车身姿势对风洞试验气动升力测量影响研究*

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 410082；2.湖南工业大学机械工程学院，株洲 41200； 3.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641)



2015052

车身姿势对风洞试验气动升力测量影响研究*

张 勇1,2，谷正气1,2，刘水长2,3

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.湖南工业大学机械工程学院，株洲 41200； 3.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641)

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HD-2风洞中，对MIRA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HD-2风洞，车轮与地面间隙应控制在1mm左右。

车身姿势；气动升力；风洞试验

前言

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Fl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”[1]。

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[2]。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，提高燃油经济性，因此对汽车升力的研究意义重大。

风洞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MIRA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HD-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[10]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HD-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100m/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[2]。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[2]。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

HD-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17m，模型试验区横截面宽3m，高2.5m，试验段风速0～58m/s，连续可调。风洞流场品质主要参数如表1所示。

表1 风洞主要流场品质参数表

2.2 试验仪器

2.2.1 天平

HD-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TFI眼镜蛇三维湍流风速测量仪(图4)。测量速度为2～100m/s，最大风速偏角为45°，监测频率为0～2 000Hz，测量精度为0.2m/s。

2.2.3 抽吸系统

为了消除地面效应[11]影响，根据文献[8]和文献[12]研究的结论，HD-2风洞采用的抽吸法移除附面层的最佳抽吸率为6%，其抽吸板参数如表2所示。

表2 抽吸孔板参数

2.2.4 试验模型

MIRA汽车模型为国际标准模型，广泛应用于风洞试验基础性研究。试验选用的阶梯背模型尺寸和实体模型如图5[12]和图6所示，此时阻塞比为2.75%。

3 测量精度影响因素分析

3.1 模型安装对升力系数测量的影响

HD-2风洞中采用四轮支撑式，支撑机构如图7所示。通过天平转盘1上的螺栓2插入模型车轮底部定位孔中，实现模型与天平连接。其中，天平和支撑系统均位于风洞试验段地板下方。

在上述条件下，对MIRA阶梯背模型进行风洞试验。结果发现，阻力系数稳定而升力系数波动严重。分析认为，四轮支撑式方便4个支柱同时插入车轮底部定位孔，然而定位孔直径比天平支柱直径大2mm左右，这种连接只能实现X轴向固定，无法实现Z轴向固定，易造成试验中模型轻微振动，引起车身姿势的微小改变，且这种改变具有随机性，导致Z轴向的升力系数测量不稳定。

对此提出一套固定锁紧装置，天平支柱、侧面紧固螺栓与角铁均采用螺纹连接，通过紧固螺栓实现模型和天平固定连接，防止模型位移，锁紧装置如图8所示。锁紧前、后试验结果如图9所示。由图9可见，在6%的最佳抽吸率下，无论是否锁紧，阻力测量结果一直保持稳定，而升力测量在锁紧后稳定性均显著提高。说明锁紧装置起到了车身与天平支柱固定约束的作用，避免了试验中车身姿势随气流微振，保证了试验结果稳定。

3.2 离地高度对升力系数测量的影响

离地高度为车辆离地间隙与车轮最低点至地面间隙σ之和。考虑到离地间隙(本实验模型为68mm)与车身造型有关，因此本文中研究升力系数随比值h(离地高度)/H(车身高度，为406mm)的变化规律。通过调节天平支柱高度来调节离地高度，试验从σ=1mm开始，每次试验σ增加4mm，5次试验结果如图10所示。

由图10可见，升力系数随h/H的增加而近似线性降低。分析认为，模型底部由于气体黏性生成的附面层与地面发生干涉，使底部气流运动变缓。随着离地高度的增大，车底部空间趋于开阔，压力降低，气流运动速度加快，从而升力系数降低。从试验结果看，为保证测量准确，车轮最低点距离地板间隙越小越好，但由于抽吸的存在，车轮在试验过程中微小振动可能会接触地面，为避免对试验结果影响，σ约取1mm为宜。

