隊(duì)列行駛領(lǐng)航車輛尾流的粒子圖像測速試驗(yàn)研究*

仇 健,谷正氣2,,王 師,張清林,胡彭俊,張海峰

(1.湖南大學(xué),汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410082; 2.湖南工業(yè)大學(xué),株洲 412007)

前言

目前,隨著智能交通系統(tǒng)[1]的發(fā)展,國內(nèi)已開始采用數(shù)值模擬技術(shù)對智能交通系統(tǒng)中隊(duì)列行駛車輛進(jìn)行研究,主要是對隊(duì)列行駛尾隨車輛的研究。

由汽車氣動(dòng)阻力的構(gòu)成成分可知[2-4],汽車所受到空氣阻力的 65%來自壓差阻力,其中壓差阻力的9%來自車身前端,而91%來自車身尾部(其值與車身長短及外形有關(guān))。從氣動(dòng)阻力形成的機(jī)理來看,它由形阻和渦阻構(gòu)成,其中渦阻占 40%左右,主要來自汽車的尾渦。

在風(fēng)洞試驗(yàn)中,粒子圖像測速(PIV)是近十幾年發(fā)展起來的流場測量新技術(shù),它是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、非接觸式的流體力學(xué)測速方法,并廣泛應(yīng)用于流體測量試驗(yàn)。PIV技術(shù)的特點(diǎn)是超越了單點(diǎn)測速技術(shù)的局限性,能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息,可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。

作者利用風(fēng)洞試驗(yàn)測量了隊(duì)列行駛工況下領(lǐng)航車輛和領(lǐng)航車輛單獨(dú)行駛時(shí)的阻力系數(shù),并運(yùn)用PIV技術(shù)分別對領(lǐng)航車輛尾部縱對稱面內(nèi)的流場進(jìn)行了測量,分析了尾部流場的速度場和渦量場,從場的角度闡述了汽車阻力系數(shù)產(chǎn)生變化的原因。為了更好地揭示尾部流場變化對領(lǐng)航車輛氣動(dòng)阻力的影響,本文中僅選取不到一個(gè)車長的距離進(jìn)行研究,而這種行駛狀態(tài)會(huì)在智能交通系統(tǒng)由自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)。

1 PIV的基本原理及系統(tǒng)組成

粒子圖像測速(PIV)的基本原理是:在流場中散播示蹤粒子,用脈沖激光片光源照射所測流場區(qū)域,通過連續(xù)兩次或多次曝光,粒子的圖像被記錄在底片上或CCD相機(jī)上,攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列,并記錄相鄰兩幀圖像序列之間的時(shí)間間隔,進(jìn)行圖像相關(guān)分析,識(shí)別示蹤粒子圖像的位移,求得流體的運(yùn)動(dòng)速度,進(jìn)一步處理分析就可得到整個(gè)流場的速度場、渦量場和流線等流場特性參數(shù)分布,PIV系統(tǒng)原理如圖 1所示。

PIV系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)和示蹤粒子添加系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由激光器、片光元件、光臂、激光脈沖同步器和CCD攝像機(jī)組成;圖像分析系統(tǒng)主要由圖像采集板、圖像分析軟件和計(jì)算機(jī)組成;示蹤粒子添加系統(tǒng)由示蹤粒子和煙霧發(fā)生器組成。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 試驗(yàn)風(fēng)洞與模型

試驗(yàn)在HD-2汽車模型風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞由風(fēng)扇段、擴(kuò)散段、收縮段、低速試驗(yàn)段、高速試驗(yàn)段、拐角導(dǎo)流片、穩(wěn)定段和蜂窩器等部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)由功率 620kW的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),調(diào)速系統(tǒng)采用西門子 6RA7090型直流調(diào)速裝置。風(fēng)洞風(fēng)速控制、數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)監(jiān)視主要集中在主控制室以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制。風(fēng)洞為雙列單回流閉式,試驗(yàn)段的橫截面為矩形,寬 3m,高 2.5m,面積為7.5m2,高速試驗(yàn)段的長度為 17m,最大風(fēng)速為 58 m/s,收縮比為 3.2。試驗(yàn)段的流場參數(shù)見表 1。

