張英朝,詹大鵬,趙 婧,張 喆,李 杰

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

2016226

汽車風(fēng)洞地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)影響的研究

張英朝,詹大鵬,趙 婧,張 喆,李 杰

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

為降低汽車風(fēng)洞地面效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞進(jìn)行了研究，分析了移動(dòng)帶、垂直抽吸裝置和二者的共同作用對(duì)試驗(yàn)的影響，并通過(guò)試驗(yàn)揭示地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)對(duì)汽車模型阻力系數(shù)的影響。結(jié)果表明，移動(dòng)帶和垂直抽吸裝置均能有效地減小地面邊界層的厚度，改善地面附近的流場(chǎng)，而使阻力系數(shù)增加，其中，抽吸系統(tǒng)的影響更為顯著；同時(shí)使用這兩種裝置能獲得對(duì)地面效應(yīng)的最佳控制。

汽車空氣動(dòng)力學(xué)；計(jì)算流體力學(xué)；地面效應(yīng)；移動(dòng)帶；抽吸裝置

前言

汽車空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和安全性有著重要的影響，改善其氣動(dòng)性能對(duì)于提高汽車動(dòng)力性，降低油耗有著重要的意義[1]。

汽車風(fēng)洞是進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的重要設(shè)備，在道路行駛中，汽車向前運(yùn)動(dòng)，而空氣和地面不動(dòng)，汽車與周圍的空氣的相對(duì)流動(dòng)導(dǎo)致車身周圍的氣壓發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了阻力；在風(fēng)洞試驗(yàn)中，汽車靜止不動(dòng)，利用風(fēng)洞來(lái)形成一定速度的流動(dòng)氣體，氣體在流經(jīng)汽車時(shí)同樣會(huì)使車身周圍的壓力發(fā)生變化，從而模擬汽車在道路行駛中的狀況[2-3]，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，汽車風(fēng)洞中的地板也應(yīng)相對(duì)于汽車運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

由于空氣在流經(jīng)物體或平板表面時(shí)會(huì)形成邊界層，理想的風(fēng)洞試驗(yàn)中，地板是運(yùn)動(dòng)的，地面邊界層的分布如圖2中III所示，如果地板不運(yùn)動(dòng)，氣流在流經(jīng)汽車底部時(shí)同時(shí)受到車身和地面的作用，會(huì)在車身底部和地板上形成邊界層，而在道路行駛中，地面是固定的，地面上不會(huì)形成邊界層，如圖2中I與II所示；地面邊界層的存在會(huì)對(duì)汽車底部的流場(chǎng)造成干擾，影響汽車風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果。過(guò)厚的地面邊界層會(huì)使測(cè)量的阻力系數(shù)減小，升力系數(shù)增加，因此需要對(duì)地面邊界層進(jìn)行一定的控制[4-6]。

圖2 邊界層分布

汽車的氣動(dòng)特性與汽車底部流場(chǎng)的分布有密切關(guān)系，地面模擬的真實(shí)性對(duì)氣動(dòng)試驗(yàn)有較大的影響[7]，為減小邊界層的影響，須對(duì)地板進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。目前，在汽車風(fēng)洞中，對(duì)地面效應(yīng)控制的方法有：移動(dòng)地板法、邊界層抽吸法和切向射流法等[8-9]。這些能減小地面邊界層影響的裝置統(tǒng)稱為移動(dòng)帶地面效應(yīng)系統(tǒng)。國(guó)外有學(xué)者曾進(jìn)行過(guò)研究：移動(dòng)帶地面效應(yīng)系統(tǒng)的使用會(huì)改變風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)的特性，增大阻力系數(shù)的測(cè)量值，減小升力系數(shù)[10-12]。

本文中基于吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞所擁有的移動(dòng)帶地面效應(yīng)系統(tǒng)，它包括寬帶式移動(dòng)地板和前部垂直抽吸系統(tǒng)，首先分析了移動(dòng)帶地面效應(yīng)系統(tǒng)作用下汽車試驗(yàn)段流場(chǎng)的特性和地面邊界層的分布；然后對(duì)汽車模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型概述

