车身姿势对风洞试验气动升力测量影响研究.pdf

2 0 1 5年 第 3 7卷 第 3期 汽车工程 Au t o mo t i v e Eng i n e e r i ng 2 01 5 0 5 2 车身姿势对风洞试验气动升力测量影 响研究 术 张勇 ， 谷正气 ， 刘水长 ， 。 1 ．湖南大学， 汽车车身先进设计制造 国家重点实验 室， 长沙4 1 0 0 8 2 ； 2 ．湖南工业大学机械工程学院 ， 株 洲4 1 2 0 0； 3 ．华南理 工大学机械 与汽车工程 学院， 广 州5 1 0 6 4 1 [ 摘要] 为揭示风洞试验中汽车模型姿势对气动升力测量结果的影响规律， 以获得精确的测量结果 ， 在 H D 一 2 风洞中， 对 MI R A阶梯背 1 ／ 3模型的安装支撑方式、 离地高度、 俯仰角和侧偏角等影响因素进行了研究。结果表明 上述因素均对升力系数产生显著影响； 在一定范围内， 升力系数随着离地高度增大近似线性减小， 随着俯仰角增大 近似线性增加 ， 随着侧偏角的增大近似指数增加； 对于 H D - 2风洞， 车轮与地面间隙应控制在 l mm左右。 关键词 车身姿势 ； 气动升力 ； 风洞试验 A S t u d y o n t h e Ef f e c t s o f Ca r Bo d y P o s t u r e o n t h e Me a s u r e me n t o f Ae r o d y n a mi c Li f t i n W i n d Tu n n e l Te s t Zh an g Yo n g ， _ ．Gu Zh e ng qi ， Li u S hu i c ha n g ， 。 1 ． Hu n a n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofA d v a n c e d D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n gf o r V e h i c l e B o d y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ； 2 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g in e e r i n g， Hu n a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 7 ； 3 ． S c h o o l ofMe c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e ri n g ，S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y of T e c h n o lo g y， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 [ Ab s t r a c t J F o r r e v e a l i n g t h e l a w o f t h e i n fl u e n c e o f c a r m o d e l p o s t u r e o n t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f a e r o d y n a mi e l i ft i n wi n d t un n e l t e s t t o o b t a i n a c c u r a t e me a s u r e me n t r e s u l t s ，t h e i nfl u e n c i ng f a c t o r s i n c l ud i n g t he wa y s o f i n s t a l l a t i o n a n d s u p p o r t ，g r o u n d c l e a r a n c e s ， p i t c h a n g l e a n d y a w a n g l e o f 1 ／ 3 n o t c h b a c k MI RA mo d e l a r e i n v e s t i g a t e d i n HD- 2 wi n d t u nn e 1 ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a b o v e me n t i o n e d f a c t o r s a l l h a v e s i g n i fic a n t e f f e c t s o n l i f t c o e ffi c i e n t ．