风洞试验中车辆锚定方式对气动力测量的影响分析.pdf

2 0 1 4年 第 3 6卷 第 1 1 期 汽车工程 Aut o mo t i v e Eng i ne e r i n g 2 01 4 2 5 6 风洞试验 中车辆锚定方式对气动力测量的影响分析 水 陈 力 ， 刘晓晖 ， 庞加斌 ， 杨 志 刚 1 ．同济 大学上海地面 交通工具风洞 中心 ， 上海2 0 1 8 0 4； 2 ．同济大学汽车学院， 上 海2 0 1 8 0 4 [ 摘要] 利用国内首个整车气动一 声学风洞对某车辆在两种锚定方式下的气动力进行测量。结果表明， 传统 的浮动模式在高风速时车尾上翘， 且上翘高度随着风速增加而增大。导致气动阻力系数比固定模式大， 最大差值 0 ． 0 0 6 。风速高于 1 0 0 k m ／ h时气动升力系数比固定模式小， 最大差值 0 ． 0 0 7 。因此 ， 整车气动力测量时应考虑锚定 方式的影响， 根据试验 目的和条件合理选择车辆锚定方式， 以保证测试精度。 关键词 ／ R洞试验 ； 固定模式 ； 浮动模式 ； 气动力 An An a l y s i s o n t h e Ef f e c t s o f Ve h i c l e An c h o r i n g o n Ae r o d y n a mi c Me a s u r e me n t i n W i n d Tu n n e l Te s t Ch e n Li ，Li u Xi a o h u i ，P a n g J i a b i n Ya n g Z h i g a n g 1 S h a n g h a i A u to mo t i v e Wi n d T u n n e l C e n t e r ，T o n e U n iv e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 2 ． S c h o o l o fA u t o m o t i v e s S t u d i e s ，T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 { Ab s t r a c t l Ae r o d y n a mi c f o r c e me a s u r e me n t o f a v e h i c l e wi t h t wo d i f f e r e n t w a y s o f a n c h o ri n g i S c o n d u c t e d i n t h e fir s t f u 1 1 s c a l e a e r o d y na mi c ／ a c o us t i c wi n d t u n n e l i n Ch i na ． T he r e s u l t s i n d i c a t e t h a t wi t h t r a d i t i o n a l flo a t i n g mo d e，t h e r e a r e n d o f v e h i c l e ri s e s a t h i g h w i n d s p e e d，l e a d i n g t o a h i g h e r d r a g c o e ffic i e n t t h a n t h a t wi t h fi x e d mo d e．a n d t he ma x i mu m d i f f e r e n c e r e a c he s 0． 0 0 6．wh i l e t h e l i f t c o e 珩 c i e n t wi t h flo a t i ng mo d e i S s ma l l e r t ha n t ha t wi t h fix e d mo de wh e n wi n d s p e e d i s h i g he r t h a n 1 0 0k m／h wi t h a ma x i mu m di f f e r e n c e u D t o 0． 0 0 7．S o t h e e f f e c t s o f v e h i c l e a n c ho r i n g mo d e s h o u l d b e t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n i n a e r o d y n a mi c me a s u r e me n t ．a n d i t i S r e c o mme n d e d t o p r o p e r l y s e l e c t t h e w a y o f v e h i c l e a n c h o r i n g a c c o r d i n g t o t h e o b j e c t i v e a n d c o n d i t i o n o f t e s t t o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f m ea s ur e m e nt ． Ke y wor dswi nd t u nn e l t e s t ；fix e d m o de；flo a t i ng mo de；ae r o d yn ami c f o r c e 日 IJ吾 国家法规和消费者对车辆燃油经济性的关注迫 使汽车企业重视车辆 的空气动力学性能。风洞试验 成为研究和开发车辆的重要手段。获得反映道路车 辆真实运行的高精度的气动力数据是车辆开发必不 可少的数据。为此 ， 企业试验人 员和风洞科研 人员 从未停止对气动力测试技术和测试方法 的研究 。在 众多测试技术 和测试 方法 的研究 中 J ， 车辆 的 固 定方式却未被重视， 相关的研究也很少。 早期 的风洞 试 验， 车辆 的锚 定都 采用 浮 动模 式 J ， 即仅 以车辆 自身质量和 自带静态制动方式 如 手刹等 进行 锚定。在试 验过程 中， 随着风速 的增 大 ， 由于升力的增加可能使被测车辆尾部上翘 ， 从而 导致测量结果不可靠。