)算域內(nèi)采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，2種網(wǎng)格交界面處采用五面體網(wǎng)格過(guò)渡.為了更好地模擬真實(shí)的流動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和汽車尾部流場(chǎng)設(shè)置了網(wǎng)格加密區(qū)，總的體網(wǎng)格數(shù)量為2 600萬(wàn)，計(jì)算域中間對(duì)稱面網(wǎng)格見圖2.

圖2 計(jì)算域中間對(duì)稱面網(wǎng)格Fig.2 Schematic of mesh on symmetry plane

計(jì)算域尺寸為車前2倍車長(zhǎng)、車尾后6倍車長(zhǎng)、車兩側(cè)各4倍車寬、車頂以上4倍車高，總體尺寸為長(zhǎng)40m、寬18m、高8m.計(jì)算域邊界條件采用速度入口，入口速度為120km·h－1，出口采用壓力出口，2個(gè)側(cè)面和頂面為對(duì)稱邊界條件，地面根據(jù)不同的算例設(shè)置不同的邊界條件.車輪、剎車盤均設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件，冷凝器和散熱器入口和出口設(shè)為內(nèi)部面.在車速為120km·h－1的工況下，散熱風(fēng)扇關(guān)閉，處于風(fēng)車運(yùn)行工況.其余邊界均為固定壁面邊界.

湍流模型采用Realizable k－ε兩方程模型［7］，近壁面函數(shù)采用非平衡壁面函數(shù)［8］.所有算例均采用一階精度計(jì)算1 000步后，采用二階精度計(jì)算，殘差降到10－4，并監(jiān)測(cè)到氣動(dòng)力值不再有明顯變化時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，氣動(dòng)力系數(shù)取計(jì)算結(jié)果后500步的平均值.

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)方法

本文風(fēng)洞試驗(yàn)在上海地面交通工具風(fēng)洞中心（SAWTC）的汽車整車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞（AAWT）中完成.AAWT的噴口面積為27m2，最高風(fēng)速為250 km·h－1，具有完備的地面模擬系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)抽吸、分布抽吸、移動(dòng)帶系統(tǒng)和切向吹氣.試驗(yàn)采用與數(shù)值計(jì)算相同的三廂轎車（見圖3），試驗(yàn)工況和數(shù)值計(jì)算條件相同.車身表面壓力由表面貼片壓力傳感器測(cè)得，氣動(dòng)力系數(shù)由氣動(dòng)六分量天平測(cè)得.

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic of wind tunnel test

為了將風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠應(yīng)用到實(shí)車道路上，需對(duì)測(cè)量得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.具體修正公式如下［9－10］所示：

式中：Cd，cor和Cl，cor分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù)的修正值；Cd，m和Cl，m分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù)的測(cè)量值；ΔCd，HB為受水平浮力影響的阻力系數(shù)修正值；εS為對(duì)射流擴(kuò)張和偏移的修正；εN為對(duì)噴口阻塞效應(yīng)的修正；εC為對(duì)收集口阻塞效應(yīng)的修正；A為迎風(fēng)面積；L為后保險(xiǎn)桿到收集口距離.

2 數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了研究數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)力結(jié)果的一致性，對(duì)同一款三廂轎車的氣動(dòng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.對(duì)比工況為：車速120km·h－1，零偏航工況，五帶系統(tǒng)開啟，切向吹氣關(guān)閉.

縱向?qū)ΨQ面內(nèi)車身表面壓力對(duì)比見圖4，煙流對(duì)比見圖5.從壓力對(duì)比和煙流對(duì)比可以看出，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果比較一致.氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見表1.從氣動(dòng)力系數(shù)的對(duì)比結(jié)果可以看出，修正后氣動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算值和試驗(yàn)值一致性較好.其中，氣動(dòng)阻力系數(shù)相差只有0.047，而氣動(dòng)升力系數(shù)相差為－0.016.

圖4 中間對(duì)稱面壓力對(duì)比圖Fig.4 Pressure coefficient on symmetry plane

圖5 煙流對(duì)比Fig.5 Contrast of smoke flow

表1 氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of measured and calculated aerodynamic force coefficients

3 移動(dòng)帶

風(fēng)洞移動(dòng)帶系統(tǒng)用來(lái)模擬地面的移動(dòng)，從而去除地面邊界層，風(fēng)洞中常用的移動(dòng)帶形式為五帶、三帶和單帶等.為了研究不同移動(dòng)帶系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)力的影響，本文計(jì)算了地面移動(dòng)帶、五帶、三帶和單帶（見圖6）在車速為120km·h－1、零偏航和切向吹氣關(guān)閉工況下整車氣動(dòng)力.

圖6 移動(dòng)帶形式Fig.6 Different types of moving belts

不同移動(dòng)帶下整車氣動(dòng)力系數(shù)見表2.從表2可以看出，3種移動(dòng)帶形式對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的影響均較小.相較而言，對(duì)升力系數(shù)的影響稍大.與地面移動(dòng)帶對(duì)比，3種移動(dòng)帶形式對(duì)氣動(dòng)升力的影響較大，仍有很大的改進(jìn)空間.

