风洞移动带系统对气动升力影响的数值模拟.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 2期 汽车工程 A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 2 2 01 3 0 2 8 风洞移动带系统对气动升力影响的数值模拟 丁 宁， 杨志刚， 李启良 同济大学， 上 海地 面交通 工具风洞 中心 ， 上海2 0 1 8 0 4 [ 摘要] 为探讨风洞移动带系统对气动升力测量的影响， 采用计算流体动力学方法对移动带系统进行数值模 拟。结果表明， 当移动带 自身空转时， 无论是否有来流， 都会产生升力， 且该升力随着来流速度增大而增大。当移动 带上方有简化汽车模型时， 其 自身产生的升力会有所减小。移动带产生的附加升力导致实验车升力测量误差高达 2 5 ％以上。因此， 在风洞实验中必须扣除移动带产生的升力 ， 才能得到正确的气动升力值。 关键词 风洞； 移动带系统 ； 数值模拟 ； 气动升力 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o n t h e Ef f e c t s o f Mo v i n g Be l t S y s t e m i n Wi n d T u n n e l o n Ae r o d y n a mi c L i ft F o r c e Di ng Ni ng， T o n g fi U n i v e r s i ty， S h a n g h a i Y a n g Z h i g a n g L i Qi l i a n g Au t o mo t i v e Wi n d T u n n e l C e n t e r ，S h a n g h a i 2 0 1 8 04 [ Ab s t r a c t ] T o s t u d y t h e e f f e c t o f mo v i n g b e l t o n t h e r e s u l t s o f a e r o d y n a mi c l i ft f o r c e m e a s u r e m e n t i n w i n d t un n e l e x pe r i me n t s ，c o mp ut a t i o n a l flu i d d y n a mi c s t e c h n i q u e i s us e d t o c o nd u c t t h e nu me ric a l s i mu l a t i o n o n mo v i n g be l t s y s t e m．Th e r e s ul t s s ho w t h a t o n c e t he b e l t i s mo v i n g i t a l wa y s p r o d u c e s l i ft f o r c e，wh i c h i n c r e a s e s wi t h t h e r i s e o f i n c o mi n g fl o w v e l o c i t y ，e v e n i n u n l o a d i n g c o n d i t i o n s a n d n o ma t t e r w h e t h e r t h e r e e x i s t s i n c o mi n g fl o w o r n o t ．B u t wh e n t h e s i mp l e c a r mo d e l i s p u t o n t h e mo v i n g b e l t ，t h e l i f t f o r c e d e c r e a s e s ．T h e a d d i t i o n a l l i ft f o r c e t h e mo v i n g b e l t p r o d u c e s b r i n g s a b o u t a n e r r o r o f mo r e t h a n 2 5 ％ i n me a s u rin g l i f t f o r c e o f t e s t e d v e h i c l e ．T h e r e f o r e ．t o o b t a i n t h e c o rre c t v a l u e o f a e r o d y n a mi c l i ft f o r c e i n wi nd t un n e l e x p e r i me n t s，t h e l i ft f o r c e o f mo v i n g b e l t mus t b e d e d u c t e d． Ke y wo r d s wi n d t u n n e l ；mo v i n g b e l t s y s t e m ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；a e r o d y n a mi c l i ft f o r c e 日 IJ舌 整车风洞是研究 汽车空气 动力学的重要设施。 