風洞移動帶系統對氣動升力影響的數值模擬

丁 寧，楊志剛，李啟良

(同濟大學，上海地面交通工具風洞中心，上海 201804)

前言

整車風洞是研究汽車空氣動力學的重要設施。道路模擬系統是風洞實驗的重要組成部分。世界主流的汽車風洞大都配備先進移動帶系統來實現道路的模擬，以提高測量精度。因為汽車底部氣流和車輪運動所造成的阻力占汽車總氣動阻力的大部分［1］，只有真實模擬底部氣流才能更真實地反映汽車的實際受力。

移動帶系統是由1條中央移動帶和4條小移動帶組成，見圖1。中央移動帶居于車身底部，4條小移動帶居于車輪底部，4條小移動帶旁有4個固定支柱用以固定被測車輛，同時他們的底部有4個探針，通過這4個探針，風洞下部的測力天平可以對實驗中所需要的數據進行測量。圖2為4條小移動帶的示意圖。在運轉時，每條移動帶上下必然產生壓差，這會給天平升力測量帶來一定的誤差，其大小較難通過實驗直接獲得，而借助數值計算可準確了解。國內外有關移動帶的研究［2－9］，大都側重于移動地面對于地面邊界層的影響，或將地面移動帶和邊界層抽吸系統放在一起研究，而很少單獨細致地分析小移動帶的誤差。為此，本文中采用數值模擬方法，分別對移動帶系統在空轉、有單個輪胎和整車等工況進行計算，分析移動帶系統在這些工況下的受力情況，并確定所帶來的測量誤差。

1 數值模擬

本文中的數值模擬共分6個算例進行，如表1所示。

表1 數值模擬算例分類

研究的移動帶系統由1條中央移動帶和4條小移動帶組成，其中中央移動帶長為7m、寬為1m;4條小移動帶長為0.3m、寬為0.28m;由于風洞測力單元位于4條小移動帶處，因此主要選擇4條小移動帶的轉鼓實驗臺進行數值模擬。如圖3所示，僅選取整個系統的一半進行模擬。圖4示出計算所用簡化兩廂車。

處理網格時在物理量梯度較大的區域以及移動帶和地面區域加密網格［10］，4 條小移動帶的表面網格控制在20mm左右，移動帶和地面的第1層網格厚度為1mm，增量2mm，這樣可以更好地反映近地面的氣體流動情況。輪胎的表面網格控制在20mm，汽車模型的表面網格控制在5～30mm之間，部分復雜曲面如后視鏡，采用5mm網格，大面積平滑表面如車頂蓋，采用30mm網格，車身表面網格第1層厚度為1.5mm，增量1.5mm。對于6種工況，統一使用非結構化網格。

計算域由兩部分組成，如圖5所示，一部分是由長寬高分別為L、W、H的長方體區域模擬風洞實驗段，另一部分則是轉鼓模型的計算區域。

表2 6種工況的長方體部分計算域大小和網格數

為提高計算效率，選擇3種不同的計算域來進行計算，因為工況不同，用來模擬風洞實驗段的長方體大小也有所不同，但轉鼓部分的計算域在6種工況計算中相同，這也保證了轉鼓和4條小移動帶部分6種工況的計算結果有可比性。

6種工況的長方體部分計算域大小和網格總數見表2。該部分計算域在考慮提高計算效率和節省計算資源的前提下，在長方體高度方面做了修改。主要依據是使6種工況的阻塞比都符合要求。有研究表明，對于風洞實驗結果，低于1%的阻塞比，其阻塞干擾產生的誤差無須修正［11］。本次計算所選用的輪胎模型和汽車模型的投影面積分別為0.177和2.44m2，其阻塞比均小于1%，因此認為選取不同長方體部分的計算域，其計算結果可以認可。

利用FLUENT軟件選用k-εRealizable兩方程湍流模型，和 Non-equilibrium 壁面函數［12］，邊界條件如表3所示。

表3 邊界條件

首先對計算模型進行1階精度計算，當殘差收斂至10－4數量級后，繼續進行2階精度計算，直到殘差收斂至10－5數量級，且監控物理量數值基本不隨迭代發生改變時，認為計算收斂。

2 計算結果分析

6種工況計算結果的對比表明，由于邊界條件和氣流分布不同，由移動帶自身運動所產生的附加升力會有很大不同。而升力產生的原因是由于移動帶的運動，帶動其附近氣流的運動，從而造成移動帶上下產生壓差所致。

2.1 工況1、工況2和工況3的結果分析

表4給出了工況1與工況3的結果對比。可以看出，移動帶自身的運動會產生附加升力。

表4 工況1和工況3受力對比 N

表5為工況2與工況3的計算結果。可以看出，當有入口風速時，移動帶自身運動所產生的附加升力明顯增大。圖6給出了兩種工況下轉鼓實驗臺中心截面的湍流強度，從圖中可以看出，隨著入口風速的增大，轉鼓實驗臺內和地面上部的湍流強度明顯增強，這部分湍流消耗了能量，產生了壓差，使移動帶產生了升力，這給位于4條小移動帶下的天平測量帶來誤差。

表5 工況2和工況3受力對比 N

2.2 工況4和工況5的結果分析

表6給出了工況4與工況5的計算結果。可以看出，在有輪胎參與運動，且沒有入口風速的情況下，4條移動帶所產生的附加升力都有減小的趨勢，甚至產生了負升力。

表6 工況4和工況5受力對比 N

圖7 給出了工況4和工況5的輪胎與轉鼓實驗臺中心截面湍流強度。可以看出，由輪胎旋轉所引起的湍流強度無論是在轉鼓實驗臺內還是在移動帶附近都明顯強于工況2和工況3，這種情況在工況5中體現得尤為明顯，前輪引起的尾部湍流已經影響到后輪周圍的流場分布，但綜合轉鼓上下兩部分移動帶的受力，當有輪胎參與運動時，對于移動帶運動所產生的附加升力，工況4比工況2減小了113%，工況5比工況3減小了56%。

2.3 工況6計算結果分析

工況6的計算結果見表7。圖8給出了車輪附近的湍流強度，從圖中可以看出，由于車輪自身的運動和車身外形的影響，前輪后部的湍流強度比工況4有所減弱，這些湍流形成了低壓區，同時使4條移動帶的上部產生了升力，但移動帶下部卻有負升力產生。工況6的汽車模型由數值計算得出的氣動升力系數為0.122，所受氣動升力為164.8N，而4條小移動帶所受的合力為44.3N。在風洞實驗中，天平所測的升力是汽車所受的氣動升力與移動帶運動所產生的附加升力之和，即164.8+44.3=209.1N，這時所計算出的氣動升力系數為0.155，相對于0.122增加了27%，可見在實車風洞實驗測定氣動升力時，必須扣除地面移動帶所造成的附加氣動升力。

表7 工況6的計算結果

3 結論

利用數值計算方法研究移動帶系統在不同工況下的自身壓差，分析其形成原因，得到以下結論。

(1)移動帶自身空轉即使無來流也會產生升力，而升力隨來流速度增加而有所增大。對于本文中所計算的來流速度，其升力可達76.9N。

(2)整車測量中，移動帶自身產生的升力會增大實驗車的升力，可使實驗車升力增加27%。

應該指出的是，不同移動帶系統可能給實驗測量帶來的升力誤差有所不同，有必要進行各自修正。

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