汽車風洞地面效應模擬系統影響的研究

張英朝,詹大鵬,趙 婧,張 喆,李 杰

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

2016226

汽車風洞地面效應模擬系統影響的研究

張英朝,詹大鵬,趙 婧,張 喆,李 杰

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

為降低汽車風洞地面效應對試驗結果的影響，采用數值模擬的方法對吉林大學汽車風洞進行了研究，分析了移動帶、垂直抽吸裝置和二者的共同作用對試驗的影響，并通過試驗揭示地面效應模擬系統對汽車模型阻力系數的影響。結果表明，移動帶和垂直抽吸裝置均能有效地減小地面邊界層的厚度，改善地面附近的流場，而使阻力系數增加，其中，抽吸系統的影響更為顯著；同時使用這兩種裝置能獲得對地面效應的最佳控制。

汽車空氣動力學；計算流體力學；地面效應；移動帶；抽吸裝置

前言

汽車空氣動力學對汽車的燃油經濟性和安全性有著重要的影響，改善其氣動性能對于提高汽車動力性，降低油耗有著重要的意義[1]。

汽車風洞是進行汽車空氣動力學試驗的重要設備，在道路行駛中，汽車向前運動，而空氣和地面不動，汽車與周圍的空氣的相對流動導致車身周圍的氣壓發生變化，從而產生了阻力；在風洞試驗中，汽車靜止不動，利用風洞來形成一定速度的流動氣體，氣體在流經汽車時同樣會使車身周圍的壓力發生變化，從而模擬汽車在道路行駛中的狀況[2-3]，根據相對運動的原理，汽車風洞中的地板也應相對于汽車運動，如圖1所示。

由于空氣在流經物體或平板表面時會形成邊界層，理想的風洞試驗中，地板是運動的，地面邊界層的分布如圖2中III所示，如果地板不運動，氣流在流經汽車底部時同時受到車身和地面的作用，會在車身底部和地板上形成邊界層，而在道路行駛中，地面是固定的，地面上不會形成邊界層，如圖2中I與II所示；地面邊界層的存在會對汽車底部的流場造成干擾，影響汽車風洞試驗的結果。過厚的地面邊界層會使測量的阻力系數減小，升力系數增加，因此需要對地面邊界層進行一定的控制[4-6]。

圖2 邊界層分布

汽車的氣動特性與汽車底部流場的分布有密切關系，地面模擬的真實性對氣動試驗有較大的影響[7]，為減小邊界層的影響，須對地板進行合理的設計。目前，在汽車風洞中，對地面效應控制的方法有：移動地板法、邊界層抽吸法和切向射流法等[8-9]。這些能減小地面邊界層影響的裝置統稱為移動帶地面效應系統。國外有學者曾進行過研究：移動帶地面效應系統的使用會改變風洞試驗段流場的特性，增大阻力系數的測量值，減小升力系數[10-12]。

本文中基于吉林大學汽車風洞所擁有的移動帶地面效應系統，它包括寬帶式移動地板和前部垂直抽吸系統，首先分析了移動帶地面效應系統作用下汽車試驗段流場的特性和地面邊界層的分布；然后對汽車模型的風洞試驗結果進行了研究。

1 數值模擬

1.1 模型概述

由于SAE模型在數值模擬中的廣泛應用，這里采用比例1∶2的SAE方背式模型作為研究對象，如圖3所示。為保證仿真的可靠性，選取吉林大學的汽車風洞數字化模型為計算域，圖4為吉林大學汽車風洞示意圖。坐標系設置如下：定義來流方向為X正方向，垂直于地面向上為Z正方向，Y正方向由右手定則確定，噴口截面與風洞中央對稱面交線與地板的交點為坐標原點。試驗段的起始位置為X=1m，如點①所示，試驗段結束位置為：X=6m，如點⑧所示，垂直抽吸系統的起始位置為X=0.65m，結束位置為X=0.85m，如圖中向下的長黑直方所示；試驗段后端抽吸裝置出口的位置為X=6.3m，如圖中向上的短黑直方所示；模型中心位置X=3.5m，如點⑤所示；②③④⑥⑦的位置分別為X=1.5m，X=2.5m，X=3m，X=4.5m，X=5.5m。

圖3 SAE方背式模型

圖4 吉大汽車風洞示意圖

1.2 數值仿真

整個計算域采用四面體網格進行劃分，近壁面處布置三棱柱網格，同時對模型周圍、抽吸裝置附近和試驗段進行了網格加密，圖5為網格界面示意圖。

圖5 網格示意圖

使用商用CFD軟件Ansys Fluent 6.3進行求解，噴口速度為30m·s-1，具體參數設定如表1所示。

表1 求解參數設置

2 結果分析

首先對試驗段不放置模型的情況進行了仿真研究，這里設置了4種工況，如表2所示。

表2 4種工況

2.1 移動地板的影響

圖6和圖7為工況1和工況2風洞對稱面的速度分布圖。由圖6可見，在工況1條件下整個試驗段氣流速度分布均勻，在試驗段后部，由于收集口的作用使得速度產生了局部的變化；由圖7可見，二者在試驗段的速度分布的整體格局相同，在試驗段后部，由于吹除裝置、移動帶和收集口的綜合影響，在風洞收集口前部偏上的低速區范圍擴大，與使用移動地板情況下地面附近的低速區連在了一起。