道路模拟系统是风洞实验的重要组成部分。世界主 流的汽车风洞大都配备先进移动带系统来实现道路 的模拟， 以提高测量精度。因为汽车底部气流和车 轮运 动所 造 成 的阻 力 占汽车 总 气 动 阻力 的大 部 ，只有真实模拟底部气流才能更真实地反映汽 车的实际受力。 移动带系统是由 1 条中央移动带和4条小移动 带组成， 见图 1 。中央移动带居于车身底部， 4条小 移动带居于车轮底部， 4条小移动带旁有 4个固定 支柱用以固定被测车辆 ， 同时他们的底部有 4个探 针 ， 通过这 4个探针 ， 风洞下部的测力天平可以对实 验 中所 需要 的数 据 进 行 测量 。 图2 为4 条 小 移 动 中 原稿收到 日 期为 2 0 1 1 年 1 2 月 1 9日， 修改稿收到 日 期为 2 0 1 2 年 4 月 2 6日。 图 1 风洞移动带系统概念图 带 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 2期 带的示意图。在运转时， 每条移动带上下必然产生 压差， 这会给天平升力测量带来一定的误差， 其大小 较难通过实验直接获得， 而借助数值计算可准确了 解。国内外有关移动带的研究 ， 大都侧重于移 动地面对于地面边界层的影响 ， 或将地面移动带和 边界层抽吸系统放在一起研究， 而很少单独细致地 分析小移动带的误差。为此， 本文中采用数值模拟 方法 ， 分别对移动带系统在空转 、 有单个轮胎和整车 等工况进行计算， 分析移动带系统在这些工况下的 受力情况 ， 并确定所带来的测量误差。 图2 4条小移动带示意图 1 数值模拟 本文中的数值模拟共分 6个算例进行， 如表 1 所示。 表 1 数值模拟算例分类 人 口风速／ 移动带速 工况 有／ 无轮胎 有／ 无车 m ／ s 度／ m／ s 1 3 0 O 无 无 2 0 3 0 无 无 3 3 0 3 0 无 无 4 0 3 0 有 无 5 3 0 3 0 有 无 6 3 0 3 0 有 有 研究的移动带系统 由 1 条 中央移动带和 4条小 移动带组成 ， 其中中央移动带长为7 m、 宽为 l m； 4条 小移动带长为 0 。 3 m、 宽为 0 ． 2 8 m； 由于风洞测力单 元位于 4条小移动带处 ， 因此主要选择 4条小移动 带的转鼓实验台进行数 值模拟。如图3所示， 仅 选取整个系统的一半进 行模拟。图 4示 出计算 所用简化两厢车。 处理 网格时在物理 量梯度较大的区域 以及 移动 带和地 面 区域加 密 网格 ， 4条小移动带的 图3 移动带系统计算模型 图 4 汽车模型 表面网格控制在 2 0 m m左右， 移动带和地面的第 1 层网格厚度为 1 m m， 增量 2 ram， 这样可以更好 地反 映近地面的气体流动情况。轮胎的表面网格控制在 2 0 m m， 汽车模型的表面网格控制在 5～ 3 0 m m之间， 部分复杂 曲面如后视镜 ， 采用 5 m m 网格 ， 大 面积平 滑表面如车顶盖， 采用 3 0 m m网格 ， 车身表面 网格第 1层厚度为 1 ． 5 ram， 增量 1 ． 5 m m。对于 6种工况 ， 统 一 使用非结构化网格。 计算域由两部分组成 ， 如图 5所示 ， 一部分是 由 长宽高分别为 、 、 的长方体区域模拟风洞实验 段 ， 另一部分则是转鼓模型的计算区域。 图 5 计算域示意图 为提高计算效率， 选择 3种不同的计算域来进 行计算， 因为工况不同， 用来模拟风洞实验段的长方 体大小也有所不同， 但转鼓部分的计算 域在 6种工 况计算中相同， 这也保证了转鼓和 4条小移动带部 分 6 种工况的计算结果有可比性。 6种工况的长方体部分计算域大小和 网格总数 见表 2 。该部分计算域在考虑提高计算效 率和节省 计算资源 的前提下 ， 在长方体高度 方面做 了修改。 主要依据是使6种工况的阻塞比都符合要求。有研 究 表明， 对于风洞实验结果， 低于1 ％的阻塞比， 其 表 2 6种工况的长方体部分计算域大小和网格数 工况 长方体部分／ m 网格数／ 万 1、 2、 3 3 5 7l 4 0 4、 5 3 5 73 1 4 2 6 3 5 77 2 6 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 2 丁宁， 等 风洞移动带系统对气动升力影响的数值模拟 ．1 4 5． 阻塞干扰产生的误差无须修正 。本次计算所选 用的轮胎模型和汽车模型的投影面积分别为0 ． 1 7 7 和2 ． 4 4 m ， 其阻塞比均小于 1 ％， 因此认为选取不同 长方体部分的计算域， 其计算结果可以认可。 利用 F L U E N T软件选用 k - e R e a l iz a b l e 两方程湍 流模 型， 和 N o n e q u i l i b r i u m壁 面 函数 ， 边界条 件 如表 3所示。 表 3 边界条件 人 口 速度人 口 地面及汽车模型 固定壁面 上面以及侧面 对称面 轮胎 旋转壁面 固定壁面 固定壁面 工况 1 工况 1 4条小移动带 转鼓 滑移壁面 旋转壁面 其余工况 其余工况 中央移动带 滑移壁面 出口 压力出口 首先对计算模型进行 1阶精度计算， 当残差收 敛至 l 0 数量级后， 继续进行 2阶精度计算， 直到残 差收敛至 1 0 数量级 ， 且监控 物理量数值基本不 随 迭代发生改变时， 认为计算收敛。 