汽車風洞支撐干擾扣除方法研究

張英朝,張 喆,李 杰

(吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室,長春 130022)

0 引 言

在進行汽車風洞試驗時,支撐裝置暴露在風洞流場中,對于風洞底部安裝的機械力分解天平來說,支撐桿受到的力也會被測量出來,無法一次獲得氣動力的原始實驗數據。由于汽車模型的支撐裝置暴露在流場中,支撐裝置會對流場有干擾,從而干擾汽車本身的氣動力實驗數據,這些干擾需要進行消除[1-3]。針對吉林大學汽車風洞存在的支撐干擾問題,應用試驗和數值仿真相結合的方法來對支撐干擾力進行扣除。

1 支撐干擾扣除方法

1.1 風洞試驗

基于鏡像法的支撐干擾扣除方法需要支撐有較小的擾動,并且兩個鏡像支撐之間的距離較遠,兩者的相互干擾盡可能小[1]。對于汽車風洞來說,風洞試驗很難應用鏡像法來實現對于模型支撐干擾扣除。但是借鑒航空風洞的鏡像法原理,作者提出了一種扣除風洞模型支撐干擾的方法。應用風洞進行兩次試驗,如圖1所示。在第一次(a)試驗時,通過天平獲得包括汽車模型、支撐和兩者干擾在內的氣動力。在第二次(b)試驗時,將汽車模型與汽車模型支撐的連接斷開,同時使用一種固定支撐方式將汽車模型固定在汽車風洞上。固定汽車模型的方式盡量要簡單,并盡可能減小對汽車周圍流場的干擾。該方法因為本身不測量汽車模型的氣動力,因此計算分析時忽略汽車模型底部的支撐部件對風洞支撐的氣動力的影響。

圖1 試驗方案示意圖Fig.1 Scheme of wind tunnel tests

從上圖中可以分析出,對于(a)試驗有

對于(b)試驗,所測量的氣動力為

式中,F為試驗測得的氣動力,不同的下標代表不同氣動力。m代表模型;s代表支撐裝置;s.m代表支撐對模型的干擾;m.s代表模型對支撐的干擾。

對上面兩式進行分析,即使用Fa-Fb也不能獲得模型的氣動力,僅能夠得到模型本身和由于支撐對模型產生的干擾。

對于汽車風洞試驗來說,汽車模型支撐對于汽車模型本身的氣動干擾并不能夠忽略。因此如何確定這部分干擾成為重要內容。

從現有試驗裝置和設備以及經驗來看,還很難從試驗方式上實現支撐對模型干擾的分離,去除支撐對模型的干擾量。為此將通過數值仿真的方法對該問題進行研究。

1.2 數值仿真

應用CFD數值仿真軟件建立風洞的數字化模型。同樣進行兩次試驗,如圖2所示。在第一次(a)仿真時,通過仿真獲得汽車模型和支撐對汽車模型干擾的氣動力。在第二次(b)仿真時,獲得汽車模型的氣動力。

圖2 數值仿真方案示意圖Fig.2 Scheme of numerical simulations

從上圖中可以分析出,對于(a)仿真可以得到：

對于(b)仿真,所獲得的氣動力為：

式中,F′為數值仿真得到的氣動力,不同的下標代表不同氣動力。對上述兩式進行分析,使用即可獲得支撐對模型的干擾。

將F′s.m修正后作為Fs.m,這樣就可以通過公式(3)減去Fs.m獲得沒有支撐干擾的模型的氣動力數據。

2 支撐干擾扣除的實現

2.1 試驗風洞介紹

吉林大學汽車風洞配備有專用的六分量天平測量系統、轉盤系統、電子壓力掃描閥等系統,天平測量系統包括測力傳感器和模型支撐裝置,傳感器和數據采集系統的整體精度優于0.05%F.S.,確保了測量結果的準確性。風泂主要技術參數為：

(1)試驗段尺寸：8m(長)×4m(寬)×2.2m(高);

(2)最大風速：60m/s;

