李啟良，楊志剛，陳 力

(同濟大學，上海地面交通工具風洞中心，上海 201804)

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2015016

汽車氣動升力風洞試驗值的修正方法*

李啟良，楊志剛，陳 力

(同濟大學，上海地面交通工具風洞中心，上海 201804)

分別采用數(shù)值模擬和風洞試驗，研究汽車風洞移動帶產(chǎn)生的附加升力，獲得前后輪移動帶靜壓系數(shù)和附加升力系數(shù)的數(shù)值模擬和試驗結果。接著通過對靜止和運動工況移動帶靜壓系數(shù)變化的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由靜止工況變?yōu)檫\動工況后，前輪帶的附加升力系數(shù)僅增加0.004，而后輪帶增加0.008。結合靜止工況的試驗數(shù)據(jù)和靜止與運動工況的數(shù)值模擬結果，給出了運動工況汽車風洞氣動升力系數(shù)的修正公式，從而可獲得被測車輛的真實升力系數(shù)。

汽車風洞；移動帶系統(tǒng)；數(shù)值模擬；升力修正

前言

氣動阻力和氣動升力分別影響著汽車的燃油經(jīng)濟性和行駛安全性。準確獲得汽車的氣動阻力和氣動升力對汽車研發(fā)有著重要意義，為此國外各汽車企業(yè)花費大量人力物力建設汽車整車風洞[1-2]。為了有效模擬汽車在道路的運行工況，近年建設的整車風洞都配備地面移動系統(tǒng)。由1條中央移動帶和4條處于車輪的小移動帶組成的5帶地面移動系統(tǒng)被廣泛應用[3-4]。

地面移動系統(tǒng)能夠有效消除地面邊界層對氣動力測量的影響，從而真實再現(xiàn)汽車在道路上的運行情況。然而由于天平的某些測力傳感器位于車輪轉動單元下，小移動帶的運轉使自身上下產(chǎn)生壓力差，從而使天平測量得到的升力為被測車輛升力和移動帶附加升力之和。為此有必要獲得移動帶附加升力的大小，從而對風洞氣動升力測量值進行修正，獲得真實的被測車輛的升力。應該指出的是，國內(nèi)在這方面研究幾乎屬于空白，找不到相關研究成果，其主要原因是國內(nèi)之前尚未有汽車整車風洞。

本文中將風洞試驗與數(shù)值模擬相結合，分析靜止工況下小移動帶的附加升力，獲得該工況的氣動升力修正公式，利用數(shù)值模擬開展運動工況下的移動帶附加升力研究，獲得運動工況的氣動升力修正式。由于無法通過風洞試驗得到運動工況下移動帶附加升力，因此只能利用數(shù)值模擬在靜止與運動工況的差異來給出運動工況的氣動升力的修正式。

1 風洞試驗和數(shù)值模擬

1.1 風洞試驗

利用上海地面交通工具風洞中心的氣動-聲學整車風洞，開展車輪靜止工況的氣動升力測量。42個壓力測點布置在車輪四周的小移動帶上方，如圖1所示。

整車質量分布通常前重后輕，為此前后輪的接觸面積有所不同。如圖2所示的輪胎紋影清楚表明，前輪接觸面積大，后輪小，且內(nèi)側大，外側小。盡管前后輪均布置42個壓力測點，但是所對應的面積并不相同。利用面積平均來計算前后平均壓力是比較合理的，如式(1)所示。由于小移動帶下方位于大氣環(huán)境中，因為小移動帶的附加升力為被測平均壓力。

(1)

式中：ΔCL為移動帶產(chǎn)生的附加升力系數(shù)；pi和Si分別為測點的靜壓和面積，Pa和m2；ρ為空氣密度，試驗時的空氣密度ρ=1.2kg/m3；v∞為來流速度，m/s；S為迎風面積，m2。

試驗車輛選用上汽某三廂轎車，如圖3所示。開啟邊界層抽吸系統(tǒng)和中央移動帶，分別測量車速為80、110和140km/h時小移動帶的壓力和天平感受的氣動升力。