2 计算结果分析 6种工况计算结果的对比表明， 由于边界条件 和气流分布不同， 由移动带 自身运动所产生的附加 升力会有很大不同。而升力产生的原 因是 由于移动 带的运动， 带动其附近气流的运动， 从而造成移动带 上下产生压差所致 。 2 ． 1 工况 1 、 工况 2和工况 3的结果分析 表 4给出了工况 l 与工况 3的结果对比。可以 看出， 移动带自身的运动会产生附加升力。 表 4 工况 1和工况 3受力对 比 N 工况 转鼓上部分移动带受力 转鼓下部分移动带受力 合力 1 4． 9 1 9 ． 6 2 4． 5 3 2 2 ．1 5 4 ． 8 7 6． 9 表5为工况 2与工况 3的计算结果。可以看 出， 当有入口风速时， 移动带 自 身运动所产生的附加 升力明显增大。图6 给出了两种工况下转鼓实验台 中心截面的湍流强度 ， 从图中可以看出， 随着人口风 表 5 工况 2和工况 3受力对比 N 工况 转鼓上部分移动带受力 转鼓下部分移动带受力 合力 2 O ． 7 3 ． 8 4 ． 5 3 2 2 ． 1 5 4． 8 7 6 ． 9 速的增大， 转鼓实验台内和地面上部的湍流强度明 显增强， 这部分湍流消耗了能量， 产生了压差， 使移 动带产生了升力， 这给位于 4条小移动带下的天平 测量带来误差。 工况2 工况 3 图6 工况 2和工况 3转鼓实验台 中心截面的湍流强度对比 2 ． 2 工况 4和工况 5的结果分析 表6给出了工况 4 与工况 5的计算结果。可以 看出， 在有 轮胎参与运动 ， 且没有 人 口风速 的情况 下， 4条移动带所产生的附加升力都有减小的趋势， 甚至产生了负升力。 表 6 工况 4和工况 5受力对比 N 工况 转鼓上部分移动带受力 转鼓下部分移动带受力 合力 4 ～1 ． O O ． 4 一O ． 6 5 3 0 ． 6 3 ． 2 3 3 ． 8 图7给出了工况4和工况5的轮胎与转鼓实验 二 一 二 踹 麓 蘸隆臻 雏 ～ 麓～ 纂 躲～ ■蠢瓣 辫 蘧瓣 _ - ■瑟 蠹 瑟 誓■■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 6 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 2期 台中心截面湍流强度。可 以看 出， 由轮胎旋转所引 起的湍流强度无论是在转鼓实验台内还是在移动带 附近都明显强于工况 2和工况 3 ， 这种情况在工况 5 中体现得尤为明显， 前轮引起 的尾部湍流已经影 响 到后轮周围的流场分布， 但综合转鼓上下两部分移 动带的受力， 当有轮胎参与运动时， 对于移动带运动 所产生的附加升力 ， 工况 4比工况 2减小了 1 1 3 ％ ， 工况 5比工况 3减小了 5 6 ％。 2 ． 3 工况 6计算结果分析 工况6的计算结果见表 7 。图8给出了车轮附 近的湍流强度 ， 从 图中可以看出， 由于车轮 自身 的运 动和车身外形 的影响 ， 前轮后部 的湍流强度 比工况 4有所减弱， 这些湍流形成了低压区， 同时使4条移 动带的上部产生了升力， 但移动带下部却有负升力 产生。工况 6的汽车模型由数值计算得出的气动升 力系数为 0 ． 1 2 2 ， 所受气动升力为 1 6 4 ． 8 N， 而 4条小 移动带所受的合力为 4 4 ． 3 N 。在风洞实验中， 天平 所测的升力是汽车所受的气动升力与移动带运动所 产生的附加 升力之和 ， 即 1 6 4 ． 8 4 4 ． 32 0 9 ． 1 N， 这 时所计算出的气动升力系数为0 ． 1 5 5 ， 相对于0 ． 1 2 2 增加了 2 7 ％， 可见在实车风洞实验测定气动升力 时 ， 必须扣除地面移动带所造成的附加气动升力 。 表 7 工况 6的计算结果 汽车所受的 转鼓上部分 转鼓下部分 汽车迎风面积／ m 汽车气动阻力系数 汽车气动升力系数 移动带合力／ N 气动升力／ N 移动带受力／ N 移动带受力／ N 2 ． 4 4 0 ． 4 0 1 0 ． 1 2 2 1 6 4． 8 5 O ． 7 6 ． 4 4 4． 3 ； 一 3 结论 图8 车轮附近的湍流强度 利用数值计算方法研究移动带系统在不同工况 下的自 身压差， 分析其形成原因， 得到以下结论。 1 移动带 自身空转即使无来流也会产生升 力 ， 而升力随来流速度增加而有所增 大。对于本 文 中所计算 的来流速度 ， 其升力可达 7 6 ． 9 N。 2 整车测量中， 移动带 自身产生的升力会增 大实验车的升力， 可使实验车升力增加 2 7 ％。 应该指出的是， 不同移动带系统可能给实验测 量带来的升力误差有所不同， 有必要进行各自修正。 参考文献 [ 1 ] C o g o t t i A ．