周　華， 朱　暉， 楊志剛

(1.上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

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整車風(fēng)洞力/壓同測(cè)實(shí)驗(yàn)方法研究

周華1,2， 朱暉1,2， 楊志剛1,2

(1.上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

摘要：依托開口式整車風(fēng)洞，以階背式MIRA(Motor Industry Research Association)模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過雷諾數(shù)掃掠測(cè)試，確定了力/壓分測(cè)和力/壓同測(cè)時(shí)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)誤差的變化規(guī)律；基于偏航工況下氣動(dòng)力的測(cè)試數(shù)據(jù)，明確了力/壓分測(cè)和力/壓同測(cè)時(shí)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)誤差的分布規(guī)律.依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的仿真結(jié)果，從流動(dòng)機(jī)理層面剖析了誤差產(chǎn)生的原因.最后，對(duì)力/壓同測(cè)法在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的具體實(shí)施及適用范圍進(jìn)行了總結(jié).

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)； MIRA車體； 流動(dòng)機(jī)理

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)作為汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究及車型研發(fā)的必要手段[1-3]，其自身的實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展一直是研究的熱點(diǎn).在風(fēng)洞本體結(jié)構(gòu)確定的前提下，其研究?jī)?nèi)容可概括為：實(shí)驗(yàn)對(duì)象的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[4]；支架設(shè)計(jì)及干擾的修正[5]；實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)[6-7]；在保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，對(duì)現(xiàn)有測(cè)試手段進(jìn)行有機(jī)整合[8-9].

鑒于飛行器自身的結(jié)構(gòu)、功能及力學(xué)特性，其普遍的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方案為：閉口式風(fēng)洞、縮比模型結(jié)合尾支撐[10]；自然實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)力及表面壓力的同時(shí)測(cè)量(力/壓同測(cè)，如分別測(cè)量簡(jiǎn)稱：力/壓分測(cè)).而依據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)，通常采用開口式風(fēng)洞結(jié)合地面支撐的方案對(duì)其進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[11]，并采用力/壓分測(cè)的實(shí)驗(yàn)技術(shù).

MIRA 模型由英國汽車工業(yè)研究聯(lián)合會(huì)(Motor Industry Research Association)研發(fā)定型，該模型真實(shí)反映了汽車的基本形態(tài)，因而在國際上被廣泛采用以研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)問題[12]，本文基于階背式MIRA模型對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行研究.

1實(shí)驗(yàn)設(shè)施及相關(guān)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心開口回流式整車風(fēng)洞中完成.該風(fēng)洞開口試驗(yàn)段長(zhǎng)度15 m，噴口橫截面寬6.5 m，高4.25 m，配置五帶移動(dòng)路面系統(tǒng)及轉(zhuǎn)盤(轉(zhuǎn)角±180°)，五帶路面、轉(zhuǎn)盤結(jié)合氣動(dòng)天平構(gòu)成完整的氣動(dòng)測(cè)力系統(tǒng).試驗(yàn)段風(fēng)速0～250 km·h-1連續(xù)可調(diào)，氣流湍流度0.1%.噴口及試驗(yàn)段部分構(gòu)造如圖1所示.

圖2所示天平為六分量應(yīng)變式汽車專用天平，用以測(cè)量汽車所受氣動(dòng)阻力(Fx)、側(cè)力(Fy)、升力(Fz)、側(cè)傾力矩(Mx)、俯仰力矩(My)和橫擺力矩(Mz)；天平測(cè)量分量信息見表1.

2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图斑B接方式

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿叽鐦?biāo)準(zhǔn)三廂MIRA模型，長(zhǎng)4 165 mm；寬1 625 mm；高1 421 mm；軸距2 540 mm；輪距1 270 mm；正投影面積1.856 m2；試驗(yàn)風(fēng)速80 km·h-1，Re=6.2×106，在此雷諾數(shù)水平下滿足測(cè)試車型的氣動(dòng)力系數(shù)在自動(dòng)?；瘏^(qū)[13-16].輪胎采用簡(jiǎn)易半輪胎構(gòu)造，如圖3所示.

