张英朝,张 喆,李 杰

(吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,长春 130022)

0 引 言

在进行汽车风洞试验时,支撑装置暴露在风洞流场中,对于风洞底部安装的机械力分解天平来说,支撑杆受到的力也会被测量出来,无法一次获得气动力的原始实验数据。由于汽车模型的支撑装置暴露在流场中,支撑装置会对流场有干扰,从而干扰汽车本身的气动力实验数据,这些干扰需要进行消除[1-3]。针对吉林大学汽车风洞存在的支撑干扰问题,应用试验和数值仿真相结合的方法来对支撑干扰力进行扣除。

1 支撑干扰扣除方法

1.1 风洞试验

基于镜像法的支撑干扰扣除方法需要支撑有较小的扰动,并且两个镜像支撑之间的距离较远,两者的相互干扰尽可能小[1]。对于汽车风洞来说,风洞试验很难应用镜像法来实现对于模型支撑干扰扣除。但是借鉴航空风洞的镜像法原理,作者提出了一种扣除风洞模型支撑干扰的方法。应用风洞进行两次试验,如图1所示。在第一次(a)试验时,通过天平获得包括汽车模型、支撑和两者干扰在内的气动力。在第二次(b)试验时,将汽车模型与汽车模型支撑的连接断开,同时使用一种固定支撑方式将汽车模型固定在汽车风洞上。固定汽车模型的方式尽量要简单,并尽可能减小对汽车周围流场的干扰。该方法因为本身不测量汽车模型的气动力,因此计算分析时忽略汽车模型底部的支撑部件对风洞支撑的气动力的影响。

图1 试验方案示意图Fig.1 Scheme of wind tunnel tests

从上图中可以分析出,对于(a)试验有

对于(b)试验,所测量的气动力为

式中,F为试验测得的气动力,不同的下标代表不同气动力。m代表模型;s代表支撑装置;s.m代表支撑对模型的干扰;m.s代表模型对支撑的干扰。

对上面两式进行分析,即使用Fa-Fb也不能获得模型的气动力,仅能够得到模型本身和由于支撑对模型产生的干扰。

对于汽车风洞试验来说,汽车模型支撑对于汽车模型本身的气动干扰并不能够忽略。因此如何确定这部分干扰成为重要内容。

从现有试验装置和设备以及经验来看,还很难从试验方式上实现支撑对模型干扰的分离,去除支撑对模型的干扰量。为此将通过数值仿真的方法对该问题进行研究。

1.2 数值仿真

应用CFD数值仿真软件建立风洞的数字化模型。同样进行两次试验,如图2所示。在第一次(a)仿真时,通过仿真获得汽车模型和支撑对汽车模型干扰的气动力。在第二次(b)仿真时,获得汽车模型的气动力。

图2 数值仿真方案示意图Fig.2 Scheme of numerical simulations

从上图中可以分析出,对于(a)仿真可以得到：

对于(b)仿真,所获得的气动力为：

式中,F′为数值仿真得到的气动力,不同的下标代表不同气动力。对上述两式进行分析,使用即可获得支撑对模型的干扰。

将F′s.m修正后作为Fs.m,这样就可以通过公式(3)减去Fs.m获得没有支撑干扰的模型的气动力数据。

2 支撑干扰扣除的实现

2.1 试验风洞介绍

吉林大学汽车风洞配备有专用的六分量天平测量系统、转盘系统、电子压力扫描阀等系统,天平测量系统包括测力传感器和模型支撑装置,传感器和数据采集系统的整体精度优于0.05%F.S.,确保了测量结果的准确性。风泂主要技术参数为：

(1)试验段尺寸：8m(长)×4m(宽)×2.2m(高);

(2)最大风速：60m/s;

(3)收缩比：5.17;

(4)主电机功率：1000kW;

(5)转盘转角范围：±30°。

如图3所示,吉林大学汽车风洞为回流式风洞。风洞的试验段为开式试验段,如图4所示。采用开式试验段,可以更小的试验段完成更大正投影面积的模型试验,能够降低风洞的建设投资费用。

图3 吉林大学汽车风洞简图Fig.3 Automotive wind tunnel of Jilin University

2.2 试验模型的制作、风洞支撑及风洞试验

研究以MIRA模型和SAE模型两种标准参考汽车模型进行风洞试验和仿真研究。根据这两种模型的尺寸,选取1∶2比例,制作出的试验用的模型如图5所示。

针对上述两种汽车模型,结合前面所述的吉林大学汽车风洞支撑气动干扰扣除方法,进行两次与风洞支撑有关的试验：(1)汽车模型和支撑的总气动力试验方案;(2)汽车模型固定在地板上,断开汽车模型与支撑的连接,单独测量支撑气动力的试验方案。

对于模型的第一次试验方案,由于有四个车轮,所以制作出一种z字形的支撑杆,将支撑杆直接卡在四个轮子旁边,辅助一定的胶水粘结,模型可以很稳定固定在支撑上,如图6所示。

图6 MIRA模型的风洞支撑与试验Fig.6 MIRA model support and wind tunnel tests

对于模型的第二次试验方案,因为有车轮,通过车轮将模型固定在移动地板上方的细木工板上,再将细木工板通过钢带固定在风洞试验段上,同时对部分区域粘贴胶带,减小大的棱角和突起对流场的干扰。汽车模型同支撑分离,模型整体抬高5mm。汽车风洞的支撑保持不变,包括支撑的轴距和高度,具体方式如图7所示。研究忽略模型抬高对支撑气动力的影响。