表1 風(fēng)洞流場品質(zhì)參數(shù)

兩輛類車體模型縮尺比例為 1∶3,試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)CAD數(shù)據(jù)模型通過數(shù)控機(jī)床加工而成。其中領(lǐng)航車模型的長為 1 683mm,寬為 700mm,高為500mm,尾隨車模型的表面涂以亞光黑漆,防止模型表面反光,影響測量結(jié)果,此模型的長為 1 450mm,寬為768mm,高為496mm,試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。

2.2 PIV系統(tǒng)設(shè)備

采用PIV專用雙脈沖激光器作為成像光源,單脈沖能量為500MJ,產(chǎn)生532nm的綠光,最高工作頻率為10Hz,片光厚度小于1mm。CCD相機(jī)的分辨率為 4 000×2 672,最小曝光時(shí)間間隔小于1μs,采集速率5幀/s,圖像采集板的傳輸速率大于200m/s;采用粒子圖像測速系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析軟件,進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、控制和PIV互相關(guān)計(jì)算及數(shù)據(jù)分析。

2.3 PIV試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)模型風(fēng)洞的試驗(yàn)條件,風(fēng)洞試驗(yàn)段的頂部有透明天窗,側(cè)壁面由透明玻璃組成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在汽車六分力天平處,模型的縱對稱面與風(fēng)洞的中心面重合。采取的方案是:激光器放置于風(fēng)洞頂部,激光從風(fēng)洞頂部的天窗往風(fēng)洞照射,片光平行來流方向,CCD相機(jī)置于風(fēng)洞外側(cè),拍攝垂直片光平面的切面流場。這樣布置一方面有利于片光內(nèi)速度場的獲取,另一方面不會(huì)對風(fēng)洞流場產(chǎn)生干擾,保證了測量精度。圖 3為試驗(yàn)方案布置示意圖。

2.4 示蹤粒子的發(fā)生和布撒

PIV技術(shù)測量的是粒子速度而不是流場速度。因此,必須對粒子流體力學(xué)特性進(jìn)行考查,以免出現(xiàn)粒子與流場運(yùn)動(dòng)間的顯著差異,因此在PIV試驗(yàn)中示蹤粒子的投放和選擇十分重要[5]:首先,要求示蹤粒子無毒、無腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和清潔;其次,要求粒子跟隨流體的流動(dòng)性好,粒子應(yīng)是良好的散射體,其成像可見性好。這是使P1V測量真實(shí)、可靠的基本保證。

試驗(yàn)中,采用氣壓式霧化 4噴嘴煙霧發(fā)生器,噴出粒子的等效直徑小于 1μm。煙霧發(fā)生器置于風(fēng)洞試驗(yàn)段的出口處,這樣能使投放的粒子在風(fēng)洞中循環(huán),保證了粒子的濃度均勻。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析[6-7]

試驗(yàn)中測量區(qū)域?yàn)槟Ｐ涂v對稱面(X-Y平面)的尾部區(qū)域,測量的坐標(biāo)系位于模型的尾部,見圖 4。

分別測量風(fēng)速為35m/s時(shí)隊(duì)列行駛3種工況下領(lǐng)航車輛的尾部流場。表 2為不同試驗(yàn)工況下的阻力系數(shù)和與單車對比的減小率,其中 L為領(lǐng)航車輛的車長。

表2 工況類別及阻力系數(shù)

3.1 尾部流線圖分析

3種工況下尾部流線如圖 5～圖 7所示。

從圖5～圖7可以看出,汽車尾部的流場渦的形狀、大小和位置隨著試驗(yàn)工況的不同而變化,而且流場基本上可分為兩部分,分別是由背部俯沖下來的氣流和從車底部上卷形成的氣流[8]。其中由車身背部俯沖下來的剪切流流動(dòng)所形成的渦順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),稱之為渦 A。由車身底部上卷氣流所形成的渦逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),稱之為渦B。

