收集口形狀和角度對汽車風洞試驗段軸向靜壓因數的影響

徐玉冬+楊志剛+李啟良

摘要： 為研究風洞收集口形狀和角度對試驗段軸向靜壓因數的影響，通過數值仿真和試驗驗證研究翼型收集口在多種角度下軸向靜壓因數的變化，并與平板型收集口對比.結果表明：收集口形狀對軸向靜壓因數變化規律沒有影響，軸向靜壓因數總是隨開口角度的增大而減小；對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比在兩側張開相同角度的軸向靜壓因數略低.收集口角度變化對軸向靜壓因數會產生規律性影響：隨收集口角度增大，從剪切層外部特別是上方進入到射流核心區的流量增加，導致核心區流速增加，從而導致軸向靜壓因數降低.

關鍵詞： 汽車風洞； 收集口形狀； 收集口角度； 軸向靜壓因數； 質量流量； 湍動耗散率； 試驗； 數值模擬

中圖分類號： U461.1文獻標志碼： B

Abstract： To study the effect of collector shape and angle on the axial static pressure factor of automotive wind tunnel test section， the axial static pressure factor variation of airfoiltype collector at different angles is researched with numerical simulation and test verification and compared with the paneltype collector. The results indicate that， the axial static pressure factor variation law has nothing to do with collector shape and it always decreases with the increase of the opening angle； as to the same shape collector， the axial static pressure factor is a little lower when only the upper part of the collector is opened at a given angle than when the both sides of the collector is opened at the same angle. The collector angle changes have regular effect on the axial static pressure factor. With the collector angle increasing， the more flow enters the jet low core area from shear layer outside， especially from upper direction； it results in the increase of flow velocity in core area， which leads to the decrease of the axial static pressure factor.

Key words： automotive wind tunnel； collector shape； collector angle； axial static pressure factor； mass flow rate； turbulent dissipation rate； test； numerical simulation

0引言

汽車風洞是汽車研發的重要測試設施.開口回流式風洞在氣動聲學測量方面的優勢使其成為現代汽車風洞的主要形式.[1]開口式風洞試驗段本身的特點決定其軸向靜壓因數具有碗狀變化規律，在一定程度上對測量結果產生影響.[2]試驗段軸向靜壓因數是評價汽車風洞流場品質的重要指標之一，主要受試驗段尺寸、收集口形狀和角度影響.[3]為改善試驗段軸向靜壓因數分布，基于同濟大學汽車模型風洞，李啟良等[4]發現可以通過改變收集口角度和收集口喉部開縫實現這一目標：增大收集口角度或增加喉部間隙可以降低試驗段軸向靜壓因數.現代汽車風洞多采用平板型或翼型收集口，例如同濟大學風洞采用平板型收集口，寶馬公司風洞采用翼型收集口.[5]然而，不同類型收集口對軸向靜壓因數影響規律的內在機理鮮有深入研究.

本文首先通過數值仿真與試驗相結合，對比平板型收集口在不同角度下試驗段軸向靜壓因數變化規律，然后研究翼型收集口不同角度組合，嘗試明確翼型收集口對軸向靜壓因數的影響規律和內在機理.

1試驗和數值模擬方法

為保證計算準確性，采用模型風洞試驗驗證數值計算結果.

在模型風洞中使用平板型收集口，完成具有代表性的0°和15°這2種工況.在數值計算中同時建立翼型和平板型收集口各種角度及不同角度組合的數值模型.2種數值模擬方案見表1.

利用基于有限體積法的商業軟件FLUENT進行求解.由于噴口的來流速度為30 m/s，馬赫數Ma<0.3，因此可以認為是不可壓流動.采用基于RANS方程框架中的可實現kε兩方程渦黏性傳輸模型和非平衡壁面函數對計算域內湍流進行求解.[8]進出口邊界條件分別設為速度入口和自由出流；在收縮段進口設定與試驗相同的速度5 m/s.先選用穩定的1階格式，迭代2 000步后，殘差收斂至10-5，選用精度更高的2階格式繼續迭代.在滿足設定殘差和監控物理量為常量后停止初次迭代.根據表征近壁面無量綱距離的y+值進行網格加密，繼續迭代直到y+為30～200，且殘差和監控物理量也保持不變后停止.這個區域被認為是壁面函數有效區域.

2結果分析和討論

2.1試驗與數值對比

平板型收集口2種角度的試驗與數值模擬結果對比見圖3，可知，盡管試驗存在誤差，擬合曲線略有波動，但測量結果與數值模擬無論是在趨勢上還是在具體數值上都比較接近.例如，對于0°收集口，當測點位于x方向500 mm位置時，試驗測得該點軸向靜壓因數為0.056 1，數值模擬結果為0.057 2，誤差為1.9%.考慮到試驗時人工誤差及測量儀器誤差，此結果誤差處于允許范圍內.因此，在研究試驗段軸向靜壓因數時可采用試驗與數值模擬2種方法并互相驗證.

3結論

通過研究平板型和翼型收集口在多種角度及不同角度組合下軸向靜壓因數的變化規律，揭示不同類型收集口在不同角度下對軸向靜壓因數影響的內在機理，為風洞建設中確定收集口的關鍵參數提供參考.

