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通用SUV模型的基础压力和流场测量
2019-09-16 22:33:05· 来源：AutoAero
引言：汽车工业在设计和优化用于空气动力学目的的车辆方面面临许多挑战，特别是在迫切需要降低能耗的情况下。然而，车辆空气动力学的许多方面对于在设计和工程过
引言：
汽车工业在设计和优化用于空气动力学目的的车辆方面面临许多挑战，特别是在迫切需要降低能耗的情况下。然而，车辆空气动力学的许多方面对于在设计和工程过程期间减阻和精确模拟的进一步进展还没有充分理解。一个这样的区域是基础压力的数值预测，其中对总阻力的贡献非常重要，但由于对主要物理和流场机制的不完全理解，准确的预测是困难的。在SUV的情况下，基础压力对总阻力的贡献特别大，因此理解驱动机制是至关重要的。本文有许多免费用途。首先，开发并描述了一种简单的通用SUV模型，并可用于持续的CFD开发;其次，对这种通用几何形状给出了尾流结构对基础压力的影响以及对阻力的最终影响的描述。最后，实验数据可从拉夫堡大学机构知识库下载。数据包括几何和隧道设置的详细信息，数据的完整描述及其在模型参考框架中的位置。
模型设计：
在空气动力学界已经很好地建立了用于实验和计算研究的简化车辆模型的使用，并且在增强我们对基础知识和CFD方法开发的理解方面具有可靠的记录。众所周知的例子是Ahmed 几何，旨在捕捉特定车辆特征（后倾斜）或SAE参考模型的影响，设计为通用简化车辆。这些模型的焦点一直是传统的车辆配置，例如快背，后退和后背，但不存在以捕捉SUV的底层几何形状和形状。因此，基于对大型SUV细分市场的分析，开发了一种新模型。27个外部尺寸适用于来自12个制造商的39种车辆，型号年份涵盖1970年至2011年。侧面轮廓如图1所示。标准化测量和数据颜色用型号年份编码。
为了定义风洞模型，总结了特征数据以基于所生成的这些趋势来识别趋势和初始几何。然后进一步简化以消除大型轮拱眉毛的影响，这些眉毛通常在这些车辆中很明显，并且从玻璃房中移除翻滚车和背光耙。这些简化降低了模型的雷诺灵敏度，并允许基于通用SUV进行更广泛的未来参数研究。最后，将半径应用于所有前缘，以防止不能代表满量程的局部分离。半径的大小是基于Newnham的工作。
该模型旨在促进行驶高度（隧道底板到模型底面）的变化，地板下的粗糙度以及有轮和无轮的测试。测试的配置列于表1，其中车身高度，地板下粗糙度和车轮的变化图分别如图2，图3和图4所示。车轮和轮胎不包括任何细节。车轮的下侧是扁平的，以模拟接触区域，轮胎下侧与隧道底板之间有一个小间隙（2mm）。
由于这里的重点是考虑基础压力，因此将模型边界层开发与全尺寸边界层开发进行比较被认为是有用的。使用模型上的热线系统和两个全尺寸SUV模型记录速度曲线。在模型和车辆的长度和跨度上的一系列位置处获取数据。结果显示了类似的形状因子验证了模型的继续使用。
风洞：
所有测试均在拉夫堡大学模型风洞中进行。布局如图5所示。最大约1/4比例的汽车模型可以在大约5％的阻塞下进行测试。140kW的风扇能够在1.92×1.32m的工作区域内产生高达45m / s的流速。收缩率为7.3：1，流量调节湍流筛将自由流湍流强度限制在0.2％。在这里报道的工作中，所有测试均以40m / s进行，根据模型长度给出雷诺数为2.85×106。隧道以固定地板模式运行，模型中心的边界层位移厚度为9.4mm 。
平衡测量：