圖6 工況1風洞試驗段對稱面速度分布圖

圖7 工況2風洞試驗段對稱面速度分布圖

圖8和圖9分別為工況1、工況2試驗段對稱面，②③⑤⑥⑦所示位置的地面邊界層發展情況。由圖8可見，氣流速度在X方向上具有逐漸減小的趨勢，在Z方向上存在較大的速度梯度，且邊界層的厚度沿著X方向不斷增加，經計算得出在試驗段中部的邊界層厚度已達到120mm，遠遠超出風洞試驗的標準值。從圖9可以看出，當來流速度到達試驗段前部時，受到移動地板的作用，氣流速度增大到30m·s-1，隨后呈現先減小后增大的趨勢。當Z<0.04m時，速度沿X方向逐漸增大，而當Z>0.04m時，速度沿X方向則不斷減小，與工況1相同，這表明移動地板對地面附近氣流的加速作用有限，超出一定范圍后，移動地板所能提供的動能并不能完全彌補氣流在流動中所損失的能量。總的來說，移動地板只能在近地面處的小范圍內起作用，并不能完全消除地面邊界層。

圖8 工況1邊界層發展情況

圖9 工況2邊界層發展情況

2.2 抽吸裝置的影響

圖10為使用不同抽吸壓力時風洞中央對稱面試驗段各點在Z=0.1m處的速度分布圖。在不使用抽吸裝置時，風洞抽吸裝置附近壓力大約為-300Pa，所以在這里選取的抽吸壓力分布在-700～-400Pa范圍內，并選取了-1 500Pa的極端情況進行對比，圖例中數字代表不同的抽吸壓力值。由圖可見，抽吸裝置會對試驗段前部的速度造成很大的影響，當抽吸壓力為-600Pa時，試驗段中部氣流分布更加均勻，各點的速度差減小。

圖10 不同抽吸壓力下各點速度

圖11～圖13分別為抽吸壓力為0，-600和-1 500Pa時的試驗段對稱面靜壓分布圖。對比3個圖可以發現，當抽吸壓力為-1 500Pa時，試驗段上部的壓力和集氣口附近的壓力已經明顯增大，說明此時風洞試驗段氣流的分布已經產生了嚴重的變化，對試驗所測得的結果會有很大的影響。

圖11 抽吸壓力為0靜壓分布圖

圖12 抽吸壓力為-600Pa靜壓分布圖

圖13 抽吸壓力為-1 500Pa靜壓分布圖

圖14為工況1風洞試驗段中央對稱面上靜壓分布圖。對比圖12和圖14可見，抽吸系統對整個風洞試驗段的流場都會產生影響，在抽吸裝置的前方產生一個負壓區，氣流在流經此處時會被加速，而在抽吸裝置的后部產生一個正壓區，同時試驗段中上部的低壓區擴大；在試驗段后部，由于后端抽吸裝置出口的作用，在收集口的附近產生了一個高壓區，導致試驗段后部氣流速度降低。

圖14 工況1靜壓分布圖

2.3 地面效應模擬系統的綜合影響

圖15為風洞試驗段中央對稱面Z=0.1m處4種工況的速度分布。

圖15 速度分布圖

由圖15可見，使用抽吸裝置會改變試驗段前部的流場，而使用移動地板時流場則不會有太大的改變。在試驗段中部，移動地板和抽吸裝置的使用都會使速度分布更加均勻，更加接近于設定的風速，與移動地板相比，抽吸系統會獲得更好的效果；而同時使用移動地板和抽吸裝置能最大程度地減小X方向和Z方向的速度梯度。

圖16 Z=1m處速度分布圖

圖16為風洞試驗段中央對稱面Z=1m處在不同工況下的速度分布圖。

由圖可見，工況1與工況2曲線基本重合，工況3與工況4曲線重合。這種現象表明，移動地板對整個風洞試驗段的速度影響較小，而抽吸系統則對整個試驗段的氣流速度分布都有影響。

圖17為風洞試驗段中心位置⑤處在4種情況下的速度梯度圖。對比4種工況可以發現，地面邊界層的厚度依次為工況1，工況3，工況2，工況4，表明移動地板和抽吸系統改善地面邊界層的分布，而兩者同時使用則可最大限度減小地面邊界層的厚度，減小地面邊界層的影響，此種情況下，速度分布均勻，速度梯度小。