由于SAE模型在數(shù)值模擬中的廣泛應(yīng)用，這里采用比例1∶2的SAE方背式模型作為研究對(duì)象，如圖3所示。為保證仿真的可靠性，選取吉林大學(xué)的汽車風(fēng)洞數(shù)字化模型為計(jì)算域，圖4為吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞示意圖。坐標(biāo)系設(shè)置如下：定義來(lái)流方向?yàn)閄正方向，垂直于地面向上為Z正方向，Y正方向由右手定則確定，噴口截面與風(fēng)洞中央對(duì)稱面交線與地板的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。試驗(yàn)段的起始位置為X=1m，如點(diǎn)①所示，試驗(yàn)段結(jié)束位置為：X=6m，如點(diǎn)⑧所示，垂直抽吸系統(tǒng)的起始位置為X=0.65m，結(jié)束位置為X=0.85m，如圖中向下的長(zhǎng)黑直方所示；試驗(yàn)段后端抽吸裝置出口的位置為X=6.3m，如圖中向上的短黑直方所示；模型中心位置X=3.5m，如點(diǎn)⑤所示；②③④⑥⑦的位置分別為X=1.5m，X=2.5m，X=3m，X=4.5m，X=5.5m。

圖3 SAE方背式模型

圖4 吉大汽車風(fēng)洞示意圖

1.2 數(shù)值仿真

整個(gè)計(jì)算域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，近壁面處布置三棱柱網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)模型周圍、抽吸裝置附近和試驗(yàn)段進(jìn)行了網(wǎng)格加密，圖5為網(wǎng)格界面示意圖。

圖5 網(wǎng)格示意圖

使用商用CFD軟件Ansys Fluent 6.3進(jìn)行求解，噴口速度為30m·s-1，具體參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 求解參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果分析

首先對(duì)試驗(yàn)段不放置模型的情況進(jìn)行了仿真研究，這里設(shè)置了4種工況，如表2所示。

表2 4種工況

2.1 移動(dòng)地板的影響

圖6和圖7為工況1和工況2風(fēng)洞對(duì)稱面的速度分布圖。由圖6可見(jiàn)，在工況1條件下整個(gè)試驗(yàn)段氣流速度分布均勻，在試驗(yàn)段后部，由于收集口的作用使得速度產(chǎn)生了局部的變化；由圖7可見(jiàn)，二者在試驗(yàn)段的速度分布的整體格局相同，在試驗(yàn)段后部，由于吹除裝置、移動(dòng)帶和收集口的綜合影響，在風(fēng)洞收集口前部偏上的低速區(qū)范圍擴(kuò)大，與使用移動(dòng)地板情況下地面附近的低速區(qū)連在了一起。

圖6 工況1風(fēng)洞試驗(yàn)段對(duì)稱面速度分布圖

圖7 工況2風(fēng)洞試驗(yàn)段對(duì)稱面速度分布圖

圖8和圖9分別為工況1、工況2試驗(yàn)段對(duì)稱面，②③⑤⑥⑦所示位置的地面邊界層發(fā)展情況。由圖8可見(jiàn)，氣流速度在X方向上具有逐漸減小的趨勢(shì)，在Z方向上存在較大的速度梯度，且邊界層的厚度沿著X方向不斷增加，經(jīng)計(jì)算得出在試驗(yàn)段中部的邊界層厚度已達(dá)到120mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出風(fēng)洞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)值。從圖9可以看出，當(dāng)來(lái)流速度到達(dá)試驗(yàn)段前部時(shí)，受到移動(dòng)地板的作用，氣流速度增大到30m·s-1，隨后呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)Z<0.04m時(shí)，速度沿X方向逐漸增大，而當(dāng)Z>0.04m時(shí)，速度沿X方向則不斷減小，與工況1相同，這表明移動(dòng)地板對(duì)地面附近氣流的加速作用有限，超出一定范圍后，移動(dòng)地板所能提供的動(dòng)能并不能完全彌補(bǔ)氣流在流動(dòng)中所損失的能量?？偟膩?lái)說(shuō)，移動(dòng)地板只能在近地面處的小范圍內(nèi)起作用，并不能完全消除地面邊界層。

圖8 工況1邊界層發(fā)展情況

圖9 工況2邊界層發(fā)展情況

2.2 抽吸裝置的影響

圖10為使用不同抽吸壓力時(shí)風(fēng)洞中央對(duì)稱面試驗(yàn)段各點(diǎn)在Z=0.1m處的速度分布圖。在不使用抽吸裝置時(shí)，風(fēng)洞抽吸裝置附近壓力大約為-300Pa，所以在這里選取的抽吸壓力分布在-700～-400Pa范圍內(nèi)，并選取了-1 500Pa的極端情況進(jìn)行對(duì)比，圖例中數(shù)字代表不同的抽吸壓力值。由圖可見(jiàn)，抽吸裝置會(huì)對(duì)試驗(yàn)段前部的速度造成很大的影響，當(dāng)抽吸壓力為-600Pa時(shí)，試驗(yàn)段中部氣流分布更加均勻，各點(diǎn)的速度差減小。