通过四个8mm支撑销将模型安装到六个组件底板上，通过隧道底板上的10mm孔进入模型车轮底部的孔中，在车轮底部留下一个小间隙，底部平坦，代表接触面。调整支撑销可确保一致的设置。隧道底板中的天平和中央盘连接到偏航驱动器，以便于自动偏航扫描。在十秒的稳定时间之后，在每个偏航位置对平衡数据进行三十秒的采样。有关平衡精度的更多细节可以在Johl 中找到，以及有关风洞本身的更多信息。偏航扫描从-20到+ 20°进行。
表面压力测量：
模型的基础和后扩散器填充了压力抽头网格，如图6所示。抽头仅限于模型的一半，以提高分辨率。使用位于模型内部的两个64通道微型压力扫描仪进行压力测量，精确到±0.15mm H2O。样品由外部提供的260Hz信号发生器触发，每种型号配置取样31秒。根据隧道静压记录数据。
使用自由流动压（在工作区开始时记录）计算模型表面的压力系数。使用MIRA阻塞校正（基于连续性），方程式1对所有结果进行了阻塞校正。
粒子图像测速（PIV）
已经在车辆尾流区域中的多个平面中进行了二维平面PIV测量，如图7所示。两个水平平面处于基座高度的一半（蓝色）和基座高度的一半（红色）。垂直平面是车辆中心线（绿色），车轮中心线（紫色）和这些平面之间的中间位置（黄色）。
双帧图像采用400万像素，14位摄像头，配备50mm镜头和频率加倍的Nd：YAG Litron LASER，脉冲能量为200mJ，使用LaVision DaVis软件进行操作。图像面积为~400×400mm，空间分辨率为0.2mm /像素。在7.26Hz的记录频率下为每个平面捕获1000个图像对。
CFD策略
使用Exa PowerFLOW进行风洞试验的计算验证，Exa PowerFLOW是一种利用Lattice Boltzmann方法（LBM）的商业代码。该方法是玻尔兹曼方程在空间，时间和速度上的特殊离散化。它模拟了牛顿流体中粒子的流动和碰撞过程。代码中采用的湍流模型类似于超大涡模拟（VLES），其中k-εRNG模型充当子网格比例模型。LBM解决了SUV周围瞬间湍流的空气流动，并对溶液进行了平均，以得到平均流量解。
PowerFLOW中的空间离散化产生所谓的晶格，包含“体素”（立方体体积单元）和“表面”（表面单元生成为体素与表面相交）。本研究使用的晶格是使用汽车行业领先公司目前采用的最佳实践模板生成的，具有自动体素尺寸（最小0.5mm）和基于模型尺寸和几何特征的细化区域。产生的最小体素大小是模型长度的10-3％。晶格的横截面显示了车辆周围的细化位置，如图1所示。流体域中的体素总数约为7000万，而SUV表面的y +值在15≤y+≤100的范围内因此，墙面功能适用于整个表面。
使用速度入口和压力出口，其中滑动壁限定直到边界层生长的开始（原点上游4.5m），此时所有隧道和SUV表面都应用无滑移壁条件。为了复制实验条件，自由流速度和湍流强度的值分别设定为40m / s和0.15％，雷诺数基于模型长度保持在2.85×106。所有压力和力的结果都以与实验结果相同的方式校正堵塞效应。
实验结果与讨论：
基线模型：
作为基线模型，即标称行驶高度（65mm），具有车轮的平滑地板用作比较所有其他模型的基础，首先讨论该配置的尾流特性。阻力，总升力和前后升力系数如图9所示。阻力和升力结果大体上是SUV型车辆的典型特征，但后轴上的负升力在相当宽的偏航角范围内不会预计在生产车辆上。这种负升力归因于短漫射器，该漫射器是开发模型的方法的人工制品，其中在该车辆类型上看到的大偏离角导致后部的短暂上升。结合光滑的车身底部，这个扩散部分负责后部提升特性。
