丁 寧，楊志剛，李啟良

(同濟(jì)大學(xué)，上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804)

前言

整車風(fēng)洞是研究汽車空氣動力學(xué)的重要設(shè)施。道路模擬系統(tǒng)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。世界主流的汽車風(fēng)洞大都配備先進(jìn)移動帶系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)道路的模擬，以提高測量精度。因?yàn)槠嚨撞繗饬骱蛙囕嗊\(yùn)動所造成的阻力占汽車總氣動阻力的大部分［1］，只有真實(shí)模擬底部氣流才能更真實(shí)地反映汽車的實(shí)際受力。

移動帶系統(tǒng)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(fēng)洞下部的測力天平可以對實(shí)驗(yàn)中所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。圖2為4條小移動帶的示意圖。在運(yùn)轉(zhuǎn)時，每條移動帶上下必然產(chǎn)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(shí)驗(yàn)直接獲得，而借助數(shù)值計(jì)算可準(zhǔn)確了解。國內(nèi)外有關(guān)移動帶的研究［2－9］，大都側(cè)重于移動地面對于地面邊界層的影響，或?qū)⒌孛嬉苿訋Ш瓦吔鐚映槲到y(tǒng)放在一起研究，而很少單獨(dú)細(xì)致地分析小移動帶的誤差。為此，本文中采用數(shù)值模擬方法，分別對移動帶系統(tǒng)在空轉(zhuǎn)、有單個輪胎和整車等工況進(jìn)行計(jì)算，分析移動帶系統(tǒng)在這些工況下的受力情況，并確定所帶來的測量誤差。

1 數(shù)值模擬

本文中的數(shù)值模擬共分6個算例進(jìn)行，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬算例分類

研究的移動帶系統(tǒng)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(fēng)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(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖3所示，僅選取整個系統(tǒng)的一半進(jìn)行模擬。圖4示出計(jì)算所用簡化兩廂車。

處理網(wǎng)格時在物理量梯度較大的區(qū)域以及移動帶和地面區(qū)域加密網(wǎng)格［10］，4 條小移動帶的表面網(wǎng)格控制在20mm左右，移動帶和地面的第1層網(wǎng)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(wǎng)格控制在20mm，汽車模型的表面網(wǎng)格控制在5～30mm之間，部分復(fù)雜曲面如后視鏡，采用5mm網(wǎng)格，大面積平滑表面如車頂蓋，采用30mm網(wǎng)格，車身表面網(wǎng)格第1層厚度為1.5mm，增量1.5mm。對于6種工況，統(tǒng)一使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

計(jì)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(qū)域模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段，另一部分則是轉(zhuǎn)鼓模型的計(jì)算區(qū)域。

表2 6種工況的長方體部分計(jì)算域大小和網(wǎng)格數(shù)

為提高計(jì)算效率，選擇3種不同的計(jì)算域來進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)楣r不同，用來模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的長方體大小也有所不同，但轉(zhuǎn)鼓部分的計(jì)算域在6種工況計(jì)算中相同，這也保證了轉(zhuǎn)鼓和4條小移動帶部分6種工況的計(jì)算結(jié)果有可比性。

6種工況的長方體部分計(jì)算域大小和網(wǎng)格總數(shù)見表2。該部分計(jì)算域在考慮提高計(jì)算效率和節(jié)省計(jì)算資源的前提下，在長方體高度方面做了修改。主要依據(jù)是使6種工況的阻塞比都符合要求。有研究表明，對于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，低于1%的阻塞比，其阻塞干擾產(chǎn)生的誤差無須修正［11］。本次計(jì)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(rèn)為選取不同長方體部分的計(jì)算域，其計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)可。

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

表3 邊界條件

首先對計(jì)算模型進(jìn)行1階精度計(jì)算，當(dāng)殘差收斂至10－4數(shù)量級后，繼續(xù)進(jìn)行2階精度計(jì)算，直到殘差收斂至10－5數(shù)量級，且監(jiān)控物理量數(shù)值基本不隨迭代發(fā)生改變時，認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 計(jì)算結(jié)果分析

6種工況計(jì)算結(jié)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(yùn)動所產(chǎn)生的附加升力會有很大不同。而升力產(chǎn)生的原因是由于移動帶的運(yùn)動，帶動其附近氣流的運(yùn)動，從而造成移動帶上下產(chǎn)生壓差所致。

2.1 工況1、工況2和工況3的結(jié)果分析

表4給出了工況1與工況3的結(jié)果對比。可以看出，移動帶自身的運(yùn)動會產(chǎn)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(jì)算結(jié)果。可以看出，當(dāng)有入口風(fēng)速時，移動帶自身運(yùn)動所產(chǎn)生的附加升力明顯增大。圖6給出了兩種工況下轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺中心截面的湍流強(qiáng)度，從圖中可以看出，隨著入口風(fēng)速的增大，轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)和地面上部的湍流強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，這部分湍流消耗了能量，產(chǎn)生了壓差，使移動帶產(chǎn)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(jié)果分析

表6給出了工況4與工況5的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯谟休喬⑴c運(yùn)動，且沒有入口風(fēng)速的情況下，4條移動帶所產(chǎn)生的附加升力都有減小的趨勢，甚至產(chǎn)生了負(fù)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(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺中心截面湍流強(qiáng)度?？梢钥闯觯奢喬バD(zhuǎn)所引起的湍流強(qiáng)度無論是在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)還是在移動帶附近都明顯強(qiáng)于工況2和工況3，這種情況在工況5中體現(xiàn)得尤為明顯，前輪引起的尾部湍流已經(jīng)影響到后輪周圍的流場分布，但綜合轉(zhuǎn)鼓上下兩部分移動帶的受力，當(dāng)有輪胎參與運(yùn)動時，對于移動帶運(yùn)動所產(chǎn)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(jì)算結(jié)果分析

工況6的計(jì)算結(jié)果見表7。圖8給出了車輪附近的湍流強(qiáng)度，從圖中可以看出，由于車輪自身的運(yùn)動和車身外形的影響，前輪后部的湍流強(qiáng)度比工況4有所減弱，這些湍流形成了低壓區(qū)，同時使4條移動帶的上部產(chǎn)生了升力，但移動帶下部卻有負(fù)升力產(chǎn)生。工況6的汽車模型由數(shù)值計(jì)算得出的氣動升力系數(shù)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，天平所測的升力是汽車所受的氣動升力與移動帶運(yùn)動所產(chǎn)生的附加升力之和，即164.8+44.3=209.1N，這時所計(jì)算出的氣動升力系數(shù)為0.155，相對于0.122增加了27%，可見在實(shí)車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

利用數(shù)值計(jì)算方法研究移動帶系統(tǒng)在不同工況下的自身壓差，分析其形成原因，得到以下結(jié)論。

(1)移動帶自身空轉(zhuǎn)即使無來流也會產(chǎn)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(jì)算的來流速度，其升力可達(dá)76.9N。

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

應(yīng)該指出的是，不同移動帶系統(tǒng)可能給實(shí)驗(yàn)測量帶來的升力誤差有所不同，有必要進(jìn)行各自修正。

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