朱 暉 ,楊志剛

(同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804)

0 引 言

車輛在行駛過(guò)程中,受到周圍空氣對(duì)其的阻力,并且隨著車速的提高,氣動(dòng)阻力的影響更加突出。氣動(dòng)阻力形成的主要原因?yàn)檐囕v構(gòu)造的特點(diǎn)(鈍頭體),導(dǎo)致氣流分離形成前后壓差,這部分阻力稱作壓差阻力,也稱為形狀阻力[1]。

氣流流經(jīng)車體時(shí),主要在車體尾部形成分離區(qū)。由于壓差阻力占?xì)鈩?dòng)阻力的主要份額,所以分離區(qū)中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一直是車輛空氣動(dòng)力學(xué)研究的核心問題之一。

為了避免因?yàn)檐囆鸵约捌放频牟煌瑢?duì)研究結(jié)果造成不確定影響,以及簡(jiǎn)化所研究問題的難度,采用簡(jiǎn)化車模型對(duì)實(shí)際研究具有積極意義。

當(dāng)類車體(Ahmed model)模型在1984年被引入后[2],迅速成為研究車輛空氣動(dòng)力學(xué)的重要模型之一。同時(shí),由于其外流場(chǎng)具有三維、非穩(wěn)態(tài)、近地面的特點(diǎn),其實(shí)驗(yàn)成果又迅速成為驗(yàn)證和評(píng)價(jià)數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的標(biāo)尺之一[3-4]。

以模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ),運(yùn)用三維熱線風(fēng)速儀,對(duì)后傾角35°類車體的尾跡區(qū)內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,著重探討其渦運(yùn)動(dòng)特性,力圖為車輛外形設(shè)計(jì)以及數(shù)值計(jì)算提供可靠的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及主要儀器

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞1∶15縮比模型,如圖1所示。由風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、拐角葉片、阻尼網(wǎng)、升降地板構(gòu)成。

圖1 模型風(fēng)洞平面圖Fig.1 Plan of model wind tunnel

風(fēng)道系統(tǒng)采用有機(jī)玻璃鋼制作,駐室長(zhǎng)、寬、高尺寸為 ：L=1517mm 、W=1185mm 、H=818mm 。噴口出 口尺寸 ：0.12m2,射流長(zhǎng)度 ：1160mm,最大風(fēng)速為170km/h。駐室的工作狀態(tài)為：噴口通氣口全開,與室外大氣相通;收集口通氣口全關(guān);收集口三塊板開度皆為15°,如圖 2所示;模型頭部距噴口內(nèi)邊緣120mm,并正對(duì)噴口。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為40m/s,駐室的湍流強(qiáng)度為0.38%。

圖2 收集口開度Fig.2 Collector angle

實(shí)驗(yàn)采用DANTC公司的熱線風(fēng)速儀,由探頭、支桿、導(dǎo)線、電容放大器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等組成,部分部件如圖3所示。在使用之前,對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)由氣流噴口、支架、偏航羅盤、旋轉(zhuǎn)羅盤等部件組成。標(biāo)定基本思想為：通過(guò)標(biāo)定速度來(lái)標(biāo)定方向。

圖3 熱線風(fēng)速儀Fig.3 Hot wire anemometer

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)采用尾部?jī)A角為35°的類車體,為標(biāo)準(zhǔn)類車體的1：4縮比模型,長(zhǎng)、寬、高分別為261mm、97mm和84mm。車模相對(duì)于噴口的阻塞比約為6.7%,考慮到噴口尺寸,車模離地面約為12.5mm。車模與駐室的相對(duì)位置如圖4所示。

考慮到實(shí)驗(yàn)條件(對(duì)儀器的保護(hù)、支桿本身的收縮伸展范圍等),尾跡區(qū)中測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為,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,實(shí)驗(yàn)中總計(jì)布270個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 車模位置Fig.4 Location of the Ahmed model

坐標(biāo)的正向及原點(diǎn)規(guī)定如下：x正向?yàn)闅饬鲝膰娍诹魅腭v室的方向;z正向?yàn)閺鸟v室底部向上的方向;y正向按右手螺旋定則確定;坐標(biāo)原點(diǎn)定于噴口內(nèi)側(cè)地面中軸線上。為了表達(dá)清楚,省略了y=±0.036±0.012m處的測(cè)點(diǎn),如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of test points

