整车风洞力/压同测实验方法研究

周　华， 朱　晖， 杨志刚

(1.上海地面交通工具风洞中心，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室，上海 201804)



整车风洞力/压同测实验方法研究

周华1,2， 朱晖1,2， 杨志刚1,2

(1.上海地面交通工具风洞中心，上海 201804； 2.上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室，上海 201804)

摘要：依托开口式整车风洞，以阶背式MIRA(Motor Industry Research Association)模型为实验对象，通过雷诺数扫掠测试，确定了力/压分测和力/压同测时气动力数据误差的变化规律；基于偏航工况下气动力的测试数据，明确了力/压分测和力/压同测时气动力数据误差的分布规律.依据计算流体力学的仿真结果，从流动机理层面剖析了误差产生的原因.最后，对力/压同测法在风洞实验中的具体实施及适用范围进行了总结.

关键词：风洞实验； MIRA车体； 流动机理

风洞实验作为汽车空气动力学研究及车型研发的必要手段[1-3]，其自身的实验技术发展一直是研究的热点.在风洞本体结构确定的前提下，其研究内容可概括为：实验对象的设计准则[4]；支架设计及干扰的修正[5]；实验设备的研发[6-7]；在保证实验数据准确性的前提下，对现有测试手段进行有机整合[8-9].

鉴于飞行器自身的结构、功能及力学特性，其普遍的风洞实验方案为：闭口式风洞、缩比模型结合尾支撑[10]；自然实现了气动力及表面压力的同时测量(力/压同测，如分别测量简称：力/压分测).而依据汽车的结构及运动环境特点，通常采用开口式风洞结合地面支撑的方案对其进行风洞实验[11]，并采用力/压分测的实验技术.

MIRA 模型由英国汽车工业研究联合会(Motor Industry Research Association)研发定型，该模型真实反映了汽车的基本形态，因而在国际上被广泛采用以研究汽车空气动力学相关问题[12]，本文基于阶背式MIRA模型对相关问题进行研究.

1实验设施及相关设备

本次实验在同济大学地面交通工具风洞中心开口回流式整车风洞中完成.该风洞开口试验段长度15 m，喷口横截面宽6.5 m，高4.25 m，配置五带移动路面系统及转盘(转角±180°)，五带路面、转盘结合气动天平构成完整的气动测力系统.试验段风速0～250 km·h-1连续可调，气流湍流度0.1%.喷口及试验段部分构造如图1所示.

图2所示天平为六分量应变式汽车专用天平，用以测量汽车所受气动阻力(Fx)、侧力(Fy)、升力(Fz)、侧倾力矩(Mx)、俯仰力矩(My)和横摆力矩(Mz)；天平测量分量信息见表1.

2实验模型及连接方式

实验模型为全尺寸标准三厢MIRA模型，长4 165 mm；宽1 625 mm；高1 421 mm；轴距2 540 mm；轮距1 270 mm；正投影面积1.856 m2；试验风速80 km·h-1，Re=6.2×106，在此雷诺数水平下满足测试车型的气动力系数在自动模化区[13-16].轮胎采用简易半轮胎构造，如图3所示.

图1　实验段构造

图2　测力天平

分量量程精度/%准度/%分辨率Fx/N-1500/70000.0050.0500.070Fy/N-9000/90000.0100.0500.180Fz/N-17000/60000.0070.0500.227Mx/N·m-13000/130000.0100.0500.260My/N·m-7500/130000.0100.0500.260Mz/N·m-11000/110000.0100.0500.010

图3　MIRA实验模型

模型型面采用五轴数控加工中心完成，加工精度为0.5 mm；各组件独立加工，见图3.在水平校准台上将各组件与车身连接并整形；模型整体拼接完毕且外敷三层面漆后，进行表面机器磨光处理，最大限度地保证实体模型与数字模型的一致性.

为消除支架干扰，采用轮下连接方式将车模固定于风洞实验段转盘上，如图4所示，同时使用保形盖板遮蔽轮底连接口，确保轮边流场不受干扰.

图4　车轮连接方式

在对风洞天平支撑系统调直调平后，将模型的加工基准面(车轮内部)与天平支撑系统连接，如此保证模型在风洞中的位置中直水平.

3模型气动实验结果

图5显示实验测量坐标系：X方向为阻力方向，Y方向为侧向力方向，Z方向为升力方向；X方向的力矩为侧倾力矩，Y方向的力矩为矩俯仰力矩，Z方向的力为横摆力矩.

图5　实验坐标系

为保证基准气动力数据的可靠性，实验采用两步法：①测试无表面压力测量引线时的气动力；②将压力扫描阀导线引出车体并与车体左后轮及转盘贴合后，测试模型气动力数据，如图6所示.实验过程涵盖偏航工况，偏航角范围[-20°, 20°]，正偏航取顺时针方向，负偏航取逆时针方向.

图6　扫描阀导线引出方式

雷诺数扫掠实验结果如图7所示，图中数据为以力/压分测气动力实验值为准的绝对误差绝对值(例如与阻力系数相关的数据记为|ΔCD|，其他类推).由图可知：在实验雷诺数范围内，力/压同测时所测阻力系数(简记：CD,FP，同状态下其他系数亦以下标“FP”标记)与力/压分测时所测阻力系数(简记：CD,F，其他系数亦以下标“F”标记)极其接近，|ΔCD|<0.001 4，且随风速的增加而减小；升力系数误差为：|ΔCL|<0.004，其中前轮升力系数|ΔCLF|<0.002 8，后轮升力系数|ΔCLR|<0.002 7，且当风速高于120 km·h-1时，升力系数误差绝对值随风速增加皆增大；由于力/压同测侧向力系数CS,FP与力/压分测侧向力系数CS,F皆接近于0，所以认为一致；俯仰力矩系数CMY较接近，|ΔCMY|<0.002.

a 阻力系数误差

b 升力系数误差

c 俯仰力矩系数误差

图8显示了偏航工况下两种实验状态气动力系数误差，需要说明的是：风速保持80 km·h-1不变；正偏航工况下，地面管线完全处在迎风侧，负偏航工况下，地面管线在一定程度上被车体掩盖，部分处于背风侧.正负工况下误差绝对值最大值见表2.