比較這 3個(gè)工況可以看到,在工況 1條件下,即S=0.5L時(shí),渦A渦核的坐標(biāo)為X≈70mm;在工況2條件下,即S=0.3L時(shí),渦A的渦核坐標(biāo)為X≈35mm;在工況3條件下,即S=0.5L時(shí),渦A的渦核坐標(biāo)X≈40mm。因此總體來講,渦A的中心位置隨著兩車間距的縮短而逐漸接近領(lǐng)航車輛的尾部。對于工況2和工況 3,雖然工況 3中渦A的渦核中心比工況 2要靠后,即距離領(lǐng)航車尾部距離更大一些。但是工況3中渦 B的渦核中心坐標(biāo)為 X≈140mm,相對于工況2中渦B的渦核坐標(biāo)X≈190mm小了50mm,即工況3中渦B較工況2中的渦B靠近車尾約50mm。

工況1中渦的邊界坐標(biāo)X≈240mm,工況2為X≈220mm,工況3為X≈190mm。從工況1到工況3,這 3種工況流場渦所延伸的長度逐漸縮小。與之相對應(yīng),擴(kuò)展直徑也逐漸減小。而渦在邊緣與周圍氣流有較大的相對速度,在氣體黏性的作用下,渦邊緣與周圍空氣產(chǎn)生有梯度變化的剪切力,形成一定厚度的邊界層。在這種邊界層內(nèi)存在著劇烈的能量交換,而能量耗散量會(huì)隨著邊界層區(qū)域的縮小而減少,從能量角度來分析,從工況 1到工況 3,隨著車間距的縮短,領(lǐng)航車輛能量損失減小,阻力系數(shù)降低。

3.2 尾部渦量場分析

渦量為流體微團(tuán)繞其中心做剛性旋轉(zhuǎn)角速度的2倍,流場的速度梯度越大,渦量也就越大,可以根據(jù)渦量的大小來判斷渦的強(qiáng)度。

為進(jìn)一步揭示尾部流場湍流結(jié)構(gòu)的變化[9],選取在此風(fēng)速下,即雷諾數(shù) Re=3.92×106的穩(wěn)態(tài)渦量場進(jìn)行定量分析,其渦量圖見圖 8～圖 10。

由圖可見:3個(gè)工況的渦量場也由兩部分組成,分別是車背部氣流順時(shí)針流動(dòng)而形成的負(fù)的渦量場和車身底部剪切流上翻逆時(shí)針流動(dòng)而形成的正的渦量場;渦量峰值呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,工況 1的峰值wmax=-2 251.08,工況2中wmax=-1 512.26,工況3中wmax=-1 095,其絕對值逐漸減小。

由于渦量的大小可以用來表征漩渦的強(qiáng)度,故從工況 1到工況 3漩渦的強(qiáng)度逐漸減小,即速度梯度減小,由此所產(chǎn)生的負(fù)壓減小,因此,汽車前后壓差減小,所產(chǎn)生的壓差阻力值降低。所以,從渦量場的角度來講,從工況 1到工況 3,領(lǐng)航車輛所受到的氣動(dòng)阻力逐漸減小。

4 結(jié)論

(1)隊(duì)列行駛的領(lǐng)航車輛隨車間距的縮短,阻力值降低。這會(huì)比考慮改進(jìn)單車造型能更有效地減小氣動(dòng)阻力。

(2)隊(duì)列行駛的領(lǐng)航車輛行駛時(shí)的阻力系數(shù)減小的原因,從其尾部流場的角度來考慮,主要是由于隨著車間距的減小,尾部的流場在 X方向上拖曳的距離逐漸變短,且尾渦的強(qiáng)度也逐漸變小。

(3)試驗(yàn)結(jié)果顯示,隊(duì)列行駛工況中領(lǐng)航車輛的阻力系數(shù)的最大降幅為41.66%。

(4)對于單車而言,可以考慮增加某種附加裝置來改善尾部氣流,使尾流渦拖曳的距離和強(qiáng)度都減小,從而達(dá)到降阻的目的。

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