基于PIV技术对不同车型车尾流场的研究

解振宇

摘 要：随着能源问题的日益突出，节能减排提高做功效率也成为汽车领域中重要的研究课题，其中汽车的外形设计也是主要方向之一，包括整车气动性能是汽车空气动力学研究的核心问题。由于气体粘性的存在，气流在流经车尾区域时产生不同程度的分离，以及流经尾部由于压力差的存在，不断产生漩涡，这些现象均造成了不可逆的能量损失，是空气阻力的主要原因。本次研究主要是应用粒子图像测速法通过测量得出最佳外形的实验数据，用以改善车辆空气动力已得到最佳优化外形，通过对汽车车型与空气阻力现象之间的关系的研究，以达到汽车空气动力学在实际应用这一领域的完善，实现能源环保节能的目的。

关键词：PIV技术;车尾流场;空气阻力

一、研究背景及意义

汽车发展之初，由于车辆本身速度很慢，造型就是大家都见过的老爷车，“方头方脑”的完全没有空气动力学考量。古今中外学者也做过很多研究，冯博超（2019）[1]研究了汽车空气动力学与车身，研究的结果对车型设计产生很大影响。彭丽霞（2019）[2]研究得出了汽车车发动机发出的功率主要用来克服空气阻力.空气阻力增加，则汽车动力性降低，燃油经济性变差。黄仁森，王宇（2019）[3]得出了每一次都会影响空气阻力的变化，进而改善汽车动力性、燃油经济性。本文在以往研究的基础上通过对汽车车型与空气阻力现象之间的关系的研究，以达到汽车空气动力学在实际应用这一领域的完善，实现能源环保节能的目的。

二、研究目的

本文研究目的如下：

1.利用PIV技术和Tecplot以及solidworks等软件，在不同来流速度下观测，绘制出流场速度矢量图、涡量云图等。

2.再通过对不同风速下绘制出流场速度矢量图、速度分量图的分析，构造出每种汽车最合适的外形。

3.最终通过构造最佳汽车外形来减少汽车在运行时所受的阻力，达到节能减排提高做功效率的目的。

设计良好的汽车外形，可以减小汽车空气阻力，提高汽车的操纵稳定性，保证行车安全。从箱型、甲虫型、船型到鱼型和楔型，每一次汽车外形的变化都带来了空气阻力的降低。从而改善汽车动力性、燃油经济性。

三、研究方法

（一）Solidworks

首先绘制出各种车型的三维立体图像，此过程通过SolidWorks进行绘制。绘制出公交车、轿车、SUV三种车型。

公交车长10厘米＼宽5厘米＼高3厘米，标点符号好好改改！轿车长15厘米＼宽 7厘米＼高5厘米，Suv长18厘米＼宽10厘米＼高8厘米.

（二）PIV技术

Particle Image Velocimetry（PIV），PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致;（2）足够小的尺度;（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀;（4）有足够高的光散射效率。通常在液体实验中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒，空气实验中使用烟雾或者粉尘颗粒（超音速测量使用纳米颗粒），微管道实验使用荧光粒子等。

（三）Tecplot

再利用Tecplot技术进行流场速度矢量图、涡轮图，进一步观测汽车在不同流速下的状态。

Tecplot技术：它提供了丰富的绘图格式，包括x-y曲线图，多种格式的的2-D和3-D面 Tecplot绘图，和3-D体绘图格式。而且软件易学易用，界面友好。而且针对于Fluent软件有专门的数据接口，可以直接读入*.cas和*.dat文件，也可以在Fluent软件中选择输出的面和变量，然后直接输出tecplot格式文档。

四、实验过程

首先置入轿车模型于实验水槽中，开启系统，检查激光、CCD、软件是否正常，将照相机垂直于实验槽放置于桌面，激光则平行于观察位置放置。预估测试区域的來流速度，设定两脉冲时间间隔和脉冲延迟时间，加入示踪粒子，这时先以快速来流速度进入水槽，通过照相机的光圈来调节视野亮度，并用尺子进行距离标定，采集实验数据，并利用tecplot技术将其绘制出图像，然后再次调整慢速来流速度重复以上实验过程，并利用tecplot技术将其绘制出图像。

其次再次置入公交车模型与实验水槽中，开启系统，检查激光、CCD、软件是否正常，将照相机垂直于实验槽放置于桌面，激光则平行于观察位置放置.预估测试区域的主流速度，设定两脉冲时间间隔和脉冲延迟时间，加入示踪粒子，这时先以快速来流速度进入，通过照相机的光圈来调节视野亮度，并用尺子进行距离标定，采集实验数据，并利用tecplot技术将其绘制出图像，然后再次调整慢速来流速度重复以上实验过程，并利用tecplot技术将其绘制出图像。

最后置入SUV模型与实验水槽中，开启系统，检查激光、CCD、软件是否正常，将照相机垂直于实验槽放置于桌面，激光则平行于观察位置放置.预估测试区域的主流速度，设定两脉冲时间间隔和脉冲延迟时间，加入示踪粒子，这时先以快速来流速度进入，通过照相机的光圈来调节视野亮度，并用尺子进行距离标定，采集实验数据，并利用tecplot技术将其绘制出图像，然后再次調整慢速来流速度重复以上实验过程，并利用tecplot技术将其绘制出图像。

五.分析和总结

在相同水流速度下， 轿车所受到的阻力均是最小的，说明轿车的车型最符合空气动力学标准，汽车在运行过程中，由于气体粘性的存在，气体在流经车底不平整区域时产生不同程度的分离，以及流经尾部由于压力差的存在，不断产生漩涡，这些现象均造成了不可逆的能量损失，是空气阻力的主要原因，图中对比可以看出，轿车、SUV、公交车的矢量图与涡量图中，轿车受到明显变小，可以看出由于扰流板的存在，进一步分析可知，轿车相比于其他两车（公交车、SUV）运行时 受阻小的原因有要有针对图片的分析，尤其是涡量图，看看旋涡的位置和大小，流动分离的位置有什么区别等等。透过看蓝色区域内涡量的大小，来判断是否产生流动分离。即涡量越大，流动分离越强，汽车所受阻力越大。因此我们可以通过适当降低公交车和SUV的高度和宽度或增添扰流板来降低流场的强度，以减小运行时能源的消耗，起到减少碳排放更加符合环保理念。

参考文献

[1]冯柏超.汽车空气动力学与车身研究进展[J]. 时代汽车201905期

[2]彭丽娟等.某型SUV气动性能与验证[J]. 汽车工程201902期

[3]黄仁森等.汽车前部汽车外形减阻自动优化研究[J].汽车实用技术201903期