1.2 數(shù)值模擬

創(chuàng)建包括5帶系統(tǒng)的數(shù)值風洞。將被測車型固定在數(shù)值風洞中，前后輪與小移動帶相接觸。汽車表面網(wǎng)格尺寸控制在20～30mm之間。發(fā)動機艙的風扇、冷凝器等關鍵部件的面網(wǎng)格尺寸控制在5mm左右。為了更好模擬地面和車身邊界層，在它們表面創(chuàng)建邊界層網(wǎng)格。第1層網(wǎng)格厚度為1mm，增長率為1.2，共計4層。計算域尺寸為7倍車長、5倍車寬和4倍車高。在靠近車輛區(qū)域采用了幾何適應性較好的四面體網(wǎng)格，而在遠離車輛的流場采用了六面體網(wǎng)格。四面體和六面體網(wǎng)格區(qū)域之間用金字塔型網(wǎng)格連接。網(wǎng)格總數(shù)為1 600萬。圖4給出中截面網(wǎng)格示意圖。

冷凝器和散熱器采用多孔介質模型，并根據(jù)風室試驗獲得的風阻和速度曲線設置多孔介質模型。給定與試驗相對應的風速，使用Realizablek-ε雙方程湍流模型和非平衡壁面函數(shù)[5]對湍流場進行模擬。首先進行1階精度計算，當殘差收斂至10-4后繼續(xù)進行2階精度計算，直到殘差收斂至10-5數(shù)量級，且監(jiān)控升力和某點壓力數(shù)值基本不隨迭代發(fā)生改變時，認為計算收斂。

2 結果分析與討論

2.1 數(shù)值模擬與試驗對比

為了更好地比較不同風速的數(shù)值和試驗結果，對測點壓力進行無量綱處理，定義靜壓系數(shù)Cpi為

Cpi=(pi-p

(2)

式中：pi和p∞分別為測點靜壓和參考靜壓，Pa；i為測點序號；v∞為來流速度，m/s。

當測點靜壓系數(shù)Cp>0時，該處的氣流對于移動帶產(chǎn)生的是方向向下的下壓力，當Cp<0時，氣流對于移動帶有向上吸附的作用使移動帶所受的是方向向上的升力。值得指出的是，無論是試驗還是數(shù)值模擬結果都表明，左右兩側基本對稱，不同風速對靜壓系數(shù)影響不大，為此僅給出風速為80km/h時左側的靜壓系數(shù)。觀察圖5所示的靜壓系數(shù)測量結果可以看到，除前后輪迎風處的測點22、23、26和27的Cp>0外，其它測點的Cp<0。由于后輪處于前輪的尾渦中，后輪移動帶表面的靜壓系數(shù)較前輪移動帶表面要小，由此導致后輪處移動帶的附加升力相對于前輪處移動帶小。前輪處移動帶表面Cp的正負峰值分別約為0.70和-0.70，后輪處移動帶表面Cp的正負峰值分別約為0.15和-0.30。

對比前后輪靜壓系數(shù)的數(shù)值模擬和試驗結果可以看到，兩者變化趨勢相同，且大多數(shù)測點數(shù)值差異較小。當然也存在個別測點差異較大?？傮w來講，數(shù)值模擬結果具有一定的精度，可以應用相同的數(shù)值方法進行運動工況的模擬。

利用數(shù)值模擬和試驗獲得的測點靜壓系數(shù)，通過式(1)可以算得移動帶產(chǎn)生的附加升力系數(shù)值，如表1所示。從表中可以看出，試驗獲得前輪移動帶的附加升力系數(shù)為0.020，后輪為0.010，大小僅為前輪的1/2。數(shù)值模擬獲得前輪和后輪的附加升力系數(shù)分別為0.028和0.012。它們都不隨風速的改變而改變。值得指出的是，前輪移動帶的附加升力系數(shù)的數(shù)值模擬結果和試驗結果差異稍大，后輪差異較小。

表1 試驗與數(shù)值模擬所得的升力系數(shù)

2.2 運動工況數(shù)值模擬結果

圖6給出了移動帶靜止與運動工況下測點Cp的對比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：移動帶運動后對于前輪影響較小，大多數(shù)測點的靜壓系數(shù)并無明顯變化，個別測點的靜壓系數(shù)有明顯降低，如測點28～31和測點34～40；后輪移動帶在運動工況的靜壓系數(shù)明顯小于靜止工況，除個別幾個測點靜壓系數(shù)無明顯變化外，大多數(shù)測點都有不同程度的降低，但這些測點在靜止和運動工況的變化趨勢大致相同。

