汽车气动升力风洞试验值的修正方法*

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 201804)



2015016

汽车气动升力风洞试验值的修正方法*

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 201804)

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0.004，而后轮带增加0.008。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。

汽车风洞；移动带系统；数值模拟；升力修正

前言

气动阻力和气动升力分别影响着汽车的燃油经济性和行驶安全性。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[3-4]。

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，分析静止工况下小移动带的附加升力，获得该工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加升力研究，获得运动工况的气动升力修正式。由于无法通过风洞试验得到运动工况下移动带附加升力，因此只能利用数值模拟在静止与运动工况的差异来给出运动工况的气动升力的修正式。

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-声学整车风洞，开展车轮静止工况的气动升力测量。42个压力测点布置在车轮四周的小移动带上方，如图1所示。

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42个压力测点，但是所对应的面积并不相同。利用面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压力。

(1)

式中：ΔCL为移动带产生的附加升力系数；pi和Si分别为测点的静压和面积，Pa和m2；ρ为空气密度，试验时的空气密度ρ=1.2kg/m3；v∞为来流速度，m/s；S为迎风面积，m2。

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80、110和140km/h时小移动带的压力和天平感受的气动升力。

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20～30mm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5mm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1层网格厚度为1mm，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1 600万。图4给出中截面网格示意图。

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Realizablek-ε双方程湍流模型和非平衡壁面函数[5]对湍流场进行模拟。首先进行1阶精度计算，当残差收敛至10-4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Cpi为

Cpi=(pi-p

(2)

式中：pi和p∞分别为测点静压和参考静压，Pa；i为测点序号；v∞为来流速度，m/s。

当测点静压系数Cp>0时，该处的气流对于移动带产生的是方向向下的下压力，当Cp<0时，气流对于移动带有向上吸附的作用使移动带所受的是方向向上的升力。值得指出的是，无论是试验还是数值模拟结果都表明，左右两侧基本对称，不同风速对静压系数影响不大，为此仅给出风速为80km/h时左侧的静压系数。观察图5所示的静压系数测量结果可以看到，除前后轮迎风处的测点22、23、26和27的Cp>0外，其它测点的Cp<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Cp的正负峰值分别约为0.70和-0.70，后轮处移动带表面Cp的正负峰值分别约为0.15和-0.30。

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，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0.020，后轮为0.010，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0.028和0.012。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

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Cp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28～31和测点34～40；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。

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0.004，后轮移动带的附加升力系数约增加0.008。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

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

CLF=CLF实测-0.020

CLR=CLR实测-0.010

CL=CL实测-0.030

(3)

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

CLF=CLF实测-0.024

CLR=CLR实测-0.018

CL=CL实测-0.042

(4)

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0.020，后轮为0.010。

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0.004，后轮增加0.008。

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。

[1]WalterJA,DuellEG,MartindaleWR,etal.TheDaimlerchryslerFull-scaleAerodynamicNoiseWindTunnel[C].SAEPaper2003-01-0426.

[2]EdwardD,AmirK,SamM,etal.TheBMWAVZWindtunnelCenter[C].SAEPaper2010-01-0118.

[3]WiedemannJ,PotthoffJ.TheNew5-beltRoadSimulationSystemoftheIVKWindTunnel-DesignandFirstResults[C].SAEPaper2003-01-0429.

[4]CogottiA.TheNewMovingGroundSystemofthePininfarinaWindTunnel[C].SAEPaper2007-01-1044.

[5]ShihTH,LiouWW,etal.ANewk-εEddyViscosityModelforHighReynoldsNumberTurbulentFlows:ModelDevelopmentandValidation[J].ComputersandFluids,1995,24(3):227-238.

Correction Method for the Wind Tunnel Test Value of Vehicle Aerodynamic Lift

Li Qiliang, Yang Zhigang & Chen Li

TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804

Both numerical simulation and wind tunnel test are conducted to study the additional lift generated by moving belts in automotive wind tunnel with the simulation and test results obtained in terms of the static pressure coefficients and lift coefficients of front and rear belts. It is found by the numerical simulation on the change in the static pressure coefficients of moving belts between stationary and moving conditions that the additional lift coefficient of front belt in moving condition is only 0.004 larger than that in static condition while it is 0.008 larger for rear belt. By combining the test data in stationary condition with the numerical simulation results in both stationary and moving conditions, the correction formulae for the aerodynamic lift coefficients of automotive wind tunnel in moving condition are given and hence the real lift coefficient of tested vehicle can be obtained.

automotive wind tunnel; moving belt system; numerical simulation; lift correction

*同济大学青年优秀人才培养行动计划(2013KJ037)、国家自然科学基金青年科学基金(11302153)、国家973计划项目(2011CB711203)和上海市地面交通工具风洞专业技术服务平台(14DZ2291400)资助。

原稿收到日期为2013年6月5日，修改稿收到日期为2013年7月22日。