圖1　實(shí)驗(yàn)段構(gòu)造

圖2　測(cè)力天平

分量量程精度/%準(zhǔn)度/%分辨率Fx/N-1500/70000.0050.0500.070Fy/N-9000/90000.0100.0500.180Fz/N-17000/60000.0070.0500.227Mx/N·m-13000/130000.0100.0500.260My/N·m-7500/130000.0100.0500.260Mz/N·m-11000/110000.0100.0500.010

圖3　MIRA實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型型面采用五軸數(shù)控加工中心完成，加工精度為0.5 mm；各組件獨(dú)立加工，見圖3.在水平校準(zhǔn)臺(tái)上將各組件與車身連接并整形；模型整體拼接完畢且外敷三層面漆后，進(jìn)行表面機(jī)器磨光處理，最大限度地保證實(shí)體模型與數(shù)字模型的一致性.

為消除支架干擾，采用輪下連接方式將車模固定于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤上，如圖4所示，同時(shí)使用保形蓋板遮蔽輪底連接口，確保輪邊流場(chǎng)不受干擾.

圖4　車輪連接方式

在對(duì)風(fēng)洞天平支撐系統(tǒng)調(diào)直調(diào)平后，將模型的加工基準(zhǔn)面(車輪內(nèi)部)與天平支撐系統(tǒng)連接，如此保證模型在風(fēng)洞中的位置中直水平.

3模型氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5顯示實(shí)驗(yàn)測(cè)量坐標(biāo)系：X方向?yàn)樽枇Ψ较?，Y方向?yàn)閭?cè)向力方向，Z方向?yàn)樯Ψ较颍籜方向的力矩為側(cè)傾力矩，Y方向的力矩為矩俯仰力矩，Z方向的力為橫擺力矩.

圖5　實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系

為保證基準(zhǔn)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)驗(yàn)采用兩步法：①測(cè)試無表面壓力測(cè)量引線時(shí)的氣動(dòng)力；②將壓力掃描閥導(dǎo)線引出車體并與車體左后輪及轉(zhuǎn)盤貼合后，測(cè)試模型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，如圖6所示.實(shí)驗(yàn)過程涵蓋偏航工況，偏航角范圍[-20°, 20°]，正偏航取順時(shí)針方向，負(fù)偏航取逆時(shí)針方向.

圖6　掃描閥導(dǎo)線引出方式

雷諾數(shù)掃掠實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中數(shù)據(jù)為以力/壓分測(cè)氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn)的絕對(duì)誤差絕對(duì)值(例如與阻力系數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)記為|ΔCD|，其他類推).由圖可知：在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，力/壓同測(cè)時(shí)所測(cè)阻力系數(shù)(簡(jiǎn)記：CD,FP，同狀態(tài)下其他系數(shù)亦以下標(biāo)“FP”標(biāo)記)與力/壓分測(cè)時(shí)所測(cè)阻力系數(shù)(簡(jiǎn)記：CD,F，其他系數(shù)亦以下標(biāo)“F”標(biāo)記)極其接近，|ΔCD|<0.001 4，且隨風(fēng)速的增加而減??；升力系數(shù)誤差為：|ΔCL|<0.004，其中前輪升力系數(shù)|ΔCLF|<0.002 8，后輪升力系數(shù)|ΔCLR|<0.002 7，且當(dāng)風(fēng)速高于120 km·h-1時(shí)，升力系數(shù)誤差絕對(duì)值隨風(fēng)速增加皆增大；由于力/壓同測(cè)側(cè)向力系數(shù)CS,FP與力/壓分測(cè)側(cè)向力系數(shù)CS,F皆接近于0，所以認(rèn)為一致；俯仰力矩系數(shù)CMY較接近，|ΔCMY|<0.002.

a 阻力系數(shù)誤差

b 升力系數(shù)誤差

c 俯仰力矩系數(shù)誤差

圖8顯示了偏航工況下兩種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)誤差，需要說明的是：風(fēng)速保持80 km·h-1不變；正偏航工況下，地面管線完全處在迎風(fēng)側(cè)，負(fù)偏航工況下，地面管線在一定程度上被車體掩蓋，部分處于背風(fēng)側(cè).正負(fù)工況下誤差絕對(duì)值最大值見表2.

