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通用SUV模型的基礎(chǔ)壓力和流場(chǎng)測(cè)量

2019-09-16 22:33:05·  來(lái)源：AutoAero  
　
引言：汽車工業(yè)在設(shè)計(jì)和優(yōu)化用于空氣動(dòng)力學(xué)目的的車輛方面面臨許多挑戰(zhàn)，特別是在迫切需要降低能耗的情況下。然而，車輛空氣動(dòng)力學(xué)的許多方面對(duì)于在設(shè)計(jì)和工程過(guò)
引言：
汽車工業(yè)在設(shè)計(jì)和優(yōu)化用于空氣動(dòng)力學(xué)目的的車輛方面面臨許多挑戰(zhàn)，特別是在迫切需要降低能耗的情況下。然而，車輛空氣動(dòng)力學(xué)的許多方面對(duì)于在設(shè)計(jì)和工程過(guò)程期間減阻和精確模擬的進(jìn)一步進(jìn)展還沒(méi)有充分理解。一個(gè)這樣的區(qū)域是基礎(chǔ)壓力的數(shù)值預(yù)測(cè)，其中對(duì)總阻力的貢獻(xiàn)非常重要，但由于對(duì)主要物理和流場(chǎng)機(jī)制的不完全理解，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)是困難的。在SUV的情況下，基礎(chǔ)壓力對(duì)總阻力的貢獻(xiàn)特別大，因此理解驅(qū)動(dòng)機(jī)制是至關(guān)重要的。本文有許多免費(fèi)用途。首先，開(kāi)發(fā)并描述了一種簡(jiǎn)單的通用SUV模型，并可用于持續(xù)的CFD開(kāi)發(fā);其次，對(duì)這種通用幾何形狀給出了尾流結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)壓力的影響以及對(duì)阻力的最終影響的描述。最后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可從拉夫堡大學(xué)機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù)下載。數(shù)據(jù)包括幾何和隧道設(shè)置的詳細(xì)信息，數(shù)據(jù)的完整描述及其在模型參考框架中的位置。
 
模型設(shè)計(jì)：
在空氣動(dòng)力學(xué)界已經(jīng)很好地建立了用于實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究的簡(jiǎn)化車輛模型的使用，并且在增強(qiáng)我們對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和CFD方法開(kāi)發(fā)的理解方面具有可靠的記錄。眾所周知的例子是Ahmed 幾何，旨在捕捉特定車輛特征（后傾斜）或SAE參考模型的影響，設(shè)計(jì)為通用簡(jiǎn)化車輛。這些模型的焦點(diǎn)一直是傳統(tǒng)的車輛配置，例如快背，后退和后背，但不存在以捕捉SUV的底層幾何形狀和形狀。因此，基于對(duì)大型SUV細(xì)分市場(chǎng)的分析，開(kāi)發(fā)了一種新模型。27個(gè)外部尺寸適用于來(lái)自12個(gè)制造商的39種車輛，型號(hào)年份涵蓋1970年至2011年。側(cè)面輪廓如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量和數(shù)據(jù)顏色用型號(hào)年份編碼。
 
為了定義風(fēng)洞模型，總結(jié)了特征數(shù)據(jù)以基于所生成的這些趨勢(shì)來(lái)識(shí)別趨勢(shì)和初始幾何。然后進(jìn)一步簡(jiǎn)化以消除大型輪拱眉毛的影響，這些眉毛通常在這些車輛中很明顯，并且從玻璃房中移除翻滾車和背光耙。這些簡(jiǎn)化降低了模型的雷諾靈敏度，并允許基于通用SUV進(jìn)行更廣泛的未來(lái)參數(shù)研究。最后，將半徑應(yīng)用于所有前緣，以防止不能代表滿量程的局部分離。半徑的大小是基于Newnham的工作。
該模型旨在促進(jìn)行駛高度（隧道底板到模型底面）的變化，地板下的粗糙度以及有輪和無(wú)輪的測(cè)試。測(cè)試的配置列于表1，其中車身高度，地板下粗糙度和車輪的變化圖分別如圖2，圖3和圖4所示。車輪和輪胎不包括任何細(xì)節(jié)。車輪的下側(cè)是扁平的，以模擬接觸區(qū)域，輪胎下側(cè)與隧道底板之間有一個(gè)小間隙（2mm）。
由于這里的重點(diǎn)是考慮基礎(chǔ)壓力，因此將模型邊界層開(kāi)發(fā)與全尺寸邊界層開(kāi)發(fā)進(jìn)行比較被認(rèn)為是有用的。使用模型上的熱線系統(tǒng)和兩個(gè)全尺寸SUV模型記錄速度曲線。在模型和車輛的長(zhǎng)度和跨度上的一系列位置處獲取數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示了類似的形狀因子驗(yàn)證了模型的繼續(xù)使用。
 
