汽车气动升力风洞试验值的修正方法.pdf

2 0 1 5年 第 3 7卷 第 1 期 汽车工程 Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 汽车气动升力风洞试验值 的修正方法 木 李启 良， 杨志刚， 陈 力 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 01 5 O1 6 [ 摘要] 分别采用数值模拟和风洞试验， 研究汽车风洞移动带产生的附加升力 ， 获得前后轮移动带静压系数 和附加升力系数的数值模拟和试验结果。接着通过对静止和运动工况移动带静压系数变化的数值模拟， 发现由静 止工况变为运动工况后， 前轮带的附加升力系数仅增加 0 ． 0 0 4 ， 而后轮带增加 0 ． 0 0 8 。结合静止工况的试验数据和 静止与运动工况的数值模拟结果 ， 给出了运动工况汽车风洞气动升力系数的修正公式， 从而可获得被测车辆的真实 升力系数。 关键词 汽车风洞； 移动带系统 ； 数值模拟 ； 升力修正 Co r r e c t i o n Me t h o d f o r t h e W i n d Tu n n e l Te s t Va l u e o f Ve h i c l e Ae r o d y n a mi c L i f t L i Qi l i a n g ． Ya n g Z h i g a n g＆ C h e n L i T o n g i i U n i v e r s i ty， S h a n g h a i Au t o m o 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 0 4 『 Ab s t r a c t ] Bo t h n u me r i c a l s i mu l a t i o n a n d w i n d t u n n e l t e s t a r e c o n d u c t e d t o s t u d y t h e a d d i t i o n a l l i f t g e n e r a ． t e d b y mo v i n g b e h s i n a u t o mo t i v e w i n d t u n n e l wi t h t h e s i mu l a t i o n a n d t e s t r e s u h s o b t a i n e d i n t e r ms o f t h e s t a t i c p r e s s u r e c o e ff i c i e n t s a n d l i ft c o e 佑c i e n t s o f f r o n t a n d r e a r b e l t s ． I t i S f o u n d b y t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o n t h e c h a n g e i n t h e s t a t i c p r e s s u r e C o e f f i c i e n t s o f mo v i n g b e l t s b e t we e n s t a t i o n a r y a n d mo v i n g c o n d i t i o n s t h a t t h e a d d i t i o n a l l i f t e o e f fi c i e n t o f - f r o n t b e l t i n mo v i n g c o n d i t i o n i S o n l y 0 ． 0 0 4 l a r g e r t h a n t h a t i n s t a t i c c o n d i t i o n wh i l e i t i s 0 ． 0 0 8 l a r ． g e r f o r r e a r b e l t ．B y c o mb i n i n g t h e t e s t d a t a i n s t a t i o fi a ry c o n d i t i o n wi t h t h e n u me ric a l s i mu l a t i o n r e s u l t s i n b o t h s t a t i o n a r y a n d mo v i n g c o n d i t i o n s ， t h e c o r r e c t i o n f o r mu l a e f o r t h e a e r o d y n a mi c l i f t c o e f fi c i e n t s o f a u t o mo t i v e w i n d t u n n e l i n mo v i ng