表2給出靜止和運動工況下，通過數(shù)值模擬得到的移動帶附加升力系數(shù)。從表中看出：移動帶的運動使前輪移動帶的附加升力系數(shù)增加0.004，后輪移動帶的附加升力系數(shù)約增加0.008。顯然后輪增幅遠大于前輪。風速的變化并不改變前后輪移動帶的附加升力系數(shù)。

表2 靜止和運動工況移動帶的附加升力系數(shù)

2.3 升力系數(shù)修正

被測車輛的升力應該在天平測得升力數(shù)值中減去移動帶產(chǎn)生的附加升力。

根據(jù)表1中試驗數(shù)據(jù)可得車輪靜止時氣動升力系數(shù)修正關系為

CLF=CLF實測-0.020

CLR=CLR實測-0.010

CL=CL實測-0.030

(3)

在式(3)修正關系的基礎上，結合數(shù)值模擬得到靜止和運動工況對應的附加氣動升力系數(shù)的差異(見表2)，可獲得車輪運動時氣動升力系數(shù)修正關系為

CLF=CLF實測-0.024

CLR=CLR實測-0.018

CL=CL實測-0.042

(4)

應該指出的是，不同汽車風洞和不同的車型可能由于使用移動帶系統(tǒng)大小和輪胎尺寸不一，附加升力系數(shù)的具體數(shù)值可能有所差異。但均可參考本文的方法來獲得。

3 結論

通過風洞試驗測量靜止工況下前后輪靜壓系數(shù)，得到前輪移動帶產(chǎn)生的附加升力系數(shù)為0.020，后輪為0.010。

數(shù)值模擬靜止工況和運動工況下前后輪靜壓系數(shù)，發(fā)現(xiàn)靜止工況下，測點靜壓系數(shù)的數(shù)值結果與試驗結果在變化趨勢上一致。與靜止工況相比，移動帶的運動對于后輪移動帶的影響較大，前輪影響較小。表現(xiàn)在數(shù)值差異為前輪附加升力系數(shù)增加了0.004，后輪增加0.008。

利用文中得到的汽車風洞氣動升力修正關系可以對天平測得的氣動升力系數(shù)進行修正，從而得到被測車輛真實的氣動升力值。當然，即使在相同風洞測量不同類別的車型時，獲得移動帶附加升力系數(shù)也可能有所不同，但仍可通過本文方法獲得。

[1]WalterJA,DuellEG,MartindaleWR,etal.TheDaimlerchryslerFull-scaleAerodynamicNoiseWindTunnel[C].SAEPaper2003-01-0426.

[2]EdwardD,AmirK,SamM,etal.TheBMWAVZWindtunnelCenter[C].SAEPaper2010-01-0118.

[3]WiedemannJ,PotthoffJ.TheNew5-beltRoadSimulationSystemoftheIVKWindTunnel-DesignandFirstResults[C].SAEPaper2003-01-0429.

[4]CogottiA.TheNewMovingGroundSystemofthePininfarinaWindTunnel[C].SAEPaper2007-01-1044.

[5]ShihTH,LiouWW,etal.ANewk-εEddyViscosityModelforHighReynoldsNumberTurbulentFlows:ModelDevelopmentandValidation[J].ComputersandFluids,1995,24(3):227-238.

Correction Method for the Wind Tunnel Test Value of Vehicle Aerodynamic Lift

Li Qiliang, Yang Zhigang & Chen Li

TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804

Both numerical simulation and wind tunnel test are conducted to study the additional lift generated by moving belts in automotive wind tunnel with the simulation and test results obtained in terms of the static pressure coefficients and lift coefficients of front and rear belts. It is found by the numerical simulation on the change in the static pressure coefficients of moving belts between stationary and moving conditions that the additional lift coefficient of front belt in moving condition is only 0.004 larger than that in static condition while it is 0.008 larger for rear belt. By combining the test data in stationary condition with the numerical simulation results in both stationary and moving conditions, the correction formulae for the aerodynamic lift coefficients of automotive wind tunnel in moving condition are given and hence the real lift coefficient of tested vehicle can be obtained.

automotive wind tunnel; moving belt system; numerical simulation; lift correction

*同濟大學青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)行動計劃(2013KJ037)、國家自然科學基金青年科學基金(11302153)、國家973計劃項目(2011CB711203)和上海市地面交通工具風洞專業(yè)技術服務平臺(14DZ2291400)資助。

原稿收到日期為2013年6月5日，修改稿收到日期為2013年7月22日。