类车体尾迹区流动的实验研究

朱 晖 ,杨志刚

(同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海 201804)

0 引 言

车辆在行驶过程中,受到周围空气对其的阻力,并且随着车速的提高,气动阻力的影响更加突出。气动阻力形成的主要原因为车辆构造的特点(钝头体),导致气流分离形成前后压差,这部分阻力称作压差阻力,也称为形状阻力[1]。

气流流经车体时,主要在车体尾部形成分离区。由于压差阻力占气动阻力的主要份额,所以分离区中的流场结构一直是车辆空气动力学研究的核心问题之一。

为了避免因为车型以及品牌的不同对研究结果造成不确定影响,以及简化所研究问题的难度,采用简化车模型对实际研究具有积极意义。

当类车体(Ahmed model)模型在1984年被引入后[2],迅速成为研究车辆空气动力学的重要模型之一。同时,由于其外流场具有三维、非稳态、近地面的特点,其实验成果又迅速成为验证和评价数值计算稳定性和准确性的标尺之一[3-4]。

以模型风洞实验台为基础,运用三维热线风速仪,对后倾角35°类车体的尾迹区内流场结构进行研究,着重探讨其涡运动特性,力图为车辆外形设计以及数值计算提供可靠的依据。

1 实验台及主要仪器

实验台架为同济大学地面交通工具风洞中心空气动力学风洞1∶15缩比模型,如图1所示。由风道、风机、拐角叶片、阻尼网、升降地板构成。

图1 模型风洞平面图Fig.1 Plan of model wind tunnel

风道系统采用有机玻璃钢制作,驻室长、宽、高尺寸为 ：L=1517mm 、W=1185mm 、H=818mm 。喷口出 口尺寸 ：0.12m2,射流长度 ：1160mm,最大风速为170km/h。驻室的工作状态为：喷口通气口全开,与室外大气相通;收集口通气口全关;收集口三块板开度皆为15°,如图 2所示;模型头部距喷口内边缘120mm,并正对喷口。实验风速为40m/s,驻室的湍流强度为0.38%。

图2 收集口开度Fig.2 Collector angle

实验采用DANTC公司的热线风速仪,由探头、支杆、导线、电容放大器、信号调节器、数模转换器等组成,部分部件如图3所示。在使用之前,对其进行了标定。标定实验台由气流喷口、支架、偏航罗盘、旋转罗盘等部件组成。标定基本思想为：通过标定速度来标定方向。

图3 热线风速仪Fig.3 Hot wire anemometer

2 实验对象及测点布置

实验采用尾部倾角为35°的类车体,为标准类车体的1：4缩比模型,长、宽、高分别为261mm、97mm和84mm。车模相对于喷口的阻塞比约为6.7%,考虑到喷口尺寸,车模离地面约为12.5mm。车模与驻室的相对位置如图4所示。

考虑到实验条件(对仪器的保护、支杆本身的收缩伸展范围等),尾迹区中测点的坐标为,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,实验中总计布270个测点。

图4 车模位置Fig.4 Location of the Ahmed model

坐标的正向及原点规定如下：x正向为气流从喷口流入驻室的方向;z正向为从驻室底部向上的方向;y正向按右手螺旋定则确定;坐标原点定于喷口内侧地面中轴线上。为了表达清楚,省略了y=±0.036±0.012m处的测点,如图5所示。

图5 测点布置Fig.5 Arrangement of test points

对于瞬时速度的测量,依据文献[5-6]中有关车辆风洞实验自模区的论述,将风速定为40m/s,频率为20000Hz,采样时间3s。

3 实验结果与分析

实验结果的处理,采用x方向速度云图结合y、z方向速度矢量图的方法,其优点在于：整体感强,能直观体现尾部流动的结构。

云图和矢量图位置按x方向坐标截取,分为六截,分别为 x=0.39、0.40、0.42、0.45、0.50 和0.55m处。y坐标范围-0.048～+0.048m,z坐标范围0.030～0.050m,覆盖尾迹区的主要部分,如图6所示。

由图6(a)可知,在近壁面区,在尾迹区内流场结构还没有明显的拖曳涡现象,整体流动处于分离泡内,各向异性明显;

由图6(b)可知,在 x=0.40m时,流动依然处于分离泡内,整体涡运动依然处于发展时期,但是气流从侧边向内的卷吸作用明显增强,顶部气流的下洗作用不明显;

由图6(c)和图6(d)可知,随着距离的增加,越过车体上部的下洗气流的冲刷作用逐渐显现,并且使处于中心位置的测试点速度反向。由于下洗气流的冲刷以及侧边气流的卷吸,最终导致拖曳涡对的形成,由图6(d)的矢量图外侧可见拖曳对的雏形。

由图6(e)和图6(f)中的图谱可见,在尾迹区内存在一个极其明显的拖曳涡对。此拖曳涡对为远离近壁区的流场结构的主要特征,是由车体上部、侧边以及底部气流运动共同作用的结果。由于在涡核处,x方向速度极大,且向量的模趋于极小,基于以上分析,y≌±0.035m、z≌±0.036m为涡核在横截面处坐标。

图6 尾迹区速度云图和矢量图Fig.6 Contour and vector spectrums of velocity

4 结 论

以模型风洞为实验台,使用热线风速仪,对尾部倾角35°的类车体尾迹区内的三维速度场进行测量,经过对平均速度场的分析,对其流场结构总结如下：

(1)平均流场结构左右对称;

(2)近壁附近存在回流区,在x=0.45m前始终存在;

(3)在y≌±0.030m处始终存在 x方向速度偏小的区域;

(4)由于车体底部的上卷气流的作用,在 x=0.40m以前气流上行运动显著;

(5)在x=0.40m之后,侧边气流注入作用增强,但此时拖曳涡还处于发展时期,并未完全发展出来,从而增强了气流的三维性;

(6)拖曳涡形成之后,气流的下行运动显著;且涡核位置坐标为 ：y≌±0.035m 、z≌±0.036m 。

类车体外流场在近壁区存在一个明显的分离泡,其内部流动具有强烈的各项异性特征;在远场区,又存在不同于机翼尾迹的剪切流运动;作为流场结构特征的拖曳涡对又是三股气流共同作用的结果。鉴于流场机理复杂,对于按标准流动研发的湍流模型挑战较大;如果将其作为研发湍流模型的参考流场之一,对于求解钝头体绕流问题将具有积极的意义。

[1]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社,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]杜广生.厢式货车空气动力学特性的研究：[D].博士学位论文.江苏：中国船舶科学研究中心,2002.