c o n di t i o n a r e g i v e n a n d h e nc e t h e r e a l l i ft c o e mc i e n t o f t e s t e d v e h i c l e c a n be o b t a i n e d． Ke y wor d sa u t o mot i v e wi n d t un ne l ；m o v i ng be l t s y s t e m ；nu m e r i c a l s i m u l a t i o n；l i f t c o r r e c t i o n 日 IJ吾 气动阻力和气动升力分别影响着汽车的燃油经 济陛和行驶安全性。准确获得汽车的气动阻力和气 动升力对汽车研发有着重要意义 ， 为此国外各汽车 企业花费大量人力物力建设汽车整车风洞[ 1 - 2 ] 。为 了有效模拟汽车在道路的运行工况， 近年建设的整 车风洞都配备地面移动系统。由 1 条中央移动带和 4条处 于车轮的小移动带组成 的 5带地面移动系统 被广泛应用L 3 - 4 J 。 地面移动系统能够有效消除地面边界层对气动 力测量的影响， 从而真实再现汽车在道路上的运行 情况。然而由于天平的某些测力传感器位于车轮转 动单元下 ， 小移动带 的运转使 自身上下产生压力差 ， 从而使天平测量得到的升力为被测车辆升力和移动 带附加升力之和。为此有必要获得移动带附加升力 的大小， 从而对风洞气动升力测量值进行修正， 获得 真实的被测车辆的升力。应该指出的是， 国内在这 方面研究几乎属于空 白， 找不到相关研究成果 ， 其主 要原 因是 国内之前尚未有汽车整车风洞。 本文中将风洞试验与数值模拟相结合， 分析静 同济大学青年优秀人才培养行动计划 2 0 1 3 K J 0 3 7 、 国家 自然科学基金青年科学基金 1 1 3 0 2 1 5 3 、 国家 9 7 3计划项 目 2 0 1 1 C B 7 1 1 2 0 3 和上海市地面交通工具风洞专业技术服务平台 1 4 D Z 2 2 9 1 4 0 0 资助。 原稿收到日期为2 0 1 3年6月5日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 3年 7月 2 2日。 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 止工况 卜 小移动带 的附加升 力， 获得该 况 的气 动 升力修正公式 ， 利用 数值模拟开展运动工况下 的移 动带附J J l i T t 力研究 ， 获得运动工况 的 动升 力修正 式 ．『 } I 于无法通过风洞试验得到运动一 况下移动带 附D H S t - 力， 凶此 只能利用数值模拟 在静止 j 运动 工 况的差 来给 运动 r 况的气动升力的修 式。 1 风洞试验和数值模拟 1 ． 1 风 洞试 验 利用上海地面交通工具风洞 中心 的气动一 声学 整车风洞 ， 开展车轮静 止工 况的气 动升力测世 4 2 个压力测点布置在车轮 四周 的小 移动带 卜方， 如 罔 l 所 示 、 罔 1 压 力测点 布置 整车质量分布通常前重后轻 ， 为此前后轮的接 触面积有所 不同。如 图 2所示 的轮胎 纹影清 楚表 明， 前轮接触面积大 ， 后轮小 ， 且内侧大 ， 外侧小。尽 管前后轮均布置 4 2个压力测点 ， 但足所对应的面积 并不相} ] 。利用丽积平均来计算前后平均压力是 比 较合理的 ， 如式 1 所示。由于小移动带下方 位于 大气环境中 ， 因为小移动带的附加升力为被测平均 j 】 4 2 ，1 、 A C ∑p i S ， ／ 1 r s 1 l1 l 、 ￡ ， 式 中 △ C ， 为移动带 产生 的附加升 力系数 ； 和 S 分别为测点的静压和面积 ， P a和 n ； p为审气密度 ， 试验时 的空气 密度 P1 ． 2 k g ／ m ； ， 为来 流速 度 ， l l l ／ S ； S为 迎风 面 积 ， I n 。 试验 车辆选用上 汽某三 厢轿 车 ， 如图 3所 示 开启边界层抽吸系统和 中央移动带 ， 分别测量车速 为 8 0、 1 1 0和 1 4 0 k m／ h时小移动带 的压力和天平感 受的气动升力。 2 2 ＼ √ t I s ／ 荨 ， Y ． 4 { j 一 ． ． 。．．． ． L一 ． ． ． ． ． ， -～ ～一 ⋯一 0 ～ 0⋯ ⋯ ～ a 前轮移动带 1 4 l 翱 3 9 35 ； 3 7 ； 撼 3 5 囊 ． l ． 4 ■ 2 4 嚣 。 l 强 7 铷 t 媾 ＼ ／ t， ⋯ ．i／ ∥ ⋯一～ 一 r‘ I ⋯‘ 一 ’ ’ 。‘’。⋯ 9 t 4 。 b 后轮移动带 图2 轮胎纹影和测点布置 1 ． 2 数值模拟 创建包括 5带系统的数值风洞 。将被测车型 固 定在数值风洞 中， 前后轮与小移动带相接触 。汽车 表面网格尺寸控制在 2 0～ 3 0 ram之间。