由圖8及表2可知：對(duì)于CD，CLF，CS和CMZ，在正偏航工況下實(shí)驗(yàn)值與力/壓分測(cè)的結(jié)果更吻合；對(duì)于CL，CLR，側(cè)傾力矩系數(shù)CMX和橫擺力矩系數(shù)CMY在負(fù)偏航工況下實(shí)驗(yàn)值與力/壓分測(cè)的結(jié)果更吻合，以誤差絕對(duì)值0.005為準(zhǔn)，對(duì)于CLF，CMX和CMZ，可認(rèn)為在正負(fù)偏航工況下的實(shí)驗(yàn)值皆與力/壓分測(cè)時(shí)結(jié)果吻合.

表2　誤差絕對(duì)值最大值

注：ΔCD=CD,FP-CD,F，其他類推.

4局部流場(chǎng)分析

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)流場(chǎng)相關(guān)信息進(jìn)行解算，著重分析偏航工況下地面上壓力掃描閥導(dǎo)線對(duì)車體空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，本文以9°偏航作為典型例子進(jìn)行數(shù)值分析.

參照?qǐng)D6所示引線方式，在左側(cè)后輪及轉(zhuǎn)盤位置構(gòu)造凸臺(tái)結(jié)構(gòu)以模擬引線，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)、車輪及面網(wǎng)格分布如圖9所示，凸臺(tái)面網(wǎng)格保持5 mm不變，車輪面網(wǎng)格尺度范圍[5 mm,10 mm]，管線寬度80 mm，厚度30 mm，從車身側(cè)面延長(zhǎng)出來900 mm.

計(jì)算域形狀如圖10所示，入口離車頭3倍車長(zhǎng)，出口離車尾6倍車長(zhǎng)(L)，左右離車側(cè)面各7.5倍車寬(W)，頂部離車頂4倍車高(H).體網(wǎng)格采用4/5/6面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(如圖11所示)，網(wǎng)格總數(shù)約2 000萬單元.數(shù)值仿真采用雙側(cè)進(jìn)/出口方案模擬偏航工況，相關(guān)邊界條件設(shè)置及湍流模型選取見文獻(xiàn)[17-18].

a 阻力系數(shù)誤差

b 側(cè)傾力矩系數(shù)誤差

c 升力系數(shù)誤差

d 俯仰力矩系數(shù)誤差

e 側(cè)向力系數(shù)誤差

f 橫擺力矩系數(shù)誤差

圖9　局部面網(wǎng)格

圖10　計(jì)算域設(shè)置

圖12和圖13顯示了在偏航±9°時(shí)，有引線和無引線兩種狀態(tài)下，車體表面壓力分布的差別.

圖11　體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

a 偏航角+9°；V=80 km·h-1

b 偏航角-9°；V=80 km·h-1

a 偏航角+9°

b 偏航角-9°

圖13正負(fù)9°偏航車身底部后輪區(qū)域力壓同測(cè)減去僅測(cè)力的壓力差值分布

Fig.13Pressure difference contour on underbody

由圖12～圖13可知：+9°偏航時(shí)，引線的存在對(duì)車身上部、尾部和側(cè)部的壓力分布影響較小，但改變了車身底部后半?yún)^(qū)域的壓力分布，這是因?yàn)檐嚿韨?cè)面底部氣流在繞過引線時(shí)邊界層脫落產(chǎn)生渦流，該渦流在車身底部上翹角部分產(chǎn)生局部低壓.

