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 201804)

前言

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分［1］，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［2－9］，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。

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

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7m、宽为1m;4条小移动带长为0.3m、宽为0.28m;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［10］，4 条小移动带的表面网格控制在20mm左右，移动带和地面的第1层网格厚度为1mm，增量2mm，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20mm，汽车模型的表面网格控制在5～30mm之间，部分复杂曲面如后视镜，采用5mm网格，大面积平滑表面如车顶盖，采用30mm网格，车身表面网格第1层厚度为1.5mm，增量1.5mm。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L、W、H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。

表2 6种工况的长方体部分计算域大小和网格数

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，其阻塞干扰产生的误差无须修正［11］。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0.177和2.44m2，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FLUENT软件选用k-εRealizable两方程湍流模型，和 Non-equilibrium 壁面函数［12］，边界条件如表3所示。

表3 边界条件

首先对计算模型进行1阶精度计算，当残差收敛至10－4数量级后，继续进行2阶精度计算，直到残差收敛至10－5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1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

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，随着入口风速的增大，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。

表5 工况2和工况3受力对比 N

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，且没有入口风速的情况下，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

图7 给出了工况4和工况5的轮胎与转鼓实验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113%，工况5比工况3减小了56%。

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0.122，所受气动升力为164.8N，而4条小移动带所受的合力为44.3N。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164.8+44.3=209.1N，这时所计算出的气动升力系数为0.155，相对于0.122增加了27%，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

3 结论

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76.9N。

(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27%。

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。

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