收集口形狀和角度對汽車風洞試驗段軸向靜壓因數(shù)的影響

徐玉冬+楊志剛+李啟良

摘要： 為研究風洞收集口形狀和角度對試驗段軸向靜壓因數(shù)的影響，通過數(shù)值仿真和試驗驗證研究翼型收集口在多種角度下軸向靜壓因數(shù)的變化，并與平板型收集口對比.結(jié)果表明：收集口形狀對軸向靜壓因數(shù)變化規(guī)律沒有影響，軸向靜壓因數(shù)總是隨開口角度的增大而減小；對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比在兩側(cè)張開相同角度的軸向靜壓因數(shù)略低.收集口角度變化對軸向靜壓因數(shù)會產(chǎn)生規(guī)律性影響：隨收集口角度增大，從剪切層外部特別是上方進入到射流核心區(qū)的流量增加，導(dǎo)致核心區(qū)流速增加，從而導(dǎo)致軸向靜壓因數(shù)降低.

關(guān)鍵詞： 汽車風洞； 收集口形狀； 收集口角度； 軸向靜壓因數(shù)； 質(zhì)量流量； 湍動耗散率； 試驗； 數(shù)值模擬

中圖分類號： U461.1文獻標志碼： B

Abstract： To study the effect of collector shape and angle on the axial static pressure factor of automotive wind tunnel test section， the axial static pressure factor variation of airfoiltype collector at different angles is researched with numerical simulation and test verification and compared with the paneltype collector. The results indicate that， the axial static pressure factor variation law has nothing to do with collector shape and it always decreases with the increase of the opening angle； as to the same shape collector， the axial static pressure factor is a little lower when only the upper part of the collector is opened at a given angle than when the both sides of the collector is opened at the same angle. The collector angle changes have regular effect on the axial static pressure factor. With the collector angle increasing， the more flow enters the jet low core area from shear layer outside， especially from upper direction； it results in the increase of flow velocity in core area， which leads to the decrease of the axial static pressure factor.

Key words： automotive wind tunnel； collector shape； collector angle； axial static pressure factor； mass flow rate； turbulent dissipation rate； test； numerical simulation

0引言

汽車風洞是汽車研發(fā)的重要測試設(shè)施.開口回流式風洞在氣動聲學測量方面的優(yōu)勢使其成為現(xiàn)代汽車風洞的主要形式.[1]開口式風洞試驗段本身的特點決定其軸向靜壓因數(shù)具有碗狀變化規(guī)律，在一定程度上對測量結(jié)果產(chǎn)生影響.[2]試驗段軸向靜壓因數(shù)是評價汽車風洞流場品質(zhì)的重要指標之一，主要受試驗段尺寸、收集口形狀和角度影響.[3]為改善試驗段軸向靜壓因數(shù)分布，基于同濟大學汽車模型風洞，李啟良等[4]發(fā)現(xiàn)可以通過改變收集口角度和收集口喉部開縫實現(xiàn)這一目標：增大收集口角度或增加喉部間隙可以降低試驗段軸向靜壓因數(shù).現(xiàn)代汽車風洞多采用平板型或翼型收集口，例如同濟大學風洞采用平板型收集口，寶馬公司風洞采用翼型收集口.[5]然而，不同類型收集口對軸向靜壓因數(shù)影響規(guī)律的內(nèi)在機理鮮有深入研究.

本文首先通過數(shù)值仿真與試驗相結(jié)合，對比平板型收集口在不同角度下試驗段軸向靜壓因數(shù)變化規(guī)律，然后研究翼型收集口不同角度組合，嘗試明確翼型收集口對軸向靜壓因數(shù)的影響規(guī)律和內(nèi)在機理.

1試驗和數(shù)值模擬方法

為保證計算準確性，采用模型風洞試驗驗證數(shù)值計算結(jié)果.

在模型風洞中使用平板型收集口，完成具有代表性的0°和15°這2種工況.在數(shù)值計算中同時建立翼型和平板型收集口各種角度及不同角度組合的數(shù)值模型.2種數(shù)值模擬方案見表1.

利用基于有限體積法的商業(yè)軟件FLUENT進行求解.由于噴口的來流速度為30 m/s，馬赫數(shù)Ma<0.3，因此可以認為是不可壓流動.采用基于RANS方程框架中的可實現(xiàn)kε兩方程渦黏性傳輸模型和非平衡壁面函數(shù)對計算域內(nèi)湍流進行求解.[8]進出口邊界條件分別設(shè)為速度入口和自由出流；在收縮段進口設(shè)定與試驗相同的速度5 m/s.先選用穩(wěn)定的1階格式，迭代2 000步后，殘差收斂至10-5，選用精度更高的2階格式繼續(xù)迭代.在滿足設(shè)定殘差和監(jiān)控物理量為常量后停止初次迭代.根據(jù)表征近壁面無量綱距離的y+值進行網(wǎng)格加密，繼續(xù)迭代直到y(tǒng)+為30～200，且殘差和監(jiān)控物理量也保持不變后停止.這個區(qū)域被認為是壁面函數(shù)有效區(qū)域.

2結(jié)果分析和討論

2.1試驗與數(shù)值對比

平板型收集口2種角度的試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比見圖3，可知，盡管試驗存在誤差，擬合曲線略有波動，但測量結(jié)果與數(shù)值模擬無論是在趨勢上還是在具體數(shù)值上都比較接近.例如，對于0°收集口，當測點位于x方向500 mm位置時，試驗測得該點軸向靜壓因數(shù)為0.056 1，數(shù)值模擬結(jié)果為0.057 2，誤差為1.9%.考慮到試驗時人工誤差及測量儀器誤差，此結(jié)果誤差處于允許范圍內(nèi).因此，在研究試驗段軸向靜壓因數(shù)時可采用試驗與數(shù)值模擬2種方法并互相驗證.

