基于cfd的汽车风洞试验段尺寸参数对气动阻力的影响

基于cfd的汽车风洞试验段尺寸参数对气动阻力的影响

传统的空气动力学分为直式和回式，根据测试段的形状，它们可以分为打开测试段和封闭测试段。目前新建的风洞以回流开式试验段形式居多。因为汽车风洞试验需要装备移动带地面效应模拟系统来模拟路面状况,所以汽车风洞的地面一般都是封闭的。因而有些学者称这样的风洞为3/4开式风洞。国内航空风洞(特别是高速、超音速风洞),闭式试验段的占大多数。闭式试验段经过多年的应用发展比较完善,文献给出了针对航空闭式风洞的修正方法。国外一些学者对开式汽车风洞做过初步的研究,主要是对高阻塞比的汽车风洞试验结果的影响进行的数值模拟或者模型风洞试验研究,得到了一些数据,但并没有提出规律性的研究结论。对于开式汽车风洞结果偏差的研究,国内还没有见到相关报道。影响汽车风洞试验结果的因素归纳起来主要有以下几点:①流场品质;②参考动压;③风洞地板边界层;④试验段形状尺寸和模型位置;⑤车外型;⑥阻塞比,即车正投影面积与风洞喷口界面积之比;⑦车轮旋转;⑧内部流动。这些因素无论对开式风洞还是闭式风洞都有影响,但是具体的影响程度各不相同。与闭式风洞相比,对开式风洞试验结果影响较大的因素是试验段形状和阻塞比。开式试验段风洞最大的优势就是减小了风洞洞壁的阻塞效应,节省试验资源,减小设备投资。但开式试验段风洞影响试验最终结果的因素更多一些,如集气口的形状和大小等对试验结果都有较大影响。本文研究的就是开式试验段尺寸参数对试验结果的影响。1试验段的尺寸参数对试验的影响为了获得试验段尺寸参数对风洞试验结果的影响,采用目前广泛应用的CFD数值模拟方法,对不同试验段尺寸参数方案进行研究,对结果进行分析。1.1车上风洞模型的建立车辆模型采用MIRA的典型阶背式轿车标准参考模型,如图1所示。该模型在汽车空气动力学研究领域应用广泛,试验数据非常丰富,许多国家的汽车风洞以它进行风洞试验的对比分析和风洞修正研究,该模型阻力系数在0.29左右。汽车风洞采用常用的开式试验段形式,如图2所示。在软件NX中建立汽车风洞CAD模型。采用的开式试验段尺寸参数为:①试验段喷口面积,以A/AN表示汽车模型正投影面积与风洞喷口面积的百分比;②试验段长度,以L/LS表示汽车模型长度与风洞试验段长度的百分比;③试验段集气口面积,以A/AC表示汽车模型正投影面积与风洞集气口面积的百分比。数值模拟方案中,采用不变的模型尺寸,以获得较大的雷诺数(Re)。数值模拟的具体方案如表1所示。数值模拟的相应物理参数如下:喷口处速度为30m/s;喷口湍流强度为0.5%;标准大气压;基本模型的Re为4.313×106;空气密度为1.225kg/m3;出口处为压力出口,标准大气压;湍流模型为k-ε湍流模型。1.2cfd模型分析根据以往的研究经验划分风洞计算域的网格,如图3所示。对车身周围区域网格进行了加密,对汽车表面拉伸了三棱柱网格。将计算网格导入ANSYSFluent6.3软件中,设定边界条件,计算获得结果,并处理分析数据得到相关结论。本次数值模拟采用以前经验积累的方法和技术,汽车模型气动阻力数值模拟的精度在1%～3%,低于5%。另外,虽然数值模拟的Re偏低,但是已经非常接近试验的准自模拟状态。根据文献中的研究,较低的Re会导致阻力系数增大,本次模拟采用的Re对试验结果的影响不大。图4为阻力系数随阻塞比A/AN的变化趋势。与闭式风洞相似,对开式风洞试验结果影响较大的因素仍然是阻塞效应,只不过影响效果大大减轻。从图4可以看出,阻力系数CD基本上是随阻塞比的增大而增大的。图中也做了线性拟合,CFD模拟的结果与拟合曲线比较一致。风洞试验的结果基本上是CD随风洞阻塞比的增大而线性增大。为了易于对结果有直观认识,提取了研究方案的表面压力图,包括风洞洞壁和汽车车身表面。