风洞实验地面切向吹气装置对汽车气动力的影响

摘要：许多用于测试地面车辆的空气动力学风洞具有先进的地面模拟系统，以说明地面与车辆之间的相对运动。一种常用的地面模拟方法就是使用移动带的五连带系统，通常与分布式抽吸和切向吹气装置相结合，减小沿着风洞地面的边界层的位移厚度。本文研究了沃尔沃轿车气动风洞的尾部切向吹气效果。首先在空的风洞中检查吹风槽下游边界层厚度的均匀性。接下来是在常规空气动力学开发工作中通常测试的几种配置下的不同车辆类型的测量性能如何取决于切向吹气系统活跃度。数值模拟也被用来解释在风洞中测量的力差异的流场起源。结果表明，即使鼓风机后面的位移厚度沿吹风槽的宽度变化，与不吹风的情况相比也明显减小，此外，还显示完全停用吹气不仅对绝对力而且对不同配置之间测量的增量有影响，并且如果车辆具有较大的底面积，则这种现象更为显着。

风洞
本文介绍的所有物理测试均在瑞典哥德堡的沃尔沃汽车空气动力学风洞中进行。建于八十年代中期，于一九八六年全面投入运作，并于二零零六年更新为一个更强大的风扇及五区皮带边界层控制系统（BLCS），完整的BLCS包括一个基本的吸气口，两个分布吸力区，五个移动皮带和四个切向鼓风机，如图1。



图1. 具有边界层控制系统的风洞地板布局

四个切向鼓风机安装在车轮驱动装置（WDU）的后面，另一个安装在中央皮带的后面。每个WDU风机单元由沉降室出口处的600mm宽和0.6mm高的吹风槽组成。中心带式鼓风机的构造方式类似，但带有1000毫米宽，1毫米高的吹气槽。所有五台鼓风机都连接到同一个压缩机上，在每个鼓风机组之前都有一个阀门，以便调节每个单独的沉降室的压力，从而调节注入边界层的吹风速度和动量，切线式鼓风机的校准是为了将每个鼓风机下游800mm的位移厚度减到最小,这个位置在风洞调试期间被选择为鼓风机合理的距离。自由流速度通过将驱动鼓风机的压缩机的风扇速度限制在自由流风速来实现的。

边界层厚度测量
为了测量空风洞切向风机后面的边界层厚度，在风洞横向传动装置上安装了一个总压力传感器，使第一个探头位于风洞地面以上2mm处，在图2中可以看到由22个探头组成的总高度为109mm的装置。装置的纵向位置固定在鼓风机下游800mm处，装置以20mm / s、20Hz的采样频率和每个样品5帧的扫描速度横扫过槽的整个宽度，每毫米测量一次。使用位移厚度δ*来量化边界层的厚度，定义z从地面向上，局部速度u(z)计算为,



图2. 安装在横向移动装置的边界层探头

动态压力q（z）是从使用可压缩流量关系的总压力测量中得到的：



其中γ= 1.4是空气比热，Ps是试验段的静压，Pt（z）是由探头测量的总压力。

切向吹气对气动力增量影响
使用两种不同后端形状的相似汽车，即阶背式沃尔沃S60和方背式沃尔沃V60，研究了切向吹气装置对一些常见的空气动力学配置动力增量的影响。风洞中的物理实验被用来量化敏感性和相互作用，而数值研究被用来深入了解潜在地引起在物理测试中观察到的流场变化现象。
实验装置
每一辆汽车，为了能够量化主要效应和两个因素的相互作用，使用两级分式因子设计的实验设计方法测试了七个因子。测试的因素可以在表1中看到,图3显示了选择的因素。


                    表1. 实验设计中实验因素及其水平



(a)关闭底部护板 (b)开启底部护板



(c) 气坝 （d）前轮扰流板



(e)刀锋（方背式） (f)尾盖扰流板(阶背式)

