汽车风洞地面效应模拟系统影响的研究

张英朝,詹大鹏,赵 婧,张 喆,李 杰

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

2016226

汽车风洞地面效应模拟系统影响的研究

张英朝,詹大鹏,赵 婧,张 喆,李 杰

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

为降低汽车风洞地面效应对试验结果的影响，采用数值模拟的方法对吉林大学汽车风洞进行了研究，分析了移动带、垂直抽吸装置和二者的共同作用对试验的影响，并通过试验揭示地面效应模拟系统对汽车模型阻力系数的影响。结果表明，移动带和垂直抽吸装置均能有效地减小地面边界层的厚度，改善地面附近的流场，而使阻力系数增加，其中，抽吸系统的影响更为显著；同时使用这两种装置能获得对地面效应的最佳控制。

汽车空气动力学；计算流体力学；地面效应；移动带；抽吸装置

前言

汽车空气动力学对汽车的燃油经济性和安全性有着重要的影响，改善其气动性能对于提高汽车动力性，降低油耗有着重要的意义[1]。

汽车风洞是进行汽车空气动力学试验的重要设备，在道路行驶中，汽车向前运动，而空气和地面不动，汽车与周围的空气的相对流动导致车身周围的气压发生变化，从而产生了阻力；在风洞试验中，汽车静止不动，利用风洞来形成一定速度的流动气体，气体在流经汽车时同样会使车身周围的压力发生变化，从而模拟汽车在道路行驶中的状况[2-3]，根据相对运动的原理，汽车风洞中的地板也应相对于汽车运动，如图1所示。

由于空气在流经物体或平板表面时会形成边界层，理想的风洞试验中，地板是运动的，地面边界层的分布如图2中III所示，如果地板不运动，气流在流经汽车底部时同时受到车身和地面的作用，会在车身底部和地板上形成边界层，而在道路行驶中，地面是固定的，地面上不会形成边界层，如图2中I与II所示；地面边界层的存在会对汽车底部的流场造成干扰，影响汽车风洞试验的结果。过厚的地面边界层会使测量的阻力系数减小，升力系数增加，因此需要对地面边界层进行一定的控制[4-6]。

图2 边界层分布

汽车的气动特性与汽车底部流场的分布有密切关系，地面模拟的真实性对气动试验有较大的影响[7]，为减小边界层的影响，须对地板进行合理的设计。目前，在汽车风洞中，对地面效应控制的方法有：移动地板法、边界层抽吸法和切向射流法等[8-9]。这些能减小地面边界层影响的装置统称为移动带地面效应系统。国外有学者曾进行过研究：移动带地面效应系统的使用会改变风洞试验段流场的特性，增大阻力系数的测量值，减小升力系数[10-12]。

本文中基于吉林大学汽车风洞所拥有的移动带地面效应系统，它包括宽带式移动地板和前部垂直抽吸系统，首先分析了移动带地面效应系统作用下汽车试验段流场的特性和地面边界层的分布；然后对汽车模型的风洞试验结果进行了研究。

1 数值模拟

1.1 模型概述

由于SAE模型在数值模拟中的广泛应用，这里采用比例1∶2的SAE方背式模型作为研究对象，如图3所示。为保证仿真的可靠性，选取吉林大学的汽车风洞数字化模型为计算域，图4为吉林大学汽车风洞示意图。坐标系设置如下：定义来流方向为X正方向，垂直于地面向上为Z正方向，Y正方向由右手定则确定，喷口截面与风洞中央对称面交线与地板的交点为坐标原点。试验段的起始位置为X=1m，如点①所示，试验段结束位置为：X=6m，如点⑧所示，垂直抽吸系统的起始位置为X=0.65m，结束位置为X=0.85m，如图中向下的长黑直方所示；试验段后端抽吸装置出口的位置为X=6.3m，如图中向上的短黑直方所示；模型中心位置X=3.5m，如点⑤所示；②③④⑥⑦的位置分别为X=1.5m，X=2.5m，X=3m，X=4.5m，X=5.5m。