圖10 不同抽吸壓力下各點(diǎn)速度

圖11～圖13分別為抽吸壓力為0，-600和-1 500Pa時(shí)的試驗(yàn)段對(duì)稱面靜壓分布圖。對(duì)比3個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽吸壓力為-1 500Pa時(shí)，試驗(yàn)段上部的壓力和集氣口附近的壓力已經(jīng)明顯增大，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流的分布已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的變化，對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果會(huì)有很大的影響。

圖11 抽吸壓力為0靜壓分布圖

圖12 抽吸壓力為-600Pa靜壓分布圖

圖13 抽吸壓力為-1 500Pa靜壓分布圖

圖14為工況1風(fēng)洞試驗(yàn)段中央對(duì)稱面上靜壓分布圖。對(duì)比圖12和圖14可見(jiàn)，抽吸系統(tǒng)對(duì)整個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)段的流場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生影響，在抽吸裝置的前方產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，氣流在流經(jīng)此處時(shí)會(huì)被加速，而在抽吸裝置的后部產(chǎn)生一個(gè)正壓區(qū)，同時(shí)試驗(yàn)段中上部的低壓區(qū)擴(kuò)大；在試驗(yàn)段后部，由于后端抽吸裝置出口的作用，在收集口的附近產(chǎn)生了一個(gè)高壓區(qū)，導(dǎo)致試驗(yàn)段后部氣流速度降低。

圖14 工況1靜壓分布圖

2.3 地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)的綜合影響

圖15為風(fēng)洞試驗(yàn)段中央對(duì)稱面Z=0.1m處4種工況的速度分布。

圖15 速度分布圖

由圖15可見(jiàn)，使用抽吸裝置會(huì)改變?cè)囼?yàn)段前部的流場(chǎng)，而使用移動(dòng)地板時(shí)流場(chǎng)則不會(huì)有太大的改變。在試驗(yàn)段中部，移動(dòng)地板和抽吸裝置的使用都會(huì)使速度分布更加均勻，更加接近于設(shè)定的風(fēng)速，與移動(dòng)地板相比，抽吸系統(tǒng)會(huì)獲得更好的效果；而同時(shí)使用移動(dòng)地板和抽吸裝置能最大程度地減小X方向和Z方向的速度梯度。

圖16 Z=1m處速度分布圖

圖16為風(fēng)洞試驗(yàn)段中央對(duì)稱面Z=1m處在不同工況下的速度分布圖。

由圖可見(jiàn)，工況1與工況2曲線基本重合，工況3與工況4曲線重合。這種現(xiàn)象表明，移動(dòng)地板對(duì)整個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)段的速度影響較小，而抽吸系統(tǒng)則對(duì)整個(gè)試驗(yàn)段的氣流速度分布都有影響。

圖17為風(fēng)洞試驗(yàn)段中心位置⑤處在4種情況下的速度梯度圖。對(duì)比4種工況可以發(fā)現(xiàn)，地面邊界層的厚度依次為工況1，工況3，工況2，工況4，表明移動(dòng)地板和抽吸系統(tǒng)改善地面邊界層的分布，而兩者同時(shí)使用則可最大限度減小地面邊界層的厚度，減小地面邊界層的影響，此種情況下，速度分布均勻，速度梯度小。

圖17 試驗(yàn)段中心位置⑤處4種工況速度分布圖

2.4 地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的影響

為了分析地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)對(duì)SAE模型阻力系數(shù)的影響，在風(fēng)洞中對(duì)該模型進(jìn)行了試驗(yàn)，得到阻力系數(shù)測(cè)量值如圖18所示，其中，除工況1、工況2和工況4外，其余工況則為同時(shí)使用移動(dòng)地板和垂直抽吸系統(tǒng)，圖例中的壓力代表了不同的抽吸壓力。由圖可見(jiàn)，使用移動(dòng)帶地面效應(yīng)系統(tǒng)后阻力系數(shù)增大且隨著抽吸負(fù)壓的升高阻力系數(shù)增大。

圖18 阻力系數(shù)變化圖

圖19和圖20為擺放SAE模型后工況1和工況2的車身周圍的流場(chǎng)速度分布圖。由圖18可見(jiàn)，使用移動(dòng)帶時(shí)獲得的阻力系數(shù)值大于不使用移動(dòng)帶時(shí)的值，而由圖19和圖20則可以看出兩種工況下尾渦有所不同，尾渦是影響阻力系數(shù)的重要因素，尾渦的差異是阻力系數(shù)值不同的一個(gè)原因。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在不使用移動(dòng)地板時(shí)，存在很厚的地面邊界層，降低了氣流的速度，而使用移動(dòng)地板消除了地板上邊界層的影響，車身底部的流場(chǎng)得到了改良，氣流流速得到了一定的增加。