图3.测试装置

选择的实验方案满足对预估分配的风洞时间最大运行次数的要求。然而，由于设计的分辨率为4，因此两个因素的相互作用与其他两个因素的相互作用混淆，因此不能被单独地估计。在表2中可以看到所采用设计的相互作用的双因子混杂模式。例如AF交互，混淆结构AF+BG+DE,这意味着我们不能估算AF本身，而是行驶高度和有盖轮辋（AF），尾盖扰流板/和冷却流（BG）以及底部护板和前轮扰流板（DE）之间的相互作用的总和。为了避免这两个因素的混淆，需要采用分辨率至少为5的设计，测试次数从16次增加到64次。



表2.采用部分析因设计中两因子相互作用的混杂结构

对于实验设计中的每一次运行，汽车上的气动力都在切向吹气装置开闭两种情况下测量。然后将每个力系数与相同吹风设置下的基线进行比较，以这种方式，每次运行得到对于每个力系数有两个增量值; 一个切向吹气开启，一个切向吹气切断。

数值模拟
在STAR-CCM +中使用SST k-ω改进的延迟分离涡流模拟（IDDES）方法进行模拟。对于每个配置，在平均3秒之前允许流动发展。模拟中使用的自由流速度为140km/h，与物理测试相同。将移动带上游的地面建模为对称壁面，要包括切向风机系统的几何形状，尤其是薄的吹风槽，将需要非常小的网格分划分处理。轮胎的旋转采用光滑轮胎上的移动壁面边界条件和轮辋辐条之间的MRF区域进行建模。冷却组件中的散热器采用多孔介质进行建模，而冷却风扇的风铣旋转采用MRF区域进行模拟。对于网格来说，总共12个棱柱层（具有0.0075-0.025mm的第一层厚度，取决于位置）和总厚度8mm被用在汽车的上部主体上以确保边界层被y+<1，而两个0.5毫米厚的棱镜层建立在底部和发动机舱。在静止的地面上，使用8个近壁厚1mm，总高度16mm的棱柱层来解释边界层积累。

结果与讨论
边界层厚度均匀性
图4显示了所有边界层控制系统处于活动状态于空风洞中每个车轮驱动装置后面的切向风机槽的位移厚度。中心带鼓风机的测量不可用。吹风槽跨越520mm≤|y|的区域≤1120mm。正如预期的那样，由于边界层将沿着前部单元后面的地层生长，因此在前部和后部之间存在δ*差异，在比较不受切向吹风影响的区域时，这一点尤为明显，在|y|>1150mm，后面的测量显示出相当厚的边界层。

从图4中还可以看出，边界层在中心带附近变厚。再次，这些测量结果并没有提供任何关于这种现象的原因的确凿结论的基础，但是假设它是由中心带和静止地板之间的界面产生的三维漩涡造成的。这样的效果也可以解释在前面位置的WDU带的边缘后面看到的位移厚度的撞击。

假设在不受吹风影响的区域内的边界层厚度与边界层在切向吹风被关闭的情况下具有的边界层厚度相同，可以得出结论，切向吹气对于减小位移厚度具有相当大的影响。甚至可以注意到，在WDU后面的一些部分δ*<0，这意味着由于吹风速度太高，边界层具有动量过剩。此外，位移厚度随着风洞的自由流速而增加，对于200公里/小时的沉降室中的压力接近系统的最大容量的情况尤其明显。



图4.在所有边界层系统处于活动状态的情况下，每个车轮驱动单元鼓风机后800mm处的切向鼓风机槽位移厚度。 阴影区域表示上游车轮驱动装置的位置

对气动力增量的影响
图5和图6显示了对于每个单因素的切向吹气和双因子相互作用的测量的δ和δ增量值的影响，由图中的水平线表示，使用正常图表给出相同的显着效果，为什么风洞重复性被认为是一个足够的重要性措施。

比较图5和图6，可以看出，测量的对增量的影响方背比阶背更明显，特别是对于阻力。两车的前部升力影响相似，后部升力的影响均落在测试不确定度范围内。对方背的较大影响表明，切向吹气的主要影响作用在汽车的后部。