发动机舱的 风扇 、 冷凝器等关键部件 的面网格 尺寸控制在 5 l n l n 左右。为了更好模拟地面和车身边界层 ， 在它们表 面创建边界层网格。第 l 层 网格厚度为 1 mm， 增长 率 为 1 ． 2 ， 共计 4层 。计算域尺寸为 7倍车长 、 5倍 车宽和 4倍车高 。在靠近车辆区域采用了几何适应 性较好 的四面体网格， 而在远离 车辆 的流场采用 了 六面体网格。四面体和六面体 网格 区域之 间用金字 塔型网格连接。网格总数为 1 6 0 0万。图 4给出中 截面网格示意图。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7 卷 第 1 期 图4 中截面网格 冷凝器和散热器采 用多孔介质模 型， 并根据 风 室试验获得的风阻和速度曲线设置多孔介质模型。 给定与试验相对应的风速， 使用 R e a l iz a b l e k - e双方 程湍流模 型和非平 衡壁面 函数 对 湍流场进行模 拟 。首先进行 1阶精度计算 ， 当残差 收敛 至 1 0 后 继续进行 2阶精 度计算 ， 直到残差收敛 至 1 0 数量 级 ， 且监控升力和某点压力数值基本不 随迭代发生 改变时 ， 认为计算收敛。 2 结果分析与讨论 2 ． 1 数值模拟与试验对 比 为了更好地比较不同风速的数值和试验结果， 对测点压力进行无量纲处理， 定义静压系数 C 。 为 ， 1 ＼ C P i - p ／ l I 2 、 ， 式中 和p 分别为测点静压和参考静压， P a ； i 为测 点序号 ； 口 为来流速度 ， m ／ s 。 当测点静压系数 C p O时， 该处的气流对于移动 带产生的是方向向下的下压力， 当 c 。 0 外， 其它测点的 c 0 。由于后轮处于前轮 的尾涡 中， 后轮移动带表面 的静压系数较前轮移动 带表面要小 ， 由此导致后轮处移动带的附加升力相 对于前轮处移动带小 。前 轮处移动带表面 C 。的正 负峰值分别约为0 ． 7 0和一 0 ． 7 0 ， 后轮处移动带表面 c 。 的正负峰值分别约为0 ． 1 5和一 0 ． 3 O 。 对比前后轮静压系数的数值模拟和试验结果可 以看到， 两者变化趋势相同， 且大多数测点数值差异 较小。当然也存 在个别测点差异较大 。总体来讲 ， O 2 O l O 0 。O 1 -0 2 一O 3 -0 4 ．0 ． 5 ， 测点序号 b 后轮 图5 前后轮测点静压系数对比 8 0 k in ／ h 数值模拟结果具有一定的精度， 可以应用相同的数 值方法进行运动工况的模拟。 利用数值模拟和试验获得的测点静压系数， 通 过式 1 可以算得移动带产生的附加升力系数值， 如表 1 所示 。从表 中可 以看 出， 试验获得前轮移动 带的附加升力系数为0 ． 0 2 0 ， 后轮为 0 ． 0 1 0 ， 大小仅 为前轮的 1 ／ 2 。数值模拟获得前轮和后轮的附加升 力系数分别为 0 ． 0 2 8和 0 ． 0 1 2 。它们都不 随风速 的 改变而改变。值得指出的是， 前轮移动带的附加升 力系数的数值模拟结果和试验结果差异稍大， 后轮 差异较小 。 表 1 试验与数值模拟所得的升力系数 风速／ A C L F △C L R AC L k m ／ h 试 验 C F D 试验 C F D 试验 C F D 8 0 0． 0 2 0 0 ． O 2 8 O ． 0 1 1 0 ． 0 1 2 0 ． O3 1 0 ． 0 4 0 1 1 0 0． 0 2 0 O ． O 2 8 0 ． 0 1 0 0 ． 0 1 2 0 ． 03 0 0 ． 0 4 0 1 4 0 0． 0 2 0 0 ． 0 2 8 0 ． 0 1 0 0 ． 0 1 2 0 ． 03 0 0 ． 0 4 0 2 ． 2 运动工况数值模拟结果 图 6给 出了移动带静 止与运 动工况下测 点 c 。 的对 比。从图中可 以发现 移动带运动后对于前轮 影响较小， 大多数测点的静压系数并无明显变化， 个 别测点的静压系数有明显降低， 如测点 2 8 3 1 和测 点 3 4 ～ 4 0 ； 后轮移动带在运动工况的静压系数明显 小于静止工况， 除个别几个测点静压系数无明显变 0 8 6 4 2 O 2 4 2 L n 0 0 0 D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李启 良， 等 汽车气动升力风洞试验值的修正方法 9 1 化外， 大多数测点都有不同程度的降低 ， 但这些测点 在静止和运动工况的变化趋势大致相同。 测点序号 b 后轮移动带 图6 移动带静止与运动工况静压系数对比 8 0 k m ／ h 表 2 给出静止和运动工况下， 通过数值模拟得 到的移动带附加升力系数。从表中看出 移动带的 运动使前 轮移动带 的附加 升力系数增加 0 ． 0 0 4， 后 轮移动带 的附加升力系数约增加 0 ． 0 0 8 。显然后 轮 增幅远大于前轮。