由于篇幅限制,仅以MIRA模型的风洞试验为例进行说明。SAE模型的风洞试验过程和MIRA的风洞试验类似。

图7 M IRA模型支撑分离的试验Fig.7 MIRA wind tunnel test model separated with support

2.3 数字化模型的建立、边界条件设置及仿真

数值仿真的边界条件设置会影响数值仿真结果,采用课题组过去常用的边界条件设定方法[4],所有计算求解在ANSYS Fluent 6.3中进行,采用Fluent中的边界条件。具体边界设定及参数为：

(1)喷口处速度：25 m/s、30m/s、35 m/s、40 m/s等多种风速,以30 m/s为主;

(2)喷口湍流强度：0.5%;

(3)大气压：标准大气压;

(4)空气密度：1.225kg/m3;

(5)出口条件：压力出口,标准大气压;

(6)湍流模型：标准k-ε湍流模型。

根据吉林大学汽车风洞的结构和参数,在CAD软件中建立了吉林大学风洞的数字化模型,模型包括了从风洞稳定段、收缩段、试验段、集气口、试验控制室及第一扩散段的所有结构,如图8所示。在CFD前处理软件中完成风洞中模型支撑的数字化建模,如图9所示。

图8 吉林大学汽车风洞的数字化模型Fig.8 Digital model of automotive wind tunnel of Jilin University

图9 风洞中汽车的数字化模型Fig.9 Digital model of the support in wind tunnel

支撑零部件多,而且体积小,拐角多,结构复杂。因此支撑的网格划分,是风洞网格生成的难点。如何控制网格尺寸,保证网格能够很好体现支撑结构细节,能够精确模拟支撑周围的绕流是关键问题。根据支撑结构对不同部件的网格尺寸进行控制,并对支撑结构的尾流区域进行细化,网格划分方案如图10所示。

图10 支撑表面网格与支撑周围流场网格Fig.10 Meshes of support and flow field around support

数值仿真模型与试验模型一致,进行了MIRA模型4种尾部和SAE模型3种尾部共7款车型的风洞试验,因此同时建立了这7种车型的数字化模型,如图11和图12所示。

数值仿真的结果数据比较多,这里只选取SAE模型阶背式车型有无支撑的表面压力显示结果做一展示,如图13所示。

3 结果分析

仅对气动阻力系数进行分析研究。根据公式(3),将模型支撑和汽车模型各自的气动力及其相互干扰之和减掉支撑的气动力与模型对支撑的干扰就得到了带有支撑干扰的汽车模型的气动力,即Fm+ Fs.m,将其转化为气动阻力系数,如表1。数据与应用数值仿真方法获得有支撑情况下的模型气动力数据的条件是一致的。表1所示,误差为数值仿真与试验数据之差对试验数据的比值,以百分比表示。所有数据都是在风速30m/s(相当于108km/h)的条件下获得的。

图13 数值仿真汽车模型表面压力分布Fig.13 Pressure distribution on model body of CFD

表1 带有支撑干扰的汽车模型气动阻力系数对比Table 1 Drag coefficients with interference of support

可以看到,所进行的研究数值仿真的精度都在5%左右,并且各种方案的数值仿真的结果比较稳定,误差也相对比较接近,可以满足本次工程研究的需要。

按照上述方法,对试验结果进行处理获得进行支撑修正之后的试验数据,通过风洞阻塞修正获得最终风洞试验值,将进行风洞阻塞修正后的试验值同来自其它风洞试验[5-6]的目标值比较获得试验的误差,数据如表2所示。

表2 修正后气动力系数Table 2 Drag coefficients with correction

风洞试验的最终结果大多数误差在±1%以内,仅有个别的稍高。总体误差在可接受范围之内,风洞修正方法能够满足工程要求,方法可行。

4 结 论

根据研究需要,借鉴航空风洞支撑干扰的镜像法,应用两次风洞试验和两次数值仿真结合的方式来修正模型支撑的气动干扰。首先通过两次风洞试验,一次获得汽车模型和支撑各自气动力以及其相互干扰;一次获得支撑及模型对支撑的气动干扰。两次数据相减获得带有支撑干扰的汽车模型阻力试验数据。进行两次同试验工况类似的数值仿真,一次进行风洞中有模型支撑的数值仿真;一次进行风洞中无支撑的数值仿真。提取两次仿真汽车模型的气动阻力数据,并相减获得支撑对汽车模型气动阻力系数的干扰量。通过对该数据进行修正,作为试验时支撑对汽车模型的干扰量。这样就获得修正了模型支撑干扰的汽车模型的试验数据。

通过扣除了支撑干扰后的数据进行风洞阻塞修正后,试验数据同试验模型的目标数据接近,试验数据精度能够满足工程需要。所研究的风洞支撑干扰扣除方法可行。

主要针对汽车风洞的气动阻力进行了研究,其它气动力数据的干扰扣除还有待进一步深入探讨。

[1] 程厚梅.风洞试验干扰与修正[M].北京：国防工业出版社,2003.

[2] 高 利.汽车模型风洞试验支架干扰修正的试验研究[J].西安公路交通大学学报,1998,18(2)：60-64.

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