圖19 工況1車身周圍的流場(chǎng)速度分布圖

圖21和圖22分別為工況1和工況3風(fēng)洞試驗(yàn)段中央對(duì)稱面車身周圍的壓力分布圖，抽吸裝置的使用會(huì)對(duì)車身前部的靜壓造成很大的影響，擴(kuò)大其相對(duì)高壓區(qū)，進(jìn)而增加車身前后部的壓力差，最終使阻力系數(shù)增大，這是地面邊界層和抽吸裝置引起試驗(yàn)段壓力場(chǎng)分布變化共同作用的結(jié)果。

圖21 工況1車身周圍的壓力分布圖

圖22 工況3車身周圍的壓力分布圖

圖23為工況1條件下有、無(wú)SAE模型兩種情況下的風(fēng)洞試驗(yàn)段對(duì)稱面⑤處位置的速度分布圖。由圖可見(jiàn)，在絕大多數(shù)離地高度位置上(Z=0.002～0.09m)，有模型時(shí)速度較高，這是由于有SAE模型時(shí)，氣流在流經(jīng)模型底部和地面形成的狹小通道時(shí)被加速；同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種情況下的邊界層分布也存在較大區(qū)別，這是因?yàn)橛心Ｐ蜁r(shí)，氣流受到地面和車身底部的阻礙作用后，地面和車身底部同時(shí)產(chǎn)生了邊界層。

圖23 速度分布圖

圖24 3種工況邊界層發(fā)展情況

圖24為有模型而離地間隙為100mm時(shí)，工況1,2和4情況下風(fēng)洞試驗(yàn)段中央對(duì)稱面⑤處位置的邊界層發(fā)展情況。由圖可見(jiàn)，在不使用移動(dòng)地板和抽吸裝置時(shí)，車身底部流場(chǎng)邊界層形狀為半月形，在使用地面邊界層控制裝置時(shí)，車身底部流場(chǎng)為梯形，與實(shí)際情況相符；對(duì)比工況1和工況2，在Z=0.05～0.1m的范圍內(nèi)，兩種工況的曲線基本重合，最高速度基本相同，說(shuō)明移動(dòng)地板并未對(duì)此處的氣流產(chǎn)生太大干擾；當(dāng)Z<0.05m時(shí)工況2的氣流速度大于工況1。對(duì)比工況1和工況4，在Z=0.05～0.1m內(nèi)，由于移動(dòng)地板和抽吸裝置的共同作用，后者的速度稍小于前者；在Z=0～0.05m的范圍內(nèi)，工況4的速度大于工況1，但本身的變化很小，再次表明同時(shí)使用移動(dòng)地板和抽吸系統(tǒng)對(duì)于控制地面邊界層有最好的效果。

3 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)的研究，得出了以下結(jié)論：

(1) 使用移動(dòng)地板可改善地面附近的流場(chǎng)，減小邊界層厚度，但移動(dòng)地板的作用范圍有限；

(2) 使用抽吸系統(tǒng)對(duì)地面效應(yīng)的控制有一定的效果，但其對(duì)整個(gè)風(fēng)洞的流場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生較大的影響；

(3) 同時(shí)使用移動(dòng)地板和抽吸系統(tǒng)會(huì)在很大程度上改善近地面流場(chǎng)分布，試驗(yàn)段氣流更加穩(wěn)定，速度梯度減小；

(4) 移動(dòng)帶地面效應(yīng)系統(tǒng)的使用會(huì)增大阻力系數(shù)的測(cè)量值，且抽吸壓力的選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。

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A Study on the Influence of Ground Effect SimulationSystem in Automotive Wind Tunnel

Zhang Yingchao, Zhan Dapeng, Zhao Jing, Zhang Zhe & Li Jie

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

To reduce the influence of ground effect in automotive wind tunnel on test results, a numerical simulation is used to conduct a study on Jilin University’s automotive wind tunnel, and the effects of moving belt, vertical suction device and the combination of both devices on test results are analyzed. A wind tunnel test is also performed to reveal the effects of ground effect simulation system on the drag coefficient of vehicle model. The results show that both moving belt and suction device can effectively reduce the thickness of boundary layer, improve the flow field near road surface and increase the drag coefficient measured, in which the effect of suction device is more significant. The use of both devices can achieve the best control of ground effect.

vehicle aerodynamics; CFD; ground effect; moving belt; suction system

原稿收到日期為2015年11月24日，修改稿收到日期為2016年1月18日。