從車身表面切應(yīng)力流線圖(如圖14所示)和等值面渦量圖(如圖15，Q=3 500 s-2)可以看出，管線的存在都是對(duì)背風(fēng)側(cè)后輪區(qū)域的流場(chǎng)影響較大，且管線存在時(shí)左右偏航流場(chǎng)不具有很好的對(duì)稱性.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為在進(jìn)行偏航試驗(yàn)時(shí)單側(cè)偏航試驗(yàn)可行性不佳，需要對(duì)左右偏航都進(jìn)行掃略，但由于管線存在造成的左右偏航流場(chǎng)不完全對(duì)稱的影響，建議對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的處理方面：氣動(dòng)阻力取正偏航試驗(yàn)值；氣動(dòng)升力取負(fù)偏航試驗(yàn)值；側(cè)向力取正偏航試驗(yàn)值；側(cè)傾力矩取負(fù)偏航試驗(yàn)值；俯仰力矩取負(fù)偏航試驗(yàn)值；橫擺力矩取正偏航試驗(yàn)值.

a 9°正偏航

b 9°負(fù)偏航

a 9°正偏航

b 9°負(fù)偏航

5結(jié)論

(1) 對(duì)于無偏航工況，采用本實(shí)驗(yàn)所用掃描閥導(dǎo)線引出方式，力/壓同測(cè)與力/壓分測(cè)的數(shù)據(jù)誤差絕對(duì)值可控制在0.004以內(nèi).

(2) 對(duì)于偏航工況，采用本實(shí)驗(yàn)所用掃描閥導(dǎo)線引出方式，在進(jìn)行正負(fù)偏航掃掠的基礎(chǔ)上，以圖7為參照，選取力/壓同測(cè)數(shù)據(jù)，可保證誤差絕對(duì)值控制在0.006以內(nèi).

(3) 該力/壓同測(cè)法以臨地面鈍體外部繞流氣動(dòng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)體、流線體等其他構(gòu)型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來說，該方法有待進(jìn)一步研究證實(shí).

在保證精度的基礎(chǔ)上，采用力/壓同測(cè)法可減少近一半的測(cè)試時(shí)間(含連接測(cè)壓管及二次起風(fēng)時(shí)間)，由于風(fēng)洞測(cè)試費(fèi)用與測(cè)試時(shí)間成正比，進(jìn)而節(jié)省了近一半的測(cè)試費(fèi)用；對(duì)于風(fēng)洞測(cè)試單位，在相同的測(cè)試周期內(nèi)增加近一半的客戶，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著.

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Simultaneous Test Method of Force/Pressure in Full-Scale Automotive Wind Tunnel

ZHOU Hua1,2, ZHU Hui1,2, YANG Zhigang1,2

(1. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Shanghai 201804, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems, Shanghai 201804, China)

Abstract：In full-scale automotive wind tunnel with open-jet test section, targeting notchback MIRA body, variation law and distribution rule of force/pressure test data error between simultaneously testing method and respectively testing method were revealed by wind tunnel test in a range of Reynolds number and yaw angle. The error was subsequently explained by computational fluid dynamics in view of flow mechanism. Finally, the specific implementation and application scope of force/pressure simultaneously testing method in full-scale automotive wind tunnel were concluded.

Key words：wind tunnel test; Motor Industry Research Association(MIRA) body; flow mechanism

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：O355;U461.1

通訊作者：楊志剛(1961—), 男, 工學(xué)博士, 教授主要研究方向?yàn)榱黧w力學(xué). E-mail: zhigangyang@#edu.cn

基金項(xiàng)目：上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)(14DZ2291400)

收稿日期：2015—04—25

第一作者： 周華(1987—), 女, 博士生, 主要研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué). E-mail：537506970@qq.com