(3)收縮比：5.17;

(4)主電機功率：1000kW;

(5)轉盤轉角范圍：±30°。

如圖3所示,吉林大學汽車風洞為回流式風洞。風洞的試驗段為開式試驗段,如圖4所示。采用開式試驗段,可以更小的試驗段完成更大正投影面積的模型試驗,能夠降低風洞的建設投資費用。

圖3 吉林大學汽車風洞簡圖Fig.3 Automotive wind tunnel of Jilin University

2.2 試驗模型的制作、風洞支撐及風洞試驗

研究以MIRA模型和SAE模型兩種標準參考汽車模型進行風洞試驗和仿真研究。根據這兩種模型的尺寸,選取1∶2比例,制作出的試驗用的模型如圖5所示。

針對上述兩種汽車模型,結合前面所述的吉林大學汽車風洞支撐氣動干擾扣除方法,進行兩次與風洞支撐有關的試驗：(1)汽車模型和支撐的總氣動力試驗方案;(2)汽車模型固定在地板上,斷開汽車模型與支撐的連接,單獨測量支撐氣動力的試驗方案。

對于模型的第一次試驗方案,由于有四個車輪,所以制作出一種z字形的支撐桿,將支撐桿直接卡在四個輪子旁邊,輔助一定的膠水粘結,模型可以很穩定固定在支撐上,如圖6所示。

圖6 MIRA模型的風洞支撐與試驗Fig.6 MIRA model support and wind tunnel tests

對于模型的第二次試驗方案,因為有車輪,通過車輪將模型固定在移動地板上方的細木工板上,再將細木工板通過鋼帶固定在風洞試驗段上,同時對部分區域粘貼膠帶,減小大的棱角和突起對流場的干擾。汽車模型同支撐分離,模型整體抬高5mm。汽車風洞的支撐保持不變,包括支撐的軸距和高度,具體方式如圖7所示。研究忽略模型抬高對支撐氣動力的影響。

由于篇幅限制,僅以MIRA模型的風洞試驗為例進行說明。SAE模型的風洞試驗過程和MIRA的風洞試驗類似。

圖7 M IRA模型支撐分離的試驗Fig.7 MIRA wind tunnel test model separated with support

2.3 數字化模型的建立、邊界條件設置及仿真

數值仿真的邊界條件設置會影響數值仿真結果,采用課題組過去常用的邊界條件設定方法[4],所有計算求解在ANSYS Fluent 6.3中進行,采用Fluent中的邊界條件。具體邊界設定及參數為：

(1)噴口處速度：25 m/s、30m/s、35 m/s、40 m/s等多種風速,以30 m/s為主;

(2)噴口湍流強度：0.5%;

(3)大氣壓：標準大氣壓;

(4)空氣密度：1.225kg/m3;

(5)出口條件：壓力出口,標準大氣壓;

(6)湍流模型：標準k-ε湍流模型。

根據吉林大學汽車風洞的結構和參數,在CAD軟件中建立了吉林大學風洞的數字化模型,模型包括了從風洞穩定段、收縮段、試驗段、集氣口、試驗控制室及第一擴散段的所有結構,如圖8所示。在CFD前處理軟件中完成風洞中模型支撐的數字化建模,如圖9所示。

圖8 吉林大學汽車風洞的數字化模型Fig.8 Digital model of automotive wind tunnel of Jilin University

圖9 風洞中汽車的數字化模型Fig.9 Digital model of the support in wind tunnel

支撐零部件多,而且體積小,拐角多,結構復雜。因此支撐的網格劃分,是風洞網格生成的難點。如何控制網格尺寸,保證網格能夠很好體現支撐結構細節,能夠精確模擬支撐周圍的繞流是關鍵問題。根據支撐結構對不同部件的網格尺寸進行控制,并對支撐結構的尾流區域進行細化,網格劃分方案如圖10所示。