由图8及表2可知：对于CD，CLF，CS和CMZ，在正偏航工况下实验值与力/压分测的结果更吻合；对于CL，CLR，侧倾力矩系数CMX和横摆力矩系数CMY在负偏航工况下实验值与力/压分测的结果更吻合，以误差绝对值0.005为准，对于CLF，CMX和CMZ，可认为在正负偏航工况下的实验值皆与力/压分测时结果吻合.

表2　误差绝对值最大值

注：ΔCD=CD,FP-CD,F，其他类推.

4局部流场分析

采用计算流体力学(CFD)方法对流场相关信息进行解算，着重分析偏航工况下地面上压力扫描阀导线对车体空气动力学性能的影响，本文以9°偏航作为典型例子进行数值分析.

参照图6所示引线方式，在左侧后轮及转盘位置构造凸台结构以模拟引线，凸台结构、车轮及面网格分布如图9所示，凸台面网格保持5 mm不变，车轮面网格尺度范围[5 mm,10 mm]，管线宽度80 mm，厚度30 mm，从车身侧面延长出来900 mm.

计算域形状如图10所示，入口离车头3倍车长，出口离车尾6倍车长(L)，左右离车侧面各7.5倍车宽(W)，顶部离车顶4倍车高(H).体网格采用4/5/6面体混合网格结构(如图11所示)，网格总数约2 000万单元.数值仿真采用双侧进/出口方案模拟偏航工况，相关边界条件设置及湍流模型选取见文献[17-18].

a 阻力系数误差

b 侧倾力矩系数误差

c 升力系数误差

d 俯仰力矩系数误差

e 侧向力系数误差

f 横摆力矩系数误差

图9　局部面网格

图10　计算域设置

图12和图13显示了在偏航±9°时，有引线和无引线两种状态下，车体表面压力分布的差别.

图11　体网格结构

a 偏航角+9°；V=80 km·h-1

b 偏航角-9°；V=80 km·h-1

a 偏航角+9°

b 偏航角-9°

图13正负9°偏航车身底部后轮区域力压同测减去仅测力的压力差值分布

Fig.13Pressure difference contour on underbody

由图12～图13可知：+9°偏航时，引线的存在对车身上部、尾部和侧部的压力分布影响较小，但改变了车身底部后半区域的压力分布，这是因为车身侧面底部气流在绕过引线时边界层脱落产生涡流，该涡流在车身底部上翘角部分产生局部低压.

从车身表面切应力流线图(如图14所示)和等值面涡量图(如图15，Q=3 500 s-2)可以看出，管线的存在都是对背风侧后轮区域的流场影响较大，且管线存在时左右偏航流场不具有很好的对称性.结合试验结果，认为在进行偏航试验时单侧偏航试验可行性不佳，需要对左右偏航都进行扫略，但由于管线存在造成的左右偏航流场不完全对称的影响，建议对试验结果的处理方面：气动阻力取正偏航试验值；气动升力取负偏航试验值；侧向力取正偏航试验值；侧倾力矩取负偏航试验值；俯仰力矩取负偏航试验值；横摆力矩取正偏航试验值.

a 9°正偏航

b 9°负偏航

a 9°正偏航

b 9°负偏航

5结论

(1) 对于无偏航工况，采用本实验所用扫描阀导线引出方式，力/压同测与力/压分测的数据误差绝对值可控制在0.004以内.

(2) 对于偏航工况，采用本实验所用扫描阀导线引出方式，在进行正负偏航扫掠的基础上，以图7为参照，选取力/压同测数据，可保证误差绝对值控制在0.006以内.

(3) 该力/压同测法以临地面钝体外部绕流气动力数据为基础建立，对于细长体、流线体等其他构型的风洞实验来说，该方法有待进一步研究证实.

在保证精度的基础上，采用力/压同测法可减少近一半的测试时间(含连接测压管及二次起风时间)，由于风洞测试费用与测试时间成正比，进而节省了近一半的测试费用；对于风洞测试单位，在相同的测试周期内增加近一半的客户，经济效益和社会效益显著.

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Simultaneous Test Method of Force/Pressure in Full-Scale Automotive Wind Tunnel

ZHOU Hua1,2, ZHU Hui1,2, YANG Zhigang1,2

(1. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Shanghai 201804, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems, Shanghai 201804, China)

Abstract：In full-scale automotive wind tunnel with open-jet test section, targeting notchback MIRA body, variation law and distribution rule of force/pressure test data error between simultaneously testing method and respectively testing method were revealed by wind tunnel test in a range of Reynolds number and yaw angle. The error was subsequently explained by computational fluid dynamics in view of flow mechanism. Finally, the specific implementation and application scope of force/pressure simultaneously testing method in full-scale automotive wind tunnel were concluded.

Key words：wind tunnel test; Motor Industry Research Association(MIRA) body; flow mechanism

文献标志码：A

中图分类号：O355;U461.1

通讯作者：杨志刚(1961—), 男, 工学博士, 教授主要研究方向为流体力学. E-mail: zhigangyang@tongji.edu.cn

基金项目：上海市地面交通工具风洞专业技术服务平台(14DZ2291400)

收稿日期：2015—04—25

第一作者： 周华(1987—), 女, 博士生, 主要研究方向为汽车空气动力学. E-mail：537506970@qq.com