3.3 俯仰角对升力系数测量的影响

通过单独调节前轮或者后轮天平支柱高度，即调节σ来改变模型俯仰角。定义模型前低后高俯仰角为负，前高后低为正。俯仰角的测试范围为-2.5°～2.5°，每增加0.5°测量一次，测量结果如图11所示。

由图11可见，升力系数随俯仰角的增大近似呈线性增长。分析认为，当俯仰角为负值时，模型前低后高，使得进入底部的气流减少，压力变小，流动顺畅，上部压力大于底部压力的趋势增强，从而形成了负升力。相反，当模型俯仰角为正值时，模型前高后低，流入底部的气流增大，在有限体积内，底部压力增大，从而产生了很强的正升力。因此在风洞升力试验中，应控制4个天平支柱离地高度σ一致，使俯仰角为0°。

3.4 侧偏角对升力系数测量的影响

定义模型纵对称面与来流方向夹角为侧偏角，可通过旋转天平上方的转盘来调节，规定转盘顺时针转动时侧偏角为正。模型左右对称，故只考虑侧偏角为正的情况。试验测量范围为0°～15°，每3°测量一次，试验结果如图12所示。

从图12可以看出，风速一定时，在测量范围内，升力系数随侧偏角增大近似呈指数增长。为进一步分析升力系数随侧偏角变化规律，对侧偏角为0°和15°时的尾部流场进行了PIV(particle image velocimetry)测试，如图13所示。采用PIV处理系统无缝合成尾部速度场如图14和图15所示，箭头代表流线方向。

对比图14和图15可见，侧偏角为15°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HD-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1mm、零俯仰角、零侧偏角，MIRA阶梯背模型的升力系数为0.069。

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。

[1] 宋昕,谷正气,何忆兵,等.基于Ahmed模型的气动升力研究[J].汽车工程,2010,32(10)：847-850.

[2] 谷正气. 汽车空气动力学[M]. 北京:人民交通出版社,2005.

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[6] Christoffer Landström, Tim Walker, Lennart Löfdahl. Effects of Ground Simulation on the Aerodynamic Coefficients of a Production Car in Yaw Conditions[C]. SAE Paper 2010-01-0755.

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[8] 张清林,谷正气,等. 汽车风洞测力试验数据处理软件的开发与应用[J].计算机系统应用, 2011, 20(8):129-133.

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[10] 丁宁，杨志刚，李启良.风洞移动带系统对气动升力影响的数值模拟[J].汽车工程,2013，35(2):143-146.

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[12] 张清林.汽车模型风洞关键影响因素研究及数据后处理软件开发[D].长沙：湖南大学,2012.

A Study on the Effects of Car Body Posture on the Measurementof Aerodynamic Lift in Wind Tunnel Test

Zhang Yong1,2， Gu Zhengqi1,2& Liu Shuichang2，3

1.HunanUniversity，StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.SchoolofMechanicalEngineering，HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007；3.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641

For revealing the law of the influence of car model posture on the measurement results of aerodynamic lift in wind tunnel test to obtain accurate measurement results, the influencing factors including the ways of installation and support, ground clearances, pitch angle and yaw angle of 1/3 notchback MIRA model are investigated in HD-2 wind tunnel. The results show that the above-mentioned factors all have significant effects on lift coefficient. In certain range，the lift coefficient approximately decreases linearly with the increase of ground clearance, goes up nearly linearly with the increase of pitch angle, and approximately exponentially increases with the rise of yaw angle. For HD-2 wind tunnel, the gap between wheel and ground should be controlled within 1mm.

car body posture; aerodynamic lift; wind tunnel test

*中央财政支持地方高校专项资金项目-创新团队(0420036017)、湖南省教育厅高等学校科学研究计划(12C0064)和湖南工业大学自然科学研究项目(2012HZX10)资助。

原稿收到日期为2013年5月27日，修改稿收到日期为2013年11月4日。