图10中显示的基线配置图显示了车辆尾流中五个测量平面上的流场的基础压力分布和速度流线。上基部区域的压力分布显示恒定压力系数的等线近似水平。这表明压力恢复主要是由于来自模型上方而不是来自车辆侧面的流动。在扩散器和下部基座的底部外部区域中，车轮尾迹的影响也很明显，其中与基座的其余部分相比，吸力增加。中平面上部温室PIV数据显示对称的速度场，其具有来自车辆侧面的有限向内流动。下基座（中平面下部温室）的结构不太对称，并且车轮尾迹的影响非常明显，并且暗示了高度三维结构。
PIV的垂直平面可能都具有预期的上下循环特征，但实际上在三个侧向位置处有很大不同。在车辆中心线上，离开扩散器的流动表明它完全附着。这对于30°扩散器来说是出乎意料的，并且肯定是由于车轮的影响。否则在这个平面上，上下涡流结构如文献中报道的方后几何结构。然而，在车辆中间宽度处，上部涡流结构根本不清楚地存在并且用延伸的剪切层代替。没有上部涡流，下部再循环在尾流中占主导地位，并且与模型基座更紧密地对齐，因为上部区域不再被上部涡旋扭曲。这会影响平均壁面速度和可能的基础压力。在车轮中心线处，上部涡流再次出现，并且现在下部的强度大大降低，因为该区域中的流动受到车轮的存在的限制。离开扩散器的流动不附着在任何一个偏离中心线速度场中。
虽然图像不包括在本文中，但在瞬时流场中没有观察到时间平均速度场中看到的小的上部结构。在瞬时场中，上剪切层周围的区域通常由许多较小的涡流构成，这些涡流在高度不稳定的区域中向下游对流。所示的再循环仅仅是许多这些较小涡流的聚集。
骑行高度的影响：
该模型在三个行驶高度进行了测试：标称（65毫米），低（50毫米）和高（80毫米）。名义上的案例是上面报告的基线数据。通过相对于车轮移动模型主体来实现这些变化，从而保持车轮下方的小间隙，以防止固定地板布置中的天平接地。这种方法导致正面区域的小幅增加或减少，因此在每种情况下使用相关参考区域来计算系数。对于高行驶高度的情况，前部区域的增加为1.6％，对于低行驶高度情况，相对于标称行驶高度模型，减少了1.4％。值得注意的是，对于固定的地板布置，边界层的影响可能很大，但基本机制不太可能改变。
如图11所示，三种配置的阻力特性如预期的那样显示，对于高行驶高度情况，增加的Cd为6.7％，与基线相比，低行驶高度情况下的Cd减少（4.3％）。
将行驶高度从标称增加到高对总升力几乎没有影响，如图12所示，因为在两种情况下地面间隙都足以使地面效应受到限制。然而，在最低行驶高度处，升力显着降低，这归因于车身底部与标称状况相比的不同流动特性。
图13和图14中的不同行驶高度的基础压力曲线显示了随着行驶高度增加而降低基础压力的总趋势。这部分是由于增加的模型区域产生更大和更低压力的尾流。垂直平面中的PIV数据证实了这一点，在再循环关闭以获得较低的行驶高度配置之前，模型后面的距离较短。这对于中模宽度PIV平面结果最为明显。上部温室水平PIV结果中后滞点的位置也表明了这一点的进一步证据，随着行驶高度的增加，这一点向下游移动。车轮尾流的影响在压力中非常明显，相关的较低压力区域的范围在较高的离地间隙处增加。车轮尾流区域的扩散器压力也会降低。
显示了表2中所示的bese和diffuser的平均压力数据以及基础和扩散器的组合。与标称值相比，在低行驶高度下基座和扩散器上的压力增加是显着的，并且显然是减小阻力的主要因素。然而，标称和高行驶高度情况之间的压力差异小得多，并且在扩散器中产生最大的影响。总体而言，显然基础压力不是阻力增加的原因，并且更可能是由于前挡块的位置改变而导致车轮暴露增加和前体阻力增加。
对于三种情况的PIV进行比较，更一般地，基本特征似乎没有大的改变，特别是当比较标称和低的行驶高度时。在这种情况下，所有三个平面中的较低再循环都会得到一些强化，并且速度梯度也会有一些变化，这些变化可能会导致基础压力的微小变化。在最高行驶高度处，中间车辆宽度平面显示出更典型的上部再循环，而不是其他配置所见的剪切流动。同样对于这个平面，较低再循环中的流线表明更强的横流，这在其他两个平面中也是明显的。