（1）對于翼型和平板型收集口，軸向靜壓因數都隨開口角度的增大而減小，收集口形狀對變化規律沒有影響.對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比只在兩側張開相同角度的軸向靜壓因數略低.

（2）流量變化是揭示試驗段軸向靜壓因數變化規律的根本原因.當收集口角度增大時，從剪切層外部，特別是上方進入到射流核心區的流量增加，導致核心區流速增加，靜壓因數降低.

參考文獻：

[1]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會. 高低速風洞氣動與結構設計[M]. 北京：國防工業出版社， 2003： 4041.

[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.

[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.

[4]李啟良， 鄭志強， 賈青， 等. 兩種改善汽車風洞軸向靜壓系數的方法[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2010， 38（3）： 422426.

[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010

[6]鄭志強. 汽車氣動聲學風洞低頻顫振現象研究及控制[D]. 上海： 同濟大學， 2008.

[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.

[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.

[9]吳桐. 3/4開口式汽車模型風洞試驗段剪切層結構研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.

2結果分析和討論

2.1試驗與數值對比

平板型收集口2種角度的試驗與數值模擬結果對比見圖3，可知，盡管試驗存在誤差，擬合曲線略有波動，但測量結果與數值模擬無論是在趨勢上還是在具體數值上都比較接近.例如，對于0°收集口，當測點位于x方向500 mm位置時，試驗測得該點軸向靜壓因數為0.056 1，數值模擬結果為0.057 2，誤差為1.9%.考慮到試驗時人工誤差及測量儀器誤差，此結果誤差處于允許范圍內.因此，在研究試驗段軸向靜壓因數時可采用試驗與數值模擬2種方法并互相驗證.

3結論

通過研究平板型和翼型收集口在多種角度及不同角度組合下軸向靜壓因數的變化規律，揭示不同類型收集口在不同角度下對軸向靜壓因數影響的內在機理，為風洞建設中確定收集口的關鍵參數提供參考.

（1）對于翼型和平板型收集口，軸向靜壓因數都隨開口角度的增大而減小，收集口形狀對變化規律沒有影響.對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比只在兩側張開相同角度的軸向靜壓因數略低.

（2）流量變化是揭示試驗段軸向靜壓因數變化規律的根本原因.當收集口角度增大時，從剪切層外部，特別是上方進入到射流核心區的流量增加，導致核心區流速增加，靜壓因數降低.

參考文獻：

[1]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會. 高低速風洞氣動與結構設計[M]. 北京：國防工業出版社， 2003： 4041.

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[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.

[4]李啟良， 鄭志強， 賈青， 等. 兩種改善汽車風洞軸向靜壓系數的方法[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2010， 38（3）： 422426.

[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010

[6]鄭志強. 汽車氣動聲學風洞低頻顫振現象研究及控制[D]. 上海： 同濟大學， 2008.

[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.

[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.

[9]吳桐. 3/4開口式汽車模型風洞試驗段剪切層結構研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.

2結果分析和討論

2.1試驗與數值對比

平板型收集口2種角度的試驗與數值模擬結果對比見圖3，可知，盡管試驗存在誤差，擬合曲線略有波動，但測量結果與數值模擬無論是在趨勢上還是在具體數值上都比較接近.例如，對于0°收集口，當測點位于x方向500 mm位置時，試驗測得該點軸向靜壓因數為0.056 1，數值模擬結果為0.057 2，誤差為1.9%.考慮到試驗時人工誤差及測量儀器誤差，此結果誤差處于允許范圍內.因此，在研究試驗段軸向靜壓因數時可采用試驗與數值模擬2種方法并互相驗證.

3結論

通過研究平板型和翼型收集口在多種角度及不同角度組合下軸向靜壓因數的變化規律，揭示不同類型收集口在不同角度下對軸向靜壓因數影響的內在機理，為風洞建設中確定收集口的關鍵參數提供參考.

（1）對于翼型和平板型收集口，軸向靜壓因數都隨開口角度的增大而減小，收集口形狀對變化規律沒有影響.對于同一形狀收集口，只在上方張開某一角度比只在兩側張開相同角度的軸向靜壓因數略低.

（2）流量變化是揭示試驗段軸向靜壓因數變化規律的根本原因.當收集口角度增大時，從剪切層外部，特別是上方進入到射流核心區的流量增加，導致核心區流速增加，靜壓因數降低.

參考文獻：

[1]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會. 高低速風洞氣動與結構設計[M]. 北京：國防工業出版社， 2003： 4041.

[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.

[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.

[4]李啟良， 鄭志強， 賈青， 等. 兩種改善汽車風洞軸向靜壓系數的方法[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2010， 38（3）： 422426.

[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010

[6]鄭志強. 汽車氣動聲學風洞低頻顫振現象研究及控制[D]. 上海： 同濟大學， 2008.

[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.

[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.

[9]吳桐. 3/4開口式汽車模型風洞試驗段剪切層結構研究[D]. 上海： 同濟大學， 2013.