图5为图像压力的比例,并且本文中所有压力图比例都与图5相同。图6是方案0～方案3的不同模型比例的风洞和汽车车身表面压力图。不同比例模型在风洞试验中展现出趋势相同的车身表面压力分布,即使压力值大小上的差别也很难看出。在风洞的集气口上的压力分布有变化,说明汽车的尾部流动受到影响,这样会对汽车模型的阻力测量数据有影响。习惯上,人们认为试验段长度越长对试验的影响越小。但是,开式风洞数值模拟的结果表明,在试验段过短的情况下,试验段对阻力系数影响也比较明显,试验段集气口的阻碍使整车气动阻力降低明显。而试验段长度越长,阻力系数的试验结果就越低,并趋于某一稳定值。在中间区域,阻力系数有测量的最大值。图7为阻力系数CD随试验段长度的变化趋势。散点是CFD数值模拟的结果,曲线是根据散点结果做的二次多项式的曲线拟合。图8为不同试验段长度的风洞试验段表面和车身表面的压力分布。可以看到,不同试验段长度并不影响车身表面的压力分布的总体规律。总体来看,相对其他尺寸参数,风洞试验段长度对试验结果的影响较小。由试验段长度对试验结果的影响可知,集气口的存在对试验结果有重要影响,所以本文对不同大小的集气口进行了数值模拟。从结果可知,随着集气口面积的减小,气动阻力系数CD急剧下降;随着集气口面积的增大,气动阻力系数只有微小的降低并趋于稳定;在中间区域有个极值。根据这种变化趋势,本文采用二次多项式的曲线拟合,如图9所示。从图7和图9的二次多项式拟合来看,拟合得并不太好,这个规律可能并不是二次多项式可以拟合的,但是由于数据有限,不适合拟合更复杂的多项式。值得注意的是,这两种变化都有一个对结果影响较大的峰值,设计风洞时应该避免这种尺寸参数。图10是不同集气口尺寸模拟的风洞试验段表面和车身表面的压力分布。由于开式风洞存在射流,因而可以明显看到集气口的压力变化。方案0和方案7集气口上有明显的正压区,说明空气射流流到集气口上,形成了正压区。这种流动会受到阻碍,在集气口附近产生反射,再分别流入风洞或者流出试验段。方案8和方案9在集气口上的压力分布基本上处于平衡状态,接近大气压。而这两种方案对试验结果的影响较小。但是,方案9的阻力值更小,这时风洞出口形成的射流对集气口的影响已经很小。2边界条件的对比对于3/4开式风洞,很多风洞通过较大的气室将试验段封闭起来,这样不仅可以避免外界气流的干扰,而且可以降低外界噪声的影响,便于进行气动噪声试验。所以本文同时探讨了封闭气室对汽车风洞的试验结果的影响。研究方案在前面所述方案的基础上,将事先假定的气室的边界进行重新设定。将原来的压力出口改为Wall边界,这样就相当于安装了封闭的气室。气室的截面面积非常大,约是试验段喷口面积的6.5倍。计算域采用的网格同前面的方案。对方案0、4、8重新设定边界条件,修改了模拟方案并重新计算,结果如表2所示。表2是采用两种不同边界获得的气动阻力系数。从表中可以看出,无论试验段是否封闭,气动阻力系数变化都不大,其差值在0.005以内,低于CFD仿真的误差。可以认为,开式风洞试验段是否封闭气室对气动阻力的测量结果影响很小。图11为速度比例图示,图12为经数值模拟获得的风洞试验段是否封闭气室情况下的中央对称面速度场分布。从图12可以看出,两种情况下的风洞出口形成非常明显的射流流场,流场分布比较相似,但具体的位置有微小的差别。车身表面压力两者有微小不同,会对试验结果有细微影响,具体情况需要进一步深入研究确定。3试验结果的影响根据数值模拟的结果拟合得到了汽车风洞的气动阻力结果与风洞试验段形状参数的变化关系。对开式试验段汽车风洞试验的干扰因素做了规律性总结。这些结果对于进一步开展开式汽车风洞的修正研究以及准确估计开式风洞对试验结果的影响有重要意义。本次研究得到的结论对进行汽车风洞设计的尺寸参数选取也有很好的参考作用。研究表明,开式试验段封闭与否对汽车风洞阻力系数的结