图3 SAE方背式模型

图4 吉大汽车风洞示意图

1.2 数值仿真

整个计算域采用四面体网格进行划分，近壁面处布置三棱柱网格，同时对模型周围、抽吸装置附近和试验段进行了网格加密，图5为网格界面示意图。

图5 网格示意图

使用商用CFD软件Ansys Fluent 6.3进行求解，喷口速度为30m·s-1，具体参数设定如表1所示。

表1 求解参数设置

2 结果分析

首先对试验段不放置模型的情况进行了仿真研究，这里设置了4种工况，如表2所示。

表2 4种工况

2.1 移动地板的影响

图6和图7为工况1和工况2风洞对称面的速度分布图。由图6可见，在工况1条件下整个试验段气流速度分布均匀，在试验段后部，由于收集口的作用使得速度产生了局部的变化；由图7可见，二者在试验段的速度分布的整体格局相同，在试验段后部，由于吹除装置、移动带和收集口的综合影响，在风洞收集口前部偏上的低速区范围扩大，与使用移动地板情况下地面附近的低速区连在了一起。

图6 工况1风洞试验段对称面速度分布图

图7 工况2风洞试验段对称面速度分布图

图8和图9分别为工况1、工况2试验段对称面，②③⑤⑥⑦所示位置的地面边界层发展情况。由图8可见，气流速度在X方向上具有逐渐减小的趋势，在Z方向上存在较大的速度梯度，且边界层的厚度沿着X方向不断增加，经计算得出在试验段中部的边界层厚度已达到120mm，远远超出风洞试验的标准值。从图9可以看出，当来流速度到达试验段前部时，受到移动地板的作用，气流速度增大到30m·s-1，随后呈现先减小后增大的趋势。当Z<0.04m时，速度沿X方向逐渐增大，而当Z>0.04m时，速度沿X方向则不断减小，与工况1相同，这表明移动地板对地面附近气流的加速作用有限，超出一定范围后，移动地板所能提供的动能并不能完全弥补气流在流动中所损失的能量。总的来说，移动地板只能在近地面处的小范围内起作用，并不能完全消除地面边界层。

图8 工况1边界层发展情况

图9 工况2边界层发展情况

2.2 抽吸装置的影响

图10为使用不同抽吸压力时风洞中央对称面试验段各点在Z=0.1m处的速度分布图。在不使用抽吸装置时，风洞抽吸装置附近压力大约为-300Pa，所以在这里选取的抽吸压力分布在-700～-400Pa范围内，并选取了-1 500Pa的极端情况进行对比，图例中数字代表不同的抽吸压力值。由图可见，抽吸装置会对试验段前部的速度造成很大的影响，当抽吸压力为-600Pa时，试验段中部气流分布更加均匀，各点的速度差减小。

图10 不同抽吸压力下各点速度

图11～图13分别为抽吸压力为0，-600和-1 500Pa时的试验段对称面静压分布图。对比3个图可以发现，当抽吸压力为-1 500Pa时，试验段上部的压力和集气口附近的压力已经明显增大，说明此时风洞试验段气流的分布已经产生了严重的变化，对试验所测得的结果会有很大的影响。

图11 抽吸压力为0静压分布图

图12 抽吸压力为-600Pa静压分布图

图13 抽吸压力为-1 500Pa静压分布图

图14为工况1风洞试验段中央对称面上静压分布图。对比图12和图14可见，抽吸系统对整个风洞试验段的流场都会产生影响，在抽吸装置的前方产生一个负压区，气流在流经此处时会被加速，而在抽吸装置的后部产生一个正压区，同时试验段中上部的低压区扩大；在试验段后部，由于后端抽吸装置出口的作用，在收集口的附近产生了一个高压区，导致试验段后部气流速度降低。

图14 工况1静压分布图

2.3 地面效应模拟系统的综合影响

图15为风洞试验段中央对称面Z=0.1m处4种工况的速度分布。

图15 速度分布图

由图15可见，使用抽吸装置会改变试验段前部的流场，而使用移动地板时流场则不会有太大的改变。在试验段中部，移动地板和抽吸装置的使用都会使速度分布更加均匀，更加接近于设定的风速，与移动地板相比，抽吸系统会获得更好的效果；而同时使用移动地板和抽吸装置能最大程度地减小X方向和Z方向的速度梯度。

图16 Z=1m处速度分布图

图16为风洞试验段中央对称面Z=1m处在不同工况下的速度分布图。

由图可见，工况1与工况2曲线基本重合，工况3与工况4曲线重合。这种现象表明，移动地板对整个风洞试验段的速度影响较小，而抽吸系统则对整个试验段的气流速度分布都有影响。