3結(jié)論

通過研究平板型和翼型收集口在多種角度及不同角度組合下軸向靜壓因數(shù)的變化規(guī)律，揭示不同類型收集口在不同角度下對軸向靜壓因數(shù)影響的內(nèi)在機理，為風洞建設(shè)中確定收集口的關(guān)鍵參數(shù)提供參考.

（1）對于翼型和平板型收集口，軸向靜壓因數(shù)都隨開口角度的增大而減小，收集口形狀對變化規(guī)律沒有影響.對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比只在兩側(cè)張開相同角度的軸向靜壓因數(shù)略低.

（2）流量變化是揭示試驗段軸向靜壓因數(shù)變化規(guī)律的根本原因.當收集口角度增大時，從剪切層外部，特別是上方進入到射流核心區(qū)的流量增加，導(dǎo)致核心區(qū)流速增加，靜壓因數(shù)降低.

參考文獻：

[1]中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會. 高低速風洞氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2003： 4041.

[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.

[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.

[4]李啟良， 鄭志強， 賈青， 等. 兩種改善汽車風洞軸向靜壓系數(shù)的方法[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2010， 38（3）： 422426.

[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010

[6]鄭志強. 汽車氣動聲學風洞低頻顫振現(xiàn)象研究及控制[D]. 上海： 同濟大學， 2008.

[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.

[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.

[9]吳桐. 3/4開口式汽車模型風洞試驗段剪切層結(jié)構(gòu)研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.

2結(jié)果分析和討論

2.1試驗與數(shù)值對比

平板型收集口2種角度的試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比見圖3，可知，盡管試驗存在誤差，擬合曲線略有波動，但測量結(jié)果與數(shù)值模擬無論是在趨勢上還是在具體數(shù)值上都比較接近.例如，對于0°收集口，當測點位于x方向500 mm位置時，試驗測得該點軸向靜壓因數(shù)為0.056 1，數(shù)值模擬結(jié)果為0.057 2，誤差為1.9%.考慮到試驗時人工誤差及測量儀器誤差，此結(jié)果誤差處于允許范圍內(nèi).因此，在研究試驗段軸向靜壓因數(shù)時可采用試驗與數(shù)值模擬2種方法并互相驗證.

3結(jié)論

通過研究平板型和翼型收集口在多種角度及不同角度組合下軸向靜壓因數(shù)的變化規(guī)律，揭示不同類型收集口在不同角度下對軸向靜壓因數(shù)影響的內(nèi)在機理，為風洞建設(shè)中確定收集口的關(guān)鍵參數(shù)提供參考.

（1）對于翼型和平板型收集口，軸向靜壓因數(shù)都隨開口角度的增大而減小，收集口形狀對變化規(guī)律沒有影響.對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比只在兩側(cè)張開相同角度的軸向靜壓因數(shù)略低.

（2）流量變化是揭示試驗段軸向靜壓因數(shù)變化規(guī)律的根本原因.當收集口角度增大時，從剪切層外部，特別是上方進入到射流核心區(qū)的流量增加，導(dǎo)致核心區(qū)流速增加，靜壓因數(shù)降低.

參考文獻：

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[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.

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[9]吳桐. 3/4開口式汽車模型風洞試驗段剪切層結(jié)構(gòu)研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.

2結(jié)果分析和討論

2.1試驗與數(shù)值對比

平板型收集口2種角度的試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比見圖3，可知，盡管試驗存在誤差，擬合曲線略有波動，但測量結(jié)果與數(shù)值模擬無論是在趨勢上還是在具體數(shù)值上都比較接近.例如，對于0°收集口，當測點位于x方向500 mm位置時，試驗測得該點軸向靜壓因數(shù)為0.056 1，數(shù)值模擬結(jié)果為0.057 2，誤差為1.9%.考慮到試驗時人工誤差及測量儀器誤差，此結(jié)果誤差處于允許范圍內(nèi).因此，在研究試驗段軸向靜壓因數(shù)時可采用試驗與數(shù)值模擬2種方法并互相驗證.

3結(jié)論

通過研究平板型和翼型收集口在多種角度及不同角度組合下軸向靜壓因數(shù)的變化規(guī)律，揭示不同類型收集口在不同角度下對軸向靜壓因數(shù)影響的內(nèi)在機理，為風洞建設(shè)中確定收集口的關(guān)鍵參數(shù)提供參考.

（1）對于翼型和平板型收集口，軸向靜壓因數(shù)都隨開口角度的增大而減小，收集口形狀對變化規(guī)律沒有影響.對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比只在兩側(cè)張開相同角度的軸向靜壓因數(shù)略低.

（2）流量變化是揭示試驗段軸向靜壓因數(shù)變化規(guī)律的根本原因.當收集口角度增大時，從剪切層外部，特別是上方進入到射流核心區(qū)的流量增加，導(dǎo)致核心區(qū)流速增加，靜壓因數(shù)降低.

參考文獻：

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[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.

[4]李啟良， 鄭志強， 賈青， 等. 兩種改善汽車風洞軸向靜壓系數(shù)的方法[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2010， 38（3）： 422426.

[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010

[6]鄭志強. 汽車氣動聲學風洞低頻顫振現(xiàn)象研究及控制[D]. 上海： 同濟大學， 2008.

[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.

[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.

[9]吳桐. 3/4開口式汽車模型風洞試驗段剪切層結(jié)構(gòu)研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.