风速的变化并不改变前后轮移动 带的附加升力系数 。 表 2 静止和运动工况移动带的附加升力系数 风 CIJ F A C L R △ C L k m／ h 静止 运动 静 止 运 动 静止 运动 8 0 O ． O 2 8 0 ． 0 3 2 0 ． 01 2 O ． 0 2 O 0 ． 0 40 0． 0 5 2 1 l O 0 ． 0 2 8 0 ． 0 3 2 0 ． 01 2 0 ． 0 1 9 0 ． 0 40 O． 0 51 1 4 0 0 ． 0 2 8 0 ． 0 3 2 0 ． 01 2 0 ． 0 2 0 0 ． 04 0 0． 0 5 2 2 ． 3 升 力系数修正 被测车辆的升力应该在天平测得升力数值中减 去移动带产生的附加升力。 根据表 1中试验数据可得车轮静止时气动升力 系数修正关系为 CL F CL F 实 测一 0 ． 0 2 0 C L R C L R 实 测 一 0 ． 0 1 0 3 CL C壤 测一0 ． 03 0 在式 3 修正关系的基础上， 结合数值模拟得 到静止和运动工况对应的附加气动升力系数 的差异 见表 2 ， 可获得车轮运动时气动升力系数修正关 系为 CL FCL F 实测一 0． 0 2 4 C L R C L R 实 测一 0 ． 0 1 8 4 CL CL 实测一0 ． 0 4 2 应该指出的是 ， 不 同汽车风洞和不同的车型可 能由于使用移动带系统大小和轮胎尺寸不一， 附加 升力系数的具体数值可能有所差异。但均可参考本 文的方法来获得。 3 结论 通过风洞试 验测量静止 工况下 前后轮静压 系 数， 得到前轮移动带产生的附加升力系数为 0 ． 0 2 0 ， 后轮为 0 ． 0 1 0 。 数值模拟静止工况和运动工况下前后轮静压系 数 ， 发现静止工况下 ， 测点静压系数的数值结果与试 验结果在变化趋势上一致 。与静止工况相 比， 移动 带的运动对于后轮移动带的影响较大， 前轮影响较 小。表现在数值差异为前轮附加升力系数增加了 0 ． 0 0 4 ， 后轮增加 0 ． 0 0 8 。 利用文中得到的汽车风洞气动升力修正关系可 以对天平测得 的气动升力 系数进行修正 ， 从而得到 被测车辆真实的气动升力值。当然， 即使在相同风 洞测量不同类别的车型时， 获得移动带附加升力系 数也可能有所不同， 但仍可通过本文方法获得。 参考文献 [ 1 ] Wa l t e r J A ， D u e l l E G， M a r t i n d al e W R ， e t a 1 ． T h e D a i m l e r e h r y s - 1 e r F u l 1 ． s c a le Ae r o d y n a mi c N o i s e Wi n d T u n n e l [ c] ．S A E P a p e r 2 o o 3 01 一 O 4 2 6． [ 2 ] E d w a r d D ， A m i r K ， S a m M， e t a1 ．T h e B M W 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 1 1 8 ． [ 3 ] Wi e d e m a n n J ， P o t t h o ff J ． T h e N e w 5 - b e l t R 0 a d S im u l a t i o n s y s t e m o f t h e I V K Win d T u n n e l D e s i g n a n d F i r s t R e s u l t s [ C ] ． S A E P a p e r 2 0 0 3一 O1 一 O 4 2 9． [ 4] C o g o t t i A．，I 1h e N e w Mo v i n g G r o u n d S y s t e m o f the P i n i n f a r i n a Wi n d T u n n e l 『 C] ．S AE P a p e r 2 0 0 7 0 1 1 0 4 4 ． [ 5 ] S h i h TH，Uo uw W ， e t a 1 ．AN e w k - eE d d yV i s c o s i t yM o d e l f 0 r H i g l l R e y n o l d s N u mb e r T u r b u l e n t F l o w s Mo d e l D e v e l o p m e n t a n d V a l i d a t i o n [ J ] ．C o m p u t e rs and F l u i d s ， 1 9 9 5 ， 2 4 3 2 2 7 - 2 3 8 ． 8 64 2 O 24 6 8O 24 0O 0 O O 2 l 0 l 2 3 4 5 6 7 0 O c； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m