图17为风洞试验段中心位置⑤处在4种情况下的速度梯度图。对比4种工况可以发现，地面边界层的厚度依次为工况1，工况3，工况2，工况4，表明移动地板和抽吸系统改善地面边界层的分布，而两者同时使用则可最大限度减小地面边界层的厚度，减小地面边界层的影响，此种情况下，速度分布均匀，速度梯度小。

图17 试验段中心位置⑤处4种工况速度分布图

2.4 地面效应模拟系统对风洞试验结果的影响

为了分析地面效应模拟系统对SAE模型阻力系数的影响，在风洞中对该模型进行了试验，得到阻力系数测量值如图18所示，其中，除工况1、工况2和工况4外，其余工况则为同时使用移动地板和垂直抽吸系统，图例中的压力代表了不同的抽吸压力。由图可见，使用移动带地面效应系统后阻力系数增大且随着抽吸负压的升高阻力系数增大。

图18 阻力系数变化图

图19和图20为摆放SAE模型后工况1和工况2的车身周围的流场速度分布图。由图18可见，使用移动带时获得的阻力系数值大于不使用移动带时的值，而由图19和图20则可以看出两种工况下尾涡有所不同，尾涡是影响阻力系数的重要因素，尾涡的差异是阻力系数值不同的一个原因。对比发现在不使用移动地板时，存在很厚的地面边界层，降低了气流的速度，而使用移动地板消除了地板上边界层的影响，车身底部的流场得到了改良，气流流速得到了一定的增加。

图19 工况1车身周围的流场速度分布图

图21和图22分别为工况1和工况3风洞试验段中央对称面车身周围的压力分布图，抽吸装置的使用会对车身前部的静压造成很大的影响，扩大其相对高压区，进而增加车身前后部的压力差，最终使阻力系数增大，这是地面边界层和抽吸装置引起试验段压力场分布变化共同作用的结果。

图21 工况1车身周围的压力分布图

图22 工况3车身周围的压力分布图

图23为工况1条件下有、无SAE模型两种情况下的风洞试验段对称面⑤处位置的速度分布图。由图可见，在绝大多数离地高度位置上(Z=0.002～0.09m)，有模型时速度较高，这是由于有SAE模型时，气流在流经模型底部和地面形成的狭小通道时被加速；同时对比发现，两种情况下的边界层分布也存在较大区别，这是因为有模型时，气流受到地面和车身底部的阻碍作用后，地面和车身底部同时产生了边界层。

图23 速度分布图

图24 3种工况边界层发展情况

图24为有模型而离地间隙为100mm时，工况1,2和4情况下风洞试验段中央对称面⑤处位置的边界层发展情况。由图可见，在不使用移动地板和抽吸装置时，车身底部流场边界层形状为半月形，在使用地面边界层控制装置时，车身底部流场为梯形，与实际情况相符；对比工况1和工况2，在Z=0.05～0.1m的范围内，两种工况的曲线基本重合，最高速度基本相同，说明移动地板并未对此处的气流产生太大干扰；当Z<0.05m时工况2的气流速度大于工况1。对比工况1和工况4，在Z=0.05～0.1m内，由于移动地板和抽吸装置的共同作用，后者的速度稍小于前者；在Z=0～0.05m的范围内，工况4的速度大于工况1，但本身的变化很小，再次表明同时使用移动地板和抽吸系统对于控制地面边界层有最好的效果。

3 结论

通过以上对地面效应模拟系统的研究，得出了以下结论：

(1) 使用移动地板可改善地面附近的流场，减小边界层厚度，但移动地板的作用范围有限；

(2) 使用抽吸系统对地面效应的控制有一定的效果，但其对整个风洞的流场都会产生较大的影响；

(3) 同时使用移动地板和抽吸系统会在很大程度上改善近地面流场分布，试验段气流更加稳定，速度梯度减小；

(4) 移动带地面效应系统的使用会增大阻力系数的测量值，且抽吸压力的选择对测量结果有较大的影响。

[1] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京:北京大学出版社,2011.

[3] 王勋年.低速风洞试验[M].北京:国防工业出版社,2002.

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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

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