類車體尾跡區流動的實驗研究

朱 暉 ,楊志剛

(同濟大學上海地面交通工具風洞中心,上海 201804)

0 引 言

車輛在行駛過程中,受到周圍空氣對其的阻力,并且隨著車速的提高,氣動阻力的影響更加突出。氣動阻力形成的主要原因為車輛構造的特點(鈍頭體),導致氣流分離形成前后壓差,這部分阻力稱作壓差阻力,也稱為形狀阻力[1]。

氣流流經車體時,主要在車體尾部形成分離區。由于壓差阻力占氣動阻力的主要份額,所以分離區中的流場結構一直是車輛空氣動力學研究的核心問題之一。

為了避免因為車型以及品牌的不同對研究結果造成不確定影響,以及簡化所研究問題的難度,采用簡化車模型對實際研究具有積極意義。

當類車體(Ahmed model)模型在1984年被引入后[2],迅速成為研究車輛空氣動力學的重要模型之一。同時,由于其外流場具有三維、非穩態、近地面的特點,其實驗成果又迅速成為驗證和評價數值計算穩定性和準確性的標尺之一[3-4]。

以模型風洞實驗臺為基礎,運用三維熱線風速儀,對后傾角35°類車體的尾跡區內流場結構進行研究,著重探討其渦運動特性,力圖為車輛外形設計以及數值計算提供可靠的依據。

1 實驗臺及主要儀器

實驗臺架為同濟大學地面交通工具風洞中心空氣動力學風洞1∶15縮比模型,如圖1所示。由風道、風機、拐角葉片、阻尼網、升降地板構成。

圖1 模型風洞平面圖Fig.1 Plan of model wind tunnel

風道系統采用有機玻璃鋼制作,駐室長、寬、高尺寸為 ：L=1517mm 、W=1185mm 、H=818mm 。噴口出 口尺寸 ：0.12m2,射流長度 ：1160mm,最大風速為170km/h。駐室的工作狀態為：噴口通氣口全開,與室外大氣相通;收集口通氣口全關;收集口三塊板開度皆為15°,如圖 2所示;模型頭部距噴口內邊緣120mm,并正對噴口。實驗風速為40m/s,駐室的湍流強度為0.38%。

圖2 收集口開度Fig.2 Collector angle

實驗采用DANTC公司的熱線風速儀,由探頭、支桿、導線、電容放大器、信號調節器、數模轉換器等組成,部分部件如圖3所示。在使用之前,對其進行了標定。標定實驗臺由氣流噴口、支架、偏航羅盤、旋轉羅盤等部件組成。標定基本思想為：通過標定速度來標定方向。

圖3 熱線風速儀Fig.3 Hot wire anemometer

2 實驗對象及測點布置

實驗采用尾部傾角為35°的類車體,為標準類車體的1：4縮比模型,長、寬、高分別為261mm、97mm和84mm。車模相對于噴口的阻塞比約為6.7%,考慮到噴口尺寸,車模離地面約為12.5mm。車模與駐室的相對位置如圖4所示。

考慮到實驗條件(對儀器的保護、支桿本身的收縮伸展范圍等),尾跡區中測點的坐標為,x方向：0.39、0.40、0.42、0.45、0.50 和 0.55m;y 方向 ：±0.048、±0.036、±0.024、±0.012和 0.000m;z方向 ：0.030 、0.035 、0.040、0.045m 和 0.050m,實驗中總計布270個測點。

圖4 車模位置Fig.4 Location of the Ahmed model

坐標的正向及原點規定如下：x正向為氣流從噴口流入駐室的方向;z正向為從駐室底部向上的方向;y正向按右手螺旋定則確定;坐標原點定于噴口內側地面中軸線上。為了表達清楚,省略了y=±0.036±0.012m處的測點,如圖5所示。

