車身姿勢對風洞試驗氣動升力測量影響研究*

張 勇，谷正氣，劉水長

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.湖南工業(yè)大學機械工程學院，株洲 41200； 3.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641)

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2015052

車身姿勢對風洞試驗氣動升力測量影響研究*

張 勇1,2，谷正氣1,2，劉水長2,3

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.湖南工業(yè)大學機械工程學院，株洲 41200； 3.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641)

為揭示風洞試驗中汽車模型姿勢對氣動升力測量結果的影響規(guī)律，以獲得精確的測量結果，在HD-2風洞中，對MIRA階梯背1/3模型的安裝支撐方式、離地高度、俯仰角和側偏角等影響因素進行了研究。結果表明：上述因素均對升力系數產生顯著影響；在一定范圍內，升力系數隨著離地高度增大近似線性減小，隨著俯仰角增大近似線性增加，隨著側偏角的增大近似指數增加；對于HD-2風洞，車輪與地面間隙應控制在1mm左右。

車身姿勢；氣動升力；風洞試驗

前言

汽車氣動升力特性是汽車的重要特性之一,在高速行駛條件下，車輛重力G不變，氣動升力Fl的增大，會降低地面附著力F￠，使原低速時不足轉向特性變?yōu)檫^度轉向性能或產生波動，甚至具有不確定性。同時，側偏剛度減小后，輪胎回正力矩也減小，導致操縱穩(wěn)定性降低。因此，氣動升力被認為是“高速車輛的生命線”[1]。

長期以來，人們主要關注氣動阻力，對轎車的氣動升力研究尚不夠深入。在理論方面，根據伯努利定律提出的“路徑理論”是在飛機機翼展二維條件下的推理[2]。然而汽車車身周圍的空氣為三維流動，簡單的“二維路徑理論”無法全面揭示部分車型為負升力的現象。且實際應用中，希望小型車為負升力，以提高其地面附著力，改善其高速行駛穩(wěn)定性；而大型貨車則宜為正升力，以降低附著力，提高燃油經濟性，因此對汽車升力的研究意義重大。

風洞實驗是汽車車身空氣動力學研究的基礎性內容，然而汽車升力不同于氣動阻力，對底部氣流流動狀態(tài)非常敏感，抽吸率和模型的安裝狀況等都會影響試驗結果。文獻[3]中研究提出風速測量誤差和模型安裝誤差是氣動升力系數測量不確定性的主要原因。文獻[4]中總結了移動底板對前后兩軸氣動負升力的影響規(guī)律。文獻[5]中研究了風洞中模型不同支撐方式對氣動升力測量的影響關系。文獻[6]中研究認為全尺寸風洞和模型風洞的氣動力系數測量結果較接近。文獻[7]和文獻[8]中應用MIRA國際標準模型，研究地面效應對汽車風洞試驗結果的影響，提出了HD-2風洞最佳抽吸率，并依此提出了該風洞地面邊界層修正公式，申請了風洞數據修正后處理軟件專利。此外，文獻[9]和文獻[10]中對地面效應模擬系統(tǒng)對風洞試驗結果影響進行了仿真分析。從目前氣動升力風洞試驗研究來看，主要集中在如何通過邊界層控制，降低地面效應對氣動升力測量的影響，關于車身姿勢對氣動升力風洞試驗結果影響規(guī)律的研究鮮有報道。

本文中根據湖南大學HD-2風洞特點，應用國際標模，在前人研究基礎上，進一步研究了支撐方式、安裝離地高度、俯仰角和側偏角等模型安裝姿勢對氣動升力測量的影響，分析了氣動升力準確測量的關鍵環(huán)節(jié)，總結了升力系數隨離地高度、俯仰角和側偏角的變化規(guī)律。

1 風洞試驗與氣動升力基本理論

1.1 汽車風洞試驗概述

汽車風洞試驗是數值計算和理論分析驗證的基礎。風速低于100m/s，屬于低速風洞。汽車模型風洞試驗應符合幾何相似、運動相似、動力相似等相似性準則，對于氣動力的測量，汽車模型風洞可不必考慮熱力學相似和質量相似。模型風洞模擬的流場與車輛實際行駛時并不完全相同，還須進行校核和修正[2]。重要的是阻塞效應、地面邊界層和靜壓梯度的修正，在此不予贅述。