地板下粗糙度的影响:
将标准光滑地板与粗糙底部进行比较，图15仅显示整体阻力特性的微小变化，特别是在较低的偏航角处。在实践中，粗糙度条带具有与轮轴相似的尺寸，因此可能不会对底部流动产生大量额外的干扰。在较高的偏航（> 5°）时，粗糙地板箱的阻力增加较大。这是因为在较高的偏航角处，粗糙条不会隐藏在车轴后面，因此具有更大的效果。通过增加粗糙度，升力基本不变，因此不包括结果。
基础压力和PIV数据（图16）显示了与基线模型的大量相似性，进一步证实了在零偏航时粗糙度条带仅具有小的影响的假设。在中心线壳体上离开扩散器的剪切层有一些变化，并且车轮后面的上下涡流结构之间的相互作用有一些小的变化。这些小变化反映在面积加权压力数据中。图3显示了粗糙地板模型的基础和扩散器压力的小幅增加，这导致了阻力的小幅下降。
无车轮的SUV车型：
许多已发布的参考体和简化的几何形状要么设计成没有轮子，以避免不必要的复杂化，或者可以选择没有轮子的测试盒。对于这里的SUV几何形状，无轮箱使用填料来完全填充车轮拱代替车轮图4.平衡数据，图17和图18，显示了类似的轮廓曲线，但阻力系数减少约0.1和a 提升偏移量约为-0.5。这表明了对流场的一些非常基本的差异，并且还说明了车轮的主要贡献，其在模型正面区域中仅占拖累的额外5％。
基本压力分布和尾流场，图19显示了带轮子和不带轮子的模型的非常不同的行为。存在通常较大的较低涡旋和较小的上涡流，但除此之外，结果是完全不同的。在中心线上，没有轮子的扩散器的流动不再像车轮存在时那样附着。然而，它在车辆中间宽度处完全连接在中心线的外侧，因为在扩散器边缘处产生的向上冲洗不再被车轮的存在阻挡。这解释了在低偏航角下的阻力和升力曲线的形状的差异，因为对于带有车轮的情况观察到的附着流可能对起始条件非常敏感并因此对偏航角非常敏感。通常情况下，对于没有车轮产生较小尾流，壁面速度变化和较高基础压力的情况，尾流关闭更快。
最低压力的位置在基座的中间，这种配置与预期的简单阻流体一样。该区域侧面的较高压力是由于从模型侧面抽出空气，如下基部水平PIV流场所示。该低压区还显示出在中心线上从车辆上方抽出空气，因此在中心线上的上基座上的压力高于边缘，与车轮箱相反。
尾流结构的变化在车轮尾迹影响最大的下基座上尤为明显。对于带有车轮的情况，流量显示为从车辆中心线向外行进到车轮尾流中的低压。没有轮子，流动向中心线移动，因为这是现在最低的压力区域。
平均压力数据表4显示，当车轮被移除时，基座和扩散器上的平均值显着增加。这解释了减少整体阻力的很大一部分。
CFD比较
本节将迄今为止提供的实验数据与作为拉夫堡大学免费项目一部分完成的数字工作进行了比较。 仅针对基线配置进行比较; 带有轮子的光滑地板和标称行驶高度。
基本比较，图20，显示了相当好地预测的基础压力值，差异为Cp的0.05。 压力分布的形状对于实验和模拟也是类似的。 与实验相比，模拟的基础压力的积分差异与阻力系数从0.464减小到0.434相关。
通过模拟显示出良好的能力来预测车轮尾流中的低压区。 然而，模拟似乎过度预测了来自侧面的空气对车轮尾流的这一侧增加压力的影响。 模拟还捕获模型中心线上扩散器顶部的压力增加区域。
文章选自：
Journal Artical 2015-01-1546
base Pressure and Flow-Field Measurements on a Generic SUV Model
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