圖10 支撐表面網格與支撐周圍流場網格Fig.10 Meshes of support and flow field around support

數值仿真模型與試驗模型一致,進行了MIRA模型4種尾部和SAE模型3種尾部共7款車型的風洞試驗,因此同時建立了這7種車型的數字化模型,如圖11和圖12所示。

數值仿真的結果數據比較多,這里只選取SAE模型階背式車型有無支撐的表面壓力顯示結果做一展示,如圖13所示。

3 結果分析

僅對氣動阻力系數進行分析研究。根據公式(3),將模型支撐和汽車模型各自的氣動力及其相互干擾之和減掉支撐的氣動力與模型對支撐的干擾就得到了帶有支撐干擾的汽車模型的氣動力,即Fm+ Fs.m,將其轉化為氣動阻力系數,如表1。數據與應用數值仿真方法獲得有支撐情況下的模型氣動力數據的條件是一致的。表1所示,誤差為數值仿真與試驗數據之差對試驗數據的比值,以百分比表示。所有數據都是在風速30m/s(相當于108km/h)的條件下獲得的。

圖13 數值仿真汽車模型表面壓力分布Fig.13 Pressure distribution on model body of CFD

表1 帶有支撐干擾的汽車模型氣動阻力系數對比Table 1 Drag coefficients with interference of support

可以看到,所進行的研究數值仿真的精度都在5%左右,并且各種方案的數值仿真的結果比較穩定,誤差也相對比較接近,可以滿足本次工程研究的需要。

按照上述方法,對試驗結果進行處理獲得進行支撐修正之后的試驗數據,通過風洞阻塞修正獲得最終風洞試驗值,將進行風洞阻塞修正后的試驗值同來自其它風洞試驗[5-6]的目標值比較獲得試驗的誤差,數據如表2所示。

表2 修正后氣動力系數Table 2 Drag coefficients with correction

風洞試驗的最終結果大多數誤差在±1%以內,僅有個別的稍高。總體誤差在可接受范圍之內,風洞修正方法能夠滿足工程要求,方法可行。

4 結 論

根據研究需要,借鑒航空風洞支撐干擾的鏡像法,應用兩次風洞試驗和兩次數值仿真結合的方式來修正模型支撐的氣動干擾。首先通過兩次風洞試驗,一次獲得汽車模型和支撐各自氣動力以及其相互干擾;一次獲得支撐及模型對支撐的氣動干擾。兩次數據相減獲得帶有支撐干擾的汽車模型阻力試驗數據。進行兩次同試驗工況類似的數值仿真,一次進行風洞中有模型支撐的數值仿真;一次進行風洞中無支撐的數值仿真。提取兩次仿真汽車模型的氣動阻力數據,并相減獲得支撐對汽車模型氣動阻力系數的干擾量。通過對該數據進行修正,作為試驗時支撐對汽車模型的干擾量。這樣就獲得修正了模型支撐干擾的汽車模型的試驗數據。

通過扣除了支撐干擾后的數據進行風洞阻塞修正后,試驗數據同試驗模型的目標數據接近,試驗數據精度能夠滿足工程需要。所研究的風洞支撐干擾扣除方法可行。

主要針對汽車風洞的氣動阻力進行了研究,其它氣動力數據的干擾扣除還有待進一步深入探討。

[1] 程厚梅.風洞試驗干擾與修正[M].北京：國防工業出版社,2003.

[2] 高 利.汽車模型風洞試驗支架干擾修正的試驗研究[J].西安公路交通大學學報,1998,18(2)：60-64.

[3] HUCHO W H.Aerodynamics of road vehicle[R].SAE R-177：209-235.

[4] 張英朝,張 喆,李 杰.基于空氣動力學數值模擬的汽車造型設計[J].吉林大學學報(工學版),2009,9,39 (S2)：260-263.

[5] SAE J2071.Aerodynamic testing of road vehicles-open throat wind tunnel adjustment[S].Warrendale,Pa：Society of Automotive Engineers,1990.

[6] Antonello Cogotti.A parametric study on the groun d effect of a simplified car model[C].SAE Paper 980031.