E v o l u t i o n o f P e r f o r m a n c e o f a n A u t o m o t i v e Wi n d T u n n e l [ J ] ． J o u r n a l o f Wi n d E n g i n e e r i n g a n d I n d u s t r i al A e r o d y n a m i c s ， 2 0 0 8， 9 6 6 7 6 6 7 7 0 0 ． [ 2 ] E d w a r d D u e l l ，A m i r K h a r a z i ，S a m Mu l l e r ， e t a1．T h e B MW A V Z Wi n d T u n n e l C e n t e r [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 1 0 - 0 1 0 l 1 8 ． [ 3 ] 庞加斌 ， 刘晓晖， 陈力， 等． 汽车风洞试验中的雷诺数、 阻塞和边 界层效应问题综述[ J ] ． 汽车工程， 2 0 0 9 ， 3 1 7 6 0 9 6 1 5 ． f 4 1 Hu e h o Wo l f - H e i c h ．A e r o d y n am i c s o f R o a d V e h i e l e s F o u r th E d i t i o n [ M] ． S A E I n t e rna t i o n a l ， 1 9 9 8 ． [ 5 ] Me r c k e r E， K n a p e H W．G r o u n d S i mu l a t i o n Wi t h Mo v i n g B e l t a n d Ta n g e n t i al Bl o win g f o r F u l l S c a l e Au t o mo t i v e Te s t i n g i n a W i n d T u n n e l [ C] ．S A E P a p e r 8 9 0 3 6 7 ， [ 6 ] B r u n g a r t T A，L a u c h l e G C，D e u t s c h S ，e t a 1 ．E ff e c t o f a Mo v i n g W a l l o n a Fu l l y De v e l o p e d，Eq u i l i b ri u m Tu r b u l e n t B o u n d a r y La y e r [ J ] ．E x p e ri m e n t s i n F l u i d， 2 0 0 1 ， 3 0 4 1 8 - 4 2 5 ． [ 7 ] Y o s h i o k a S ，K i k u c h i S ，O h t a F，e t a 1 ．Me a s u reme n t o f G r o u n d E ff e c t a n d B o u n d a r y l a y e r T r ans i ti o n b y T o win g Wi n d T u n n e l [ J ] ． F l u i d D y n am i c s R e s e a r c h， 2 0 0 9 2 ． [ 8 ] K w o n H， P a r k Y， L e e D， e t a 1 ．Wi n d T u n n e l E x p e ri me n t s o n K o ． r e a n Hi g h s p e e d T r a i n s Us i n g Va r i o u s Gr o u n d S i mu l a t i o n T e c h n i q u e s [ J ] ．J o u rnal o f Wi n d E n g i n e e ri n g a n d I n d u s t r i a l A e r o d y ． n a m i c s ， 2 0 0 1 ， 8 9 1 3 1 1 7 9 1 1 9 5 ． [ 9 ] 杜登惠． 汽车风洞地面模拟 系统 的研究 [ D] ． 长春 吉林 工业大 学 ， 2 0 0 0 ． [ 1 O ] 贾青， 杨志刚． 不同收集 口角度下模型风洞试验段流场的数值 模拟与实验研究[ J ] ． 实验流体力学， 2 0 0 7 ， 2 1 1 9 3 9 6 ． [ 1 1 ] 张英朝． 汽车空气动力学数值模拟技术[ M] ． 北京 北京大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 1 2 ] S h i h TH， L i o u WW， S h a b b i r A ， e t a 1 ． AN e w k - 8 E d d y V i s c o s ． i t y Mo d e l for Hi g h Re y n o l d s Nu mb e r Tu r b u l e n t F l o ws Mo d e l De - v e l o p m e n t a n d V al i d a t i o n [ J ] ．C o m p u t e r s a n d F l u i d s ， 1 9 9 5 ， 2 4 3 2 2 7 2 3 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m