1.2 氣動升力產生的機理

根據伯努利方程，按照機翼展路徑理論，氣流速度大的車身表面壓力小，速度小的表面壓力大，從而形成車身上下表面的壓差升力，且在氣動升力中起主導作用[2]。按此解釋，進一步可以理解為流經汽車車身各部位的氣流流量不同造成了車身所受壓力不同。汽車車身造型為三維復雜曲面，氣流流過車身上、下表面和兩側面，由于車身造型和車身姿勢的不同，都會改變其周圍氣流分布。同時，在車身底部產生的附面層與地面發(fā)生干涉，阻礙氣流順暢流動，在低矮狹小的模型底部形成“氣流擁塞”，導致底部壓力和升力增大。由此可見，要保證氣動升力測量準確，從理論上講，必須精確控制汽車模型安裝姿勢。

2 試驗條件與儀器

2.1 HD-2風洞概況

HD-2風洞為低速、單回流、串列雙試驗段的邊界層風洞，其鳥瞰圖和高速試驗段分別如圖1和圖2所示。高速試驗段長17m，模型試驗區(qū)橫截面寬3m，高2.5m，試驗段風速0～58m/s，連續(xù)可調。風洞流場品質主要參數如表1所示。

表1 風洞主要流場品質參數表

2.2 試驗儀器

2.2.1 天平

HD-2所用六分力浮框式應變式天平，測量精度為0.2%,如圖3所示。

2.2.2 測速系統(tǒng)

測速系統(tǒng)采用澳大利亞TFI眼鏡蛇三維湍流風速測量儀(圖4)。測量速度為2～100m/s，最大風速偏角為45°，監(jiān)測頻率為0～2 000Hz，測量精度為0.2m/s。

2.2.3 抽吸系統(tǒng)

為了消除地面效應[11]影響，根據文獻[8]和文獻[12]研究的結論，HD-2風洞采用的抽吸法移除附面層的最佳抽吸率為6%，其抽吸板參數如表2所示。

表2 抽吸孔板參數

2.2.4 試驗模型

MIRA汽車模型為國際標準模型，廣泛應用于風洞試驗基礎性研究。試驗選用的階梯背模型尺寸和實體模型如圖5[12]和圖6所示，此時阻塞比為2.75%。

3 測量精度影響因素分析

3.1 模型安裝對升力系數測量的影響

HD-2風洞中采用四輪支撐式，支撐機構如圖7所示。通過天平轉盤1上的螺栓2插入模型車輪底部定位孔中，實現模型與天平連接。其中，天平和支撐系統(tǒng)均位于風洞試驗段地板下方。

在上述條件下，對MIRA階梯背模型進行風洞試驗。結果發(fā)現，阻力系數穩(wěn)定而升力系數波動嚴重。分析認為，四輪支撐式方便4個支柱同時插入車輪底部定位孔，然而定位孔直徑比天平支柱直徑大2mm左右，這種連接只能實現X軸向固定，無法實現Z軸向固定，易造成試驗中模型輕微振動，引起車身姿勢的微小改變，且這種改變具有隨機性，導致Z軸向的升力系數測量不穩(wěn)定。

對此提出一套固定鎖緊裝置，天平支柱、側面緊固螺栓與角鐵均采用螺紋連接，通過緊固螺栓實現模型和天平固定連接，防止模型位移，鎖緊裝置如圖8所示。鎖緊前、后試驗結果如圖9所示。由圖9可見，在6%的最佳抽吸率下，無論是否鎖緊，阻力測量結果一直保持穩(wěn)定，而升力測量在鎖緊后穩(wěn)定性均顯著提高。說明鎖緊裝置起到了車身與天平支柱固定約束的作用，避免了試驗中車身姿勢隨氣流微振，保證了試驗結果穩(wěn)定。

3.2 離地高度對升力系數測量的影響

離地高度為車輛離地間隙與車輪最低點至地面間隙σ之和。考慮到離地間隙(本實驗模型為68mm)與車身造型有關，因此本文中研究升力系數隨比值h(離地高度)/H(車身高度，為406mm)的變化規(guī)律。通過調節(jié)天平支柱高度來調節(jié)離地高度，試驗從σ=1mm開始，每次試驗σ增加4mm，5次試驗結果如圖10所示。

由圖10可見，升力系數隨h/H的增加而近似線性降低。分析認為，模型底部由于氣體黏性生成的附面層與地面發(fā)生干涉，使底部氣流運動變緩。隨著離地高度的增大，車底部空間趨于開闊，壓力降低，氣流運動速度加快，從而升力系數降低。從試驗結果看，為保證測量準確，車輪最低點距離地板間隙越小越好，但由于抽吸的存在，車輪在試驗過程中微小振動可能會接觸地面，為避免對試驗結果影響，σ約取1mm為宜。