風(fēng)洞：
 
所有測(cè)試均在拉夫堡大學(xué)模型風(fēng)洞中進(jìn)行。布局如圖5所示。最大約1/4比例的汽車模型可以在大約5％的阻塞下進(jìn)行測(cè)試。140kW的風(fēng)扇能夠在1.92×1.32m的工作區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)45m / s的流速。收縮率為7.3：1，流量調(diào)節(jié)湍流篩將自由流湍流強(qiáng)度限制在0.2％。在這里報(bào)道的工作中，所有測(cè)試均以40m / s進(jìn)行，根據(jù)模型長(zhǎng)度給出雷諾數(shù)為2.85×106。隧道以固定地板模式運(yùn)行，模型中心的邊界層位移厚度為9.4mm 。
平衡測(cè)量：
通過(guò)四個(gè)8mm支撐銷將模型安裝到六個(gè)組件底板上，通過(guò)隧道底板上的10mm孔進(jìn)入模型車輪底部的孔中，在車輪底部留下一個(gè)小間隙，底部平坦，代表接觸面。調(diào)整支撐銷可確保一致的設(shè)置。隧道底板中的天平和中央盤(pán)連接到偏航驅(qū)動(dòng)器，以便于自動(dòng)偏航掃描。在十秒的穩(wěn)定時(shí)間之后，在每個(gè)偏航位置對(duì)平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行三十秒的采樣。有關(guān)平衡精度的更多細(xì)節(jié)可以在Johl 中找到，以及有關(guān)風(fēng)洞本身的更多信息。偏航掃描從-20到+ 20°進(jìn)行。
 
表面壓力測(cè)量：
模型的基礎(chǔ)和后擴(kuò)散器填充了壓力抽頭網(wǎng)格，如圖6所示。抽頭僅限于模型的一半，以提高分辨率。使用位于模型內(nèi)部的兩個(gè)64通道微型壓力掃描儀進(jìn)行壓力測(cè)量，精確到±0.15mm H2O。樣品由外部提供的260Hz信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)，每種型號(hào)配置取樣31秒。根據(jù)隧道靜壓記錄數(shù)據(jù)。
 
使用自由流動(dòng)壓（在工作區(qū)開(kāi)始時(shí)記錄）計(jì)算模型表面的壓力系數(shù)。使用MIRA阻塞校正（基于連續(xù)性），方程式1對(duì)所有結(jié)果進(jìn)行了阻塞校正。
粒子圖像測(cè)速（PIV）
 
已經(jīng)在車輛尾流區(qū)域中的多個(gè)平面中進(jìn)行了二維平面PIV測(cè)量，如圖7所示。兩個(gè)水平平面處于基座高度的一半（藍(lán)色）和基座高度的一半（紅色）。垂直平面是車輛中心線（綠色），車輪中心線（紫色）和這些平面之間的中間位置（黃色）。
 
雙幀圖像采用400萬(wàn)像素，14位攝像頭，配備50mm鏡頭和頻率加倍的Nd：YAG Litron LASER，脈沖能量為200mJ，使用LaVision DaVis軟件進(jìn)行操作。圖像面積為~400×400mm，空間分辨率為0.2mm /像素。在7.26Hz的記錄頻率下為每個(gè)平面捕獲1000個(gè)圖像對(duì)。
CFD策略
使用Exa PowerFLOW進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的計(jì)算驗(yàn)證，Exa PowerFLOW是一種利用Lattice Boltzmann方法（LBM）的商業(yè)代碼。該方法是玻爾茲曼方程在空間，時(shí)間和速度上的特殊離散化。