表2 不同移動(dòng)帶形式整車氣動(dòng)力系數(shù)Tab.2 Comparison of aerodynamic force coefficients for different moving_belts

4 切向吹氣

保持原來(lái)的計(jì)算域不變，在地面上劃分出切向吹氣系統(tǒng)的入口設(shè)為速度入口，入口速度仍為120 km·h－1，根據(jù)切向吹氣角大小調(diào)整2個(gè)方向的速度分量.切向吹氣入口周圍設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，總體網(wǎng)格數(shù)量增加200萬(wàn).計(jì)算工況為：車速120 km·h－1，移動(dòng)帶為五帶系統(tǒng)，研究切向吹氣關(guān)閉和不同吹氣角度對(duì)氣動(dòng)力測(cè)量值的影響，其他計(jì)算參數(shù)和設(shè)置保持不變.切向吹氣的位置和角度如圖7所示.

圖7 切向吹氣位置和角度Fig.7 Location and angle of tangential blowing

切向吹氣下，整車氣動(dòng)力見表3.其中，氣動(dòng)力系數(shù)的差值均以切向吹氣關(guān)閉為基準(zhǔn).數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，不同吹氣角度對(duì)氣動(dòng)力測(cè)量值影響不大.其中，切向吹氣使得阻力系數(shù)測(cè)量值減小0.001，升力系數(shù)增大0.002.切向吹氣開啟和關(guān)閉對(duì)氣動(dòng)力測(cè)量結(jié)果影響不大.

表3 切向吹氣對(duì)氣動(dòng)力的影響Tab.3 Effect of tangential blowing on aerodynamic force

風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果表明：中央移動(dòng)帶開啟，切向吹氣角度為2.5°，它的開閉對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)影響較小.與關(guān)閉相比較，開啟后，氣動(dòng)阻力系數(shù)減少0.001，氣動(dòng)升力系數(shù)增大0.002.可見，切向吹氣對(duì)三廂轎車氣動(dòng)力的影響不大.

表4給出在固定地面和車輪靜止工況下，切向吹氣關(guān)閉和10.0°的切向吹氣開啟對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)的影響，可見固定地面下切向吹氣開啟與否對(duì)于氣動(dòng)力影響不大，阻力和升力系數(shù)的變化均為0.001.對(duì)比表3中的數(shù)據(jù)，與移動(dòng)帶相比，切向吹氣對(duì)氣動(dòng)力的影響很小，對(duì)去除地面邊界層，切向吹氣起輔助作用，應(yīng)與移動(dòng)帶配合使用.

表4 固定地面下切向吹氣對(duì)氣動(dòng)力的影響Tab.4 Effect of tangential blowing on aerodynamic force with static ground

5 結(jié)論與展望

本文采用的數(shù)值計(jì)算方法與修正后的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相比，氣動(dòng)力數(shù)值一致性較好.通過(guò)研究移動(dòng)帶形式和切向吹氣發(fā)現(xiàn)：3種移動(dòng)帶形式對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)影響不大，與地面移動(dòng)帶相比3種移動(dòng)帶形式對(duì)氣動(dòng)升力的影響較大，仍有較大的改進(jìn)空間.數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果均顯示：移動(dòng)帶開啟時(shí)，切向吹氣開啟與否及不同的切向吹氣角度對(duì)氣動(dòng)力測(cè)量的影響不大，氣動(dòng)力系數(shù)差值小于0.002.固定地面下，切向吹氣開啟與否對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)的影響為0.001，切向吹氣對(duì)于去除地面邊界層起輔助作用，應(yīng)與移動(dòng)帶配合使用.

為了進(jìn)一步擴(kuò)展本文研究結(jié)果的應(yīng)用，有必要針對(duì)更小離地間隙的跑車和賽車展開氣動(dòng)力研究.

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Effect of Moving Belts and Tangential Blowing on Aerodynamic Force

YUAN Haidong，LI Qiliang，YANG Zhigang
（Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Both numerical simulation method and wind tunnel test were used to measure the aerodynamic force of a sedan.Then，experiment results were corrected by the existing correction method.Comparison results show that the aerodynamic force obtained by the numerical calculation method has good consistency with the test results.Moreover，the study on moving belt form and tangential blowing angle indicates that different moving belts have little effect on the measured value of the aerodynamic force，and the difference of drag coefficient is less than 0.002；the tangential blowing angle also has little effect on the aerodynamic force. Key words：moving belts；tangential blowing；numerical calculation；wind tunnel test

U467.1＋3

A

0253－374X（2016）01－0146－04

10.11908／j.issn.0253－374x.2016.01.021

2014-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（11302153）；上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)（14DZ2291400）

袁海東（1990—），男，博士生，主要研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué)與風(fēng)洞技術(shù).E－mail：1310797＠#edu.cn

楊志剛（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué).E－mail：zhigangyang＠#edu.cn