圖17 試驗段中心位置⑤處4種工況速度分布圖

2.4 地面效應模擬系統對風洞試驗結果的影響

為了分析地面效應模擬系統對SAE模型阻力系數的影響，在風洞中對該模型進行了試驗，得到阻力系數測量值如圖18所示，其中，除工況1、工況2和工況4外，其余工況則為同時使用移動地板和垂直抽吸系統，圖例中的壓力代表了不同的抽吸壓力。由圖可見，使用移動帶地面效應系統后阻力系數增大且隨著抽吸負壓的升高阻力系數增大。

圖18 阻力系數變化圖

圖19和圖20為擺放SAE模型后工況1和工況2的車身周圍的流場速度分布圖。由圖18可見，使用移動帶時獲得的阻力系數值大于不使用移動帶時的值，而由圖19和圖20則可以看出兩種工況下尾渦有所不同，尾渦是影響阻力系數的重要因素，尾渦的差異是阻力系數值不同的一個原因。對比發現在不使用移動地板時，存在很厚的地面邊界層，降低了氣流的速度，而使用移動地板消除了地板上邊界層的影響，車身底部的流場得到了改良，氣流流速得到了一定的增加。

圖19 工況1車身周圍的流場速度分布圖

圖21和圖22分別為工況1和工況3風洞試驗段中央對稱面車身周圍的壓力分布圖，抽吸裝置的使用會對車身前部的靜壓造成很大的影響，擴大其相對高壓區，進而增加車身前后部的壓力差，最終使阻力系數增大，這是地面邊界層和抽吸裝置引起試驗段壓力場分布變化共同作用的結果。

圖21 工況1車身周圍的壓力分布圖

圖22 工況3車身周圍的壓力分布圖

圖23為工況1條件下有、無SAE模型兩種情況下的風洞試驗段對稱面⑤處位置的速度分布圖。由圖可見，在絕大多數離地高度位置上(Z=0.002～0.09m)，有模型時速度較高，這是由于有SAE模型時，氣流在流經模型底部和地面形成的狹小通道時被加速；同時對比發現，兩種情況下的邊界層分布也存在較大區別，這是因為有模型時，氣流受到地面和車身底部的阻礙作用后，地面和車身底部同時產生了邊界層。

圖23 速度分布圖

圖24 3種工況邊界層發展情況

圖24為有模型而離地間隙為100mm時，工況1,2和4情況下風洞試驗段中央對稱面⑤處位置的邊界層發展情況。由圖可見，在不使用移動地板和抽吸裝置時，車身底部流場邊界層形狀為半月形，在使用地面邊界層控制裝置時，車身底部流場為梯形，與實際情況相符；對比工況1和工況2，在Z=0.05～0.1m的范圍內，兩種工況的曲線基本重合，最高速度基本相同，說明移動地板并未對此處的氣流產生太大干擾；當Z<0.05m時工況2的氣流速度大于工況1。對比工況1和工況4，在Z=0.05～0.1m內，由于移動地板和抽吸裝置的共同作用，后者的速度稍小于前者；在Z=0～0.05m的范圍內，工況4的速度大于工況1，但本身的變化很小，再次表明同時使用移動地板和抽吸系統對于控制地面邊界層有最好的效果。

3 結論

通過以上對地面效應模擬系統的研究，得出了以下結論：

(1) 使用移動地板可改善地面附近的流場，減小邊界層厚度，但移動地板的作用范圍有限；

(2) 使用抽吸系統對地面效應的控制有一定的效果，但其對整個風洞的流場都會產生較大的影響；

(3) 同時使用移動地板和抽吸系統會在很大程度上改善近地面流場分布，試驗段氣流更加穩定，速度梯度減小；

(4) 移動帶地面效應系統的使用會增大阻力系數的測量值，且抽吸壓力的選擇對測量結果有較大的影響。

[1] 谷正氣.汽車空氣動力學[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 張英朝.汽車空氣動力學數值模擬技術[M].北京:北京大學出版社,2011.

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[9] 龐加斌,劉曉暉,陳力,等.汽車風洞試驗中的雷諾數、阻塞和邊界層效應問題綜述[J].汽車工程,2009,31(7):613-615.

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A Study on the Influence of Ground Effect SimulationSystem in Automotive Wind Tunnel

Zhang Yingchao, Zhan Dapeng, Zhao Jing, Zhang Zhe & Li Jie

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

To reduce the influence of ground effect in automotive wind tunnel on test results, a numerical simulation is used to conduct a study on Jilin University’s automotive wind tunnel, and the effects of moving belt, vertical suction device and the combination of both devices on test results are analyzed. A wind tunnel test is also performed to reveal the effects of ground effect simulation system on the drag coefficient of vehicle model. The results show that both moving belt and suction device can effectively reduce the thickness of boundary layer, improve the flow field near road surface and increase the drag coefficient measured, in which the effect of suction device is more significant. The use of both devices can achieve the best control of ground effect.

vehicle aerodynamics; CFD; ground effect; moving belt; suction system

原稿收到日期為2015年11月24日，修改稿收到日期為2016年1月18日。