I n c e r t a i n r a n g e， t h e l i ft c o e f f i c i e n t a p p r o x i ma t e l y d e c r e a s e s l i n e a r l y wi t h t h e i n c r e a s e o f g r o u n d c l e a r a nc e， g o e s up n e a r l y l i n e a r l y wi t h t h e i nc r e a s e o f p i t c h a n g l e，a n d a p p r o x i ma t e l y e x p o n e n t i a l l y i n c r e a s e s wi t h t h e r i s e o f y a w a n g l e ．Fo r HD一 2 wi n d t un n e l ，t h e g a p b e t we e n whe e l a n d g r o un d s h o u l d b e c o n t r o l l e d wi t h i n 1 mm ． Ke y wo r d sc ar bo d y po s t ur e；a e r od y na m i c l i f t ；wi n d t unn e l t e s t 日 IJ吾 汽车气动升力特性是汽车 的重要特性之一 ， 在 高速行驶条件下， 车辆重力 G不变， 气动升力 的 增大， 会降低地面附着力 F ， 使原低速时不足转向 特性变为过度转 向性能或产生波动 ， 甚至具有不确 定性 。同时， 侧偏 刚度减小后 ， 轮胎 回正力 矩也减 小 ， 导致操纵稳定性降低。因此 ， 气动升力被认为是 “ 高速车辆的生命线” 。 长期 以来 ， 人们主要关注气动阻力 ， 对轿车的气 动升力研究 尚不够深入 。在理论 方面 ， 根据伯努利 定律提出的“ 路径理论” 是在飞机机翼展二 维条件 下的推理 ] 。然而汽车车 身周 围的空气 为三 维流 动 ， 简单的“ 二维路径理论” 无法全面揭示部分车型 为负升力 的现象 。且实际应用 中， 希望小型车为负 升力 ， 以提高其地 面附着力 ， 改善其 高速行驶 稳定 性 ； 而大型货车则宜 为正升力 ， 以降低附着力 ， 提高 中央财政支持地方高校专项资金项 目一 创新团队 0 4 2 0 0 3 6 0 1 7 、 湖南省教育厅高等学校科学研究计划 1 2 C 0 0 6 4 和湖南 工业大学自然科学研究项 目 2 0 1 2 H Z X 1 0 资助。 原稿收到日期为2 0 1 3年5月2 7日， 修改稿收到日期为2 0 1 3年 1 1 月 4日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 3期 燃油经济性 ， 因此对汽车升力的研究意义重大 。 风{ 同实验是汽车车身空气动力学研究的基础性 内容 ， 然而汽车升力不同于气动阻力 ， 对底部气流流 动状态非常敏感 ， 抽吸率和模型 的安装状况等都会 影响试验结果。文献[ 3 ] 中研究提出风速测量误差 和模型安装误差是气动升力系数测量不确定性 的主 要原因。文献 [ 4 ] 中总结 了移动底板对前后两轴气 动负升力 的影响规律。文献 [ 5 ] 中研究了风洞 中模 型不同支撑方式对气动升力测量的影 响关系。文献 [ 6 ] 中研究认为全尺寸风洞和模 型风洞的气动力 系 数测量结果较接近 。文献[ 7 ] 和文献[ 8 ] 中应用 M I R A国际标准模型 ， 研究地面效应对汽车风洞试验结 果的影响 ， 提出了 H D 一 2风洞最佳抽吸率 ， 并依此提出 了该风洞地面边界层修正公式， 申请 了风洞数据修正 后处理软件专利 。此外 ， 文献 [ 9 ] 和文献 [ 1 0 ] 中对地 面效应模拟系统对风洞试验结果影响进行 了仿真分 析。从 目前气动升力风洞试验研究来看， 主要集中在 如何通过边界层控制 ， 降低地面效应对气动升力测量 的影响 ， 关于车身姿势对气动升力风洞试验结果影响 规律的研究鲜有报道。 本文中根据湖南大学 H D 一 2风洞特点， 应用国际 标模， 在前人研究基础上 ， 进一步研究 了支撑方式、 安 装离地高度、 俯仰角和侧偏角等模型安装姿势对气动 升力测量的影响 ， 分析了气动升力准确测量 的关键环 节 ， 总结了升力系数随离地 高度 、 俯仰角和侧偏角 的 变 化规律 。 1 风洞试验与气动升力基本理论 1 ． 1汽车风洞试验概述 汽车风洞试验是数值计算和理论分析验证 的基 础 。