對(duì)于瞬時(shí)速度的測(cè)量,依據(jù)文獻(xiàn)[5-6]中有關(guān)車輛風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)自模區(qū)的論述,將風(fēng)速定為40m/s,頻率為20000Hz,采樣時(shí)間3s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理,采用x方向速度云圖結(jié)合y、z方向速度矢量圖的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于：整體感強(qiáng),能直觀體現(xiàn)尾部流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

云圖和矢量圖位置按x方向坐標(biāo)截取,分為六截,分別為 x=0.39、0.40、0.42、0.45、0.50 和0.55m處。y坐標(biāo)范圍-0.048～+0.048m,z坐標(biāo)范圍0.030～0.050m,覆蓋尾跡區(qū)的主要部分,如圖6所示。

由圖6(a)可知,在近壁面區(qū),在尾跡區(qū)內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)還沒有明顯的拖曳渦現(xiàn)象,整體流動(dòng)處于分離泡內(nèi),各向異性明顯;

由圖6(b)可知,在 x=0.40m時(shí),流動(dòng)依然處于分離泡內(nèi),整體渦運(yùn)動(dòng)依然處于發(fā)展時(shí)期,但是氣流從側(cè)邊向內(nèi)的卷吸作用明顯增強(qiáng),頂部氣流的下洗作用不明顯;

由圖6(c)和圖6(d)可知,隨著距離的增加,越過(guò)車體上部的下洗氣流的沖刷作用逐漸顯現(xiàn),并且使處于中心位置的測(cè)試點(diǎn)速度反向。由于下洗氣流的沖刷以及側(cè)邊氣流的卷吸,最終導(dǎo)致拖曳渦對(duì)的形成,由圖6(d)的矢量圖外側(cè)可見拖曳對(duì)的雛形。

由圖6(e)和圖6(f)中的圖譜可見,在尾跡區(qū)內(nèi)存在一個(gè)極其明顯的拖曳渦對(duì)。此拖曳渦對(duì)為遠(yuǎn)離近壁區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的主要特征,是由車體上部、側(cè)邊以及底部氣流運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。由于在渦核處,x方向速度極大,且向量的模趨于極小,基于以上分析,y≌±0.035m、z≌±0.036m為渦核在橫截面處坐標(biāo)。

圖6 尾跡區(qū)速度云圖和矢量圖Fig.6 Contour and vector spectrums of velocity

4 結(jié) 論

以模型風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)臺(tái),使用熱線風(fēng)速儀,對(duì)尾部?jī)A角35°的類車體尾跡區(qū)內(nèi)的三維速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)過(guò)對(duì)平均速度場(chǎng)的分析,對(duì)其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)總結(jié)如下：

(1)平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱;

(2)近壁附近存在回流區(qū),在x=0.45m前始終存在;

(3)在y≌±0.030m處始終存在 x方向速度偏小的區(qū)域;

(4)由于車體底部的上卷氣流的作用,在 x=0.40m以前氣流上行運(yùn)動(dòng)顯著;

(5)在x=0.40m之后,側(cè)邊氣流注入作用增強(qiáng),但此時(shí)拖曳渦還處于發(fā)展時(shí)期,并未完全發(fā)展出來(lái),從而增強(qiáng)了氣流的三維性;

(6)拖曳渦形成之后,氣流的下行運(yùn)動(dòng)顯著;且渦核位置坐標(biāo)為 ：y≌±0.035m 、z≌±0.036m 。

類車體外流場(chǎng)在近壁區(qū)存在一個(gè)明顯的分離泡,其內(nèi)部流動(dòng)具有強(qiáng)烈的各項(xiàng)異性特征;在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),又存在不同于機(jī)翼尾跡的剪切流運(yùn)動(dòng);作為流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的拖曳渦對(duì)又是三股氣流共同作用的結(jié)果。鑒于流場(chǎng)機(jī)理復(fù)雜,對(duì)于按標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)研發(fā)的湍流模型挑戰(zhàn)較大;如果將其作為研發(fā)湍流模型的參考流場(chǎng)之一,對(duì)于求解鈍頭體繞流問題將具有積極的意義。

[1]傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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]杜廣生.廂式貨車空氣動(dòng)力學(xué)特性的研究：[D].博士學(xué)位論文.江蘇：中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,2002.