圖5 測點布置Fig.5 Arrangement of test points

對于瞬時速度的測量,依據文獻[5-6]中有關車輛風洞實驗自模區的論述,將風速定為40m/s,頻率為20000Hz,采樣時間3s。

3 實驗結果與分析

實驗結果的處理,采用x方向速度云圖結合y、z方向速度矢量圖的方法,其優點在于：整體感強,能直觀體現尾部流動的結構。

云圖和矢量圖位置按x方向坐標截取,分為六截,分別為 x=0.39、0.40、0.42、0.45、0.50 和0.55m處。y坐標范圍-0.048～+0.048m,z坐標范圍0.030～0.050m,覆蓋尾跡區的主要部分,如圖6所示。

由圖6(a)可知,在近壁面區,在尾跡區內流場結構還沒有明顯的拖曳渦現象,整體流動處于分離泡內,各向異性明顯;

由圖6(b)可知,在 x=0.40m時,流動依然處于分離泡內,整體渦運動依然處于發展時期,但是氣流從側邊向內的卷吸作用明顯增強,頂部氣流的下洗作用不明顯;

由圖6(c)和圖6(d)可知,隨著距離的增加,越過車體上部的下洗氣流的沖刷作用逐漸顯現,并且使處于中心位置的測試點速度反向。由于下洗氣流的沖刷以及側邊氣流的卷吸,最終導致拖曳渦對的形成,由圖6(d)的矢量圖外側可見拖曳對的雛形。

由圖6(e)和圖6(f)中的圖譜可見,在尾跡區內存在一個極其明顯的拖曳渦對。此拖曳渦對為遠離近壁區的流場結構的主要特征,是由車體上部、側邊以及底部氣流運動共同作用的結果。由于在渦核處,x方向速度極大,且向量的模趨于極小,基于以上分析,y≌±0.035m、z≌±0.036m為渦核在橫截面處坐標。

圖6 尾跡區速度云圖和矢量圖Fig.6 Contour and vector spectrums of velocity

4 結 論

以模型風洞為實驗臺,使用熱線風速儀,對尾部傾角35°的類車體尾跡區內的三維速度場進行測量,經過對平均速度場的分析,對其流場結構總結如下：

(1)平均流場結構左右對稱;

(2)近壁附近存在回流區,在x=0.45m前始終存在;

(3)在y≌±0.030m處始終存在 x方向速度偏小的區域;

(4)由于車體底部的上卷氣流的作用,在 x=0.40m以前氣流上行運動顯著;

(5)在x=0.40m之后,側邊氣流注入作用增強,但此時拖曳渦還處于發展時期,并未完全發展出來,從而增強了氣流的三維性;

(6)拖曳渦形成之后,氣流的下行運動顯著;且渦核位置坐標為 ：y≌±0.035m 、z≌±0.036m 。

類車體外流場在近壁區存在一個明顯的分離泡,其內部流動具有強烈的各項異性特征;在遠場區,又存在不同于機翼尾跡的剪切流運動;作為流場結構特征的拖曳渦對又是三股氣流共同作用的結果。鑒于流場機理復雜,對于按標準流動研發的湍流模型挑戰較大;如果將其作為研發湍流模型的參考流場之一,對于求解鈍頭體繞流問題將具有積極的意義。

[1]傅立敏.汽車空氣動力學[M].北京：機械工業出版社,1998.

[2]AHMED S R,RAMM Rand Faltin G.Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake[C].SAE technical Paper Series 84-03-00,1984.

[3]SHERRIE L,ROBERT K,CHRISTOPHER L,et al.CFL3D User′s Manual[M].NASAJTM-1998-208444.

[4]HOWARD R J A,POURQUIE M.Large eddy simulation of an Ahmed reference model[J].J.Turbulence.2002,3：182-191.

[5]Al-GAMI A M,BERNAL L P,and KHALIGHI B.Experimental investigation of the near wake of a pick-up truck[C].SAE-2003-01-0651,2003.

[6]杜廣生.廂式貨車空氣動力學特性的研究：[D].博士學位論文.江蘇：中國船舶科學研究中心,2002.