关注阻力系数，可以看出，对于阶背式，只有气坝（C）和冷却消隐（G）对切向吹气具有显着的敏感性，这与方背式形成鲜明对比，不仅显著增量的数量较多，而且强度也大大增加。很明显，最敏感的测试空气动力学配置是冷却消隐（G），其中ΔΔCD是8个阻力计数。这种差异足以影响是否将某种配置包括在生产中的决定。此外，方背式的行驶高度（A），气坝（C）和底板护板（D）的增量显示出明显的灵敏度，以及AB，AC和BD的相互作用。尽管在统计意义上是显着的，但与主要效果相比，相互作用影响是小的。

可以注意到，ΔCD相对于基线的趋势并没有因除了气坝（C）之外的任何配置的切向吹风而改变，当吹风被关闭时拖曳略微下降，而当吹气时保持不变。这个特点对于方背和阶背都适用。

关于前部升力，可以看出，空气坝（C）和被覆盖的边缘（F）对于两辆汽车的切向吹气都是可感知的。两辆车都有一个显着的干涉，阶背式的AD和方背式的AB。但是，应该指出的是，增量前缘升力的敏感性与基线相比非常小。



图5. 切向吹气对阶背式汽车气动力增量的影响



图6.切向吹气对方背式汽车气动力增量的影响

流场分析
对于风洞实验结果，阻力增量是每个鼓风机模式的闭合冷却与基线之间的差异为



现在，所考虑的封闭制冷情况下的阻力增量被定义为



这种观点转变的原因是为了更容易区分差异，在更多的类似案例之间进行比较。

在图7中可以看到，在开放和闭合冷却时，切向吹送和关闭之间沿着汽车长度的累积阻力差。可以注意到，在风洞中看到的ΔΔCD的趋势在CFD中也被捕获，即使强度较小。从图9中的累积阻力可以看出，在CFD中ΔΔCD≈0.002，而在图6a中的效果G表明在风洞实验中ΔΔCD=0.008。此外，图7显示了切向吹气的主要影响在车尾，主要是在后轮和底座周围。特别是在汽车的基础上，趋势在开启和关闭冷却之间转换，这在查看图8中的基座上的压力差时是清楚的。可以看出，切向吹气降低了底部右侧上半部分的开放冷却压力，而当冷却流体关闭时则相反。事实上，在封闭式冷却的情况下，可以看到底部上半部分的压力相对较大的增加，而冷却不开放。事实上，这种对基础压力影响的主要差异是作用在基础的上部，这可以解释为什么对于阶背式的影响不那么突出。

考虑到图9中底部尾迹的中心平面上的压力系数，可以看出吹气降低了中心带式鼓风机上游的压力，用于开放和闭合的冷却，并由于能量注入而增加了下游的压力。然而，在封闭的冷却情况下，在基座附近可以看到轻微的压力增加，对应于图8中所见的较高的基础压力。这种行为的主要原因尚未被清楚地揭示，并且需要进一步研究。
还应该指出的是，这里所考虑的增量的数量是相当小的，这很难找到其原因。然而，由于在CFD中观察到的趋势与风洞实验一致，所以观察到的效果是真实的，而不是由于模拟中的误差。



图7. 吹气装置开启和关闭下，沿汽车长度的累积阻力差异




图8. 汽车底部的压力系数ΔCP差异





图9. 尾流中心平面的压力系数ΔCP差异

结论
本研究的目的是研究风洞中两台车辆上测得的尾部带切向吹风的影响。根据所得结果，得出以下结论：
1、 对于空的风洞来说，切向吹风槽后800mm边界层的位移厚度由于切向吹风而减小，甚至沿槽宽度的一些区域消失，但是显示出很大的不均匀性。
2、 在鼓风机后面的边界层厚度的主要特征可以使用简化的建模方法在CFD中捕获。然而，在模拟中没有观察到由移动带引起的观察到的不均匀性。
3、 具有较大底部尾迹的方背式汽车对切向吹气效果比阶背式更敏感，特别是对于阻力。
4、 对气流底层流动有很大影响的配置，例如气坝，车身底板，行驶高度对切向吹气最为敏感。
5、基于方背式的CFD模拟结果，认为顶帽灵敏度不同的主要是由切向吹气引入底部区域上部压力变化导致的。