风速低于 1 0 0 m／ s ， 属于低速风洞 。汽车模型风 洞试验应符合几何相似 、 运动相似 、 动力相似等相似 性准则 ， 对于气动力的测量 ， 汽车模型风洞可不必考 虑热力学相似和质量相似 。模型风洞模拟 的流场与 车辆实际行驶时并不完全相 同， 还须进行校核和修 正 。重要的是阻塞效应 、 地面边界层 和静压梯度 的修正 ， 在此不予赘述。 1 ． 2 气动 升 力产 生的机 理 根据伯努利方程 ， 按照机翼展路径理论 ， 气流速 度大的车身表面压力小 ， 速度小的表面压力大 ， 从而 形成车身上下表面 的压差升力 ， 且在气动升力 中起 主导作用 。按此解释 ， 进一步可以理解 为流经汽 车车身各部位的气流流量不同造成 了车身所受压力 不同。汽车车身造型为三维复杂 曲面 ， 气流流过 车 身上、 下表面和两侧面 ， 由于车身造型和车身姿势的 不 同， 都会改变其周围气流分布。同时 ， 在车身底部 产生的附面层与地面发生干涉 ， 阻碍气流顺畅流动， 在低矮狭小的模型底部形成“ 气流拥塞”， 导致 底部 压力和升力增大。由此可见 ， 要保证气动升力测量 准确 ， 从理 论 上 讲 ， 必 须 精 确 控 制 汽 车模 型 安 装 姿势 2 试验条件与仪器 2 ． 1 HD- 2风洞概 况 H D 一 2风洞为低速 、 单 回流 、 串列双试 验段的边 界层风洞 ， 其鸟瞰图和高速试验段分别如图 1和图 2 所示 。高 速试 验段 长 1 7 m， 模 型试 验 区横 截 面宽 3 m， 高 2 ． 5 m， 试验段风速 0～5 8 m ／ s ， 连续可调。风 洞流场品质主要参数如表 1 所示。 一 图 1 H D 一 2风洞鸟瞰图 图2 H I 一 2风洞高速试验段 表 1 风洞主要流场品质参数表 名称 数据 备注 最大风速 5 8 m ／ s 空风洞 最小可控风速 ≥ 1 m ／ s 速度场不均匀性 ≤ 1 ％ AO ／ ≤ 0 ． 5。 方 向场不均匀性 五孔探针测量 △ 卢 ≤0 ． 5。 紊流度 ≤0 ． 2 ％ 热线风速仪测量 高速试验段 0 ． 0 0 0 1 l P a ／ m 4 5 n s时 轴向静压梯度 0 ．0 0 0 l 6 P a l m 3 0 m ／ s时 2 ． 2 试 验仪 器 2 ． 2 ． 1 天平 HD 一 2所用六分力浮框式应变式天平 ， 测量精度 为 0 ． 2 ％ ， 如图 3所示 。 2 ． 2 ． 2 测速系统 测速系统采用澳大利亚 ⅡI 眼镜蛇三维湍流风速 测量仪 图 4 。测量速度为 21 0 0 m ／ s ， 最大风速偏角 为4 5 。 ， 监测频率为0～ 2 0 0 0 H z ， 测量精度为 0 ． 2 m ／ s 。 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 V o 1 ． 3 7 N o ． 3 张勇， 等 车身姿势对风洞试验气动升力测量影响研究 2 9 9 图 1 5 侧偏角为 1 5 。 尾部流场图 对 比图 1 4和图 1 5可见 ， 侧偏角为 1 5 。 时后车窗 处分离涡不再经过纵对称面， 尾涡相对于 0 。 时更加 靠上 ， 且整个 尾部流线 向上倾 斜 ， 说 明侧偏 角 的存 在 ， 导致汽车底 部气 流加剧。侧偏角为 0 。 时 ， 模 型 底部气流进入后 ， 可以从模型两侧流出 ， 从 而降低底 部的正压力。侧偏角的存在使进入底部的气流从单 侧流出趋势增强 ， 致使底部气流积聚 ， 压强增大 ， 从 而导致升力系数显著增加 。 4 结论 通过风洞试验 ， 本文中分析了模 型支撑方式 、 离 地高度 、 俯仰角和侧偏 角等车身姿势对气动升力测 量的影响规律 ， 主要结论如下。 1 在测量范 围内， 升力系数 随着 离地高度增 大近似线性减小 ， 随着俯仰角增大近似线性增加 ， 随 着侧偏角的增大近似指数增加 。 2 具有较高精度的汽车升力风洞试验数据结 果 ， 必须精确控制车轮与地面间隙在恰 当范围， 模型 水平放置 ， 纵对称面与来流方向一致 。 3 对 H D 一 2风洞 ， 在 6 ％的最佳抽吸率下 ， 天平 支柱锁紧， 控制车轮与地面间隙为 1 mm、 零俯仰角 、 零侧偏角 ， MI R A阶梯背模型的升力系数为 0 ． 0 6 9 。 此外 ， 对气动升力 的风洞试验结果 ， 还应结合具 体风洞 的流场品质进行修正。 参考文献 [ 1 ] 宋听 ， 谷正气 ， 何忆兵 ， 等 ．基于 Ah me d模型 的气动 升力研 究 [ J ] ．汽车工程 ， 2 0 1 0， 3 2 1 0 8 4 7 8 5 0 ． [ 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