随着试验设备和相关技术 的 发展 ， 移动地面系统 路面模拟 系统 和车辆转动 系 统 相继被新建 和改造 的风洞采用。车辆的锚 定方式发生改变， 即以装配在天平测量平台上的车 辆限位装置固定试验车辆。一方面保证 了被测车辆 在整个试验过程 中位置不发生改变 ， 另一方面保证 相关设备 的安全 。当然 ， 限位装置的存在可能对测 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 2 0 1 1 C B 7 1 1 2 0 3 资助。 原稿收到 日期为 2 0 1 2年 7月 9日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈力， 等 风洞试验中车辆锚定方式对气动力测量的影响分析 1 3 7 1 固定模式大。 2 ． 2气动升力系数 空气以一定速度 流经车辆 时， 由于车辆 的底 部 和地面边界层的作用， 使得底部流速减小， 压力增 大。同时， 气流流经车身上表面时 ， 气流加速 、 压 力 减小， 使车辆底部压力大于顶部压力， 从而产生向上 的升力 ， 如图4所示 。两种锚定方式下的气动升力 系数如表 2所示。 来 流 图4 气动升力产生机理 表 2 两种锚定方式的气动升力系数 速度／ 浮动模式 固定模式 k in ／ h C l C lf C IT C 】 C l f C l r 6 0 O ． 1 63 0 ． 1 0 9 0 ． 0 5 4 0． 1 5 9 0 ． 0 9 4 0 ． 0 6 5 8 0 0 ． 1 63 O ． 1 1 4 0 ． 0 4 9 0． 1 6 0 O． O 9 8 0 ． 0 6 2 1 0 0 0 ． 1 61 0 ． 1 1 6 0 ． O 4 5 0． 1 6 2 0 ．1 0l 0 ． 0 61 1 2 0 O ． 1 6 0 O ． 1l 7 0 ． 0 4 3 0． 1 61 0． 1 O 2 0 ． 0 5 9 1 40 0 ． 1 58 O ． 1 1 5 0 ． 04 3 0． 1 6 0 ．1 0 2 0 ． 0 5 8 1 6 0 0 ． 1 5 6 O ． 1 1 4 0 ． 0 4 2 0． 1 61 0． 1 0 3 0 ． 0 5 8 1 8 O 0 ．1 5 7 0 ． 1 1 4 0 ． 04 3 O ． 1 6 3 0． 1 0 5 0 ． 0 5 8 2 0 o O ．1 5 7 0 ． 11 2 0 ． 0 4 5 0． 1 6 4 0． 1 0 6 0 ． 0 5 8 注 C ” 和C - 分别为车辆前部和车辆后部的气动升力系数。 从表 2可 以看出， 浮动模式 与固定模式测得 的 车后部的气动升力系数 C ， 不 同， 浮动模式下相 比于 固定模式要小些。在所有试验风速下 ， 约小 0 ． 0 1 5 。 这主要是 由于试验车辆在浮动模式下尾部由于升力 矩 作用而抬高 ， 使底盘和地面边界层厚度有所减 小 6 浮 动 6 固 定 ， 通过底 盘尾部 的流速增 大、 压力减 小 ， 车身尾部上下的压力差变小 ， 气动升力系数 由此 变小。与之相反的是 固定模式 ， 由于车身尾部高度 无法 因气动升力 矩 的作用而变化 ， 地面和底 盘的 边界层厚度基本不变， 车身尾部上下压力也不变。 对于车前 部 的气 动升力 系数 C 情况有 所不 同 ， 即浮动 模式 下 比 固定 模式 要大些 。速 度小 于 1 2 0 k m／ h时 ， 约大 0 ． 0 1 5； 速度大于 1 2 0 k m／ h时 ， 差 距有所减少 ， 特 别是在速度升至 2 0 0 k m ／ h时 ， 差距 仅为 0 ． 0 0 6 。这与车辆底盘和地面边界层引起 的 逆压梯度有关 。在 固定模式 下 ， 风速越大 ， 逆压 梯 度对车身前部的升力影响也越大 ， 使流经车头底部 的气流速度迅速减 小 ， 上下压差 急剧增大 ， 所 以在 c 的表现上增 大速 率更 为 明显 。在浮 动模 式下 ， 底盘和地面的边界层厚度的减小使底盘的气流速 度增大 ， 减小了车辆底部的逆压梯度 。由于车尾的 抬高 ， 对前部气 流有一定 的泄压 作用 ， 因此 逆压梯 度 的发展呈稳定 的状 态 ， C 随风 速 的增 大呈稳 定 的状态。 车后部气动升力系数 ， 浮动模式小于固定模式 ； 而车前部气动升力 系数 ， 浮动模 式大 于固定模式。 综合 结 果 ， 两 种 锚 定 方 式 差 别 不 大 ， 速 度 高 于 l O O k m ／ h时 ， 总气动升力系数 ， 浮动模式小于固定模 式 。应该指出的是 ， 浮动模式下 ， 车辆尾部上翘幅度 与风速、 车质量等多个 因素有关 。尽管 同一辆车 ， 也 有可能因为某些轻微 的改动 ， 使车辆试验状态发生 改变 ， 测量出来的气动升力系数不同， 因此不具有可 重复性 。与之不同的是 ， 固定模式能使所有试验工 况被测车辆的位置不变 ， 可重复性较好。 3 结论 浮动模式与固定模式是试验车辆的两种锚定方 式 。在气动力测量 中， 两种方式得到气动阻力和气 动升力是不同的。在气动 阻力方面 ， 高风速时采用 固定模式得到 的气动阻力 系数 比浮动模式小， 其差 距 随风速的增加而增大。在气动升力方面 ， 两种锚 定方式差别不大， 速度高于 l O O k m ／ h时， 固定模式 的气动升力系数比浮动模式稍大。 浮动模式简单易操作 ， 但 由于车尾在高风速时 上翘 ， 存在一定运行操作安全问题 ， 如在高风速下车 辆容易飘逸产生事故。相反 ， 固定模式在整个试验 过程中， 被测车辆的位置固定不变， 由此不仅保证试 验安全 ， 而且同一车型试验数据 的可重复性和可 比 性也 较好 。 参考文献 [ 1 ] B e a u v a i s FN ， T i g n o r S C ， T u r n e r TR ． P r o b l e m s o f G r o u n d S i m u l a t i o n i n Wi n d T u n n e l T e s t i n g o f A u t o m o t i v e Mo d e l s [ C ] ．S AE P a - 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