3.3 俯仰角對升力系數測量的影響

通過單獨調節(jié)前輪或者后輪天平支柱高度，即調節(jié)σ來改變模型俯仰角。定義模型前低后高俯仰角為負，前高后低為正。俯仰角的測試范圍為-2.5°～2.5°，每增加0.5°測量一次，測量結果如圖11所示。

由圖11可見，升力系數隨俯仰角的增大近似呈線性增長。分析認為，當俯仰角為負值時，模型前低后高，使得進入底部的氣流減少，壓力變小，流動順暢，上部壓力大于底部壓力的趨勢增強，從而形成了負升力。相反，當模型俯仰角為正值時，模型前高后低，流入底部的氣流增大，在有限體積內，底部壓力增大，從而產生了很強的正升力。因此在風洞升力試驗中，應控制4個天平支柱離地高度σ一致，使俯仰角為0°。

3.4 側偏角對升力系數測量的影響

定義模型縱對稱面與來流方向夾角為側偏角，可通過旋轉天平上方的轉盤來調節(jié)，規(guī)定轉盤順時針轉動時側偏角為正。模型左右對稱，故只考慮側偏角為正的情況。試驗測量范圍為0°～15°，每3°測量一次，試驗結果如圖12所示。

從圖12可以看出，風速一定時，在測量范圍內，升力系數隨側偏角增大近似呈指數增長。為進一步分析升力系數隨側偏角變化規(guī)律，對側偏角為0°和15°時的尾部流場進行了PIV(particle image velocimetry)測試，如圖13所示。采用PIV處理系統(tǒng)無縫合成尾部速度場如圖14和圖15所示，箭頭代表流線方向。

對比圖14和圖15可見，側偏角為15°時后車窗處分離渦不再經過縱對稱面，尾渦相對于0°時更加靠上，且整個尾部流線向上傾斜，說明側偏角的存在，導致汽車底部氣流加劇。側偏角為0°時，模型底部氣流進入后，可以從模型兩側流出，從而降低底部的正壓力。側偏角的存在使進入底部的氣流從單側流出趨勢增強，致使底部氣流積聚，壓強增大，從而導致升力系數顯著增加。

4 結論

通過風洞試驗，本文中分析了模型支撐方式、離地高度、俯仰角和側偏角等車身姿勢對氣動升力測量的影響規(guī)律，主要結論如下。

(1)在測量范圍內，升力系數隨著離地高度增大近似線性減小，隨著俯仰角增大近似線性增加，隨著側偏角的增大近似指數增加。

(2)具有較高精度的汽車升力風洞試驗數據結果，必須精確控制車輪與地面間隙在恰當范圍，模型水平放置，縱對稱面與來流方向一致。

(3)對HD-2風洞，在6%的最佳抽吸率下，天平支柱鎖緊，控制車輪與地面間隙為1mm、零俯仰角、零側偏角，MIRA階梯背模型的升力系數為0.069。

此外，對氣動升力的風洞試驗結果，還應結合具體風洞的流場品質進行修正。

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A Study on the Effects of Car Body Posture on the Measurementof Aerodynamic Lift in Wind Tunnel Test

Zhang Yong1,2， Gu Zhengqi1,2& Liu Shuichang2，3

1.HunanUniversity，StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.SchoolofMechanicalEngineering，HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007；3.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641

For revealing the law of the influence of car model posture on the measurement results of aerodynamic lift in wind tunnel test to obtain accurate measurement results, the influencing factors including the ways of installation and support, ground clearances, pitch angle and yaw angle of 1/3 notchback MIRA model are investigated in HD-2 wind tunnel. The results show that the above-mentioned factors all have significant effects on lift coefficient. In certain range，the lift coefficient approximately decreases linearly with the increase of ground clearance, goes up nearly linearly with the increase of pitch angle, and approximately exponentially increases with the rise of yaw angle. For HD-2 wind tunnel, the gap between wheel and ground should be controlled within 1mm.

car body posture; aerodynamic lift; wind tunnel test

*中央財政支持地方高校專項資金項目-創(chuàng)新團隊(0420036017)、湖南省教育廳高等學校科學研究計劃(12C0064)和湖南工業(yè)大學自然科學研究項目(2012HZX10)資助。

原稿收到日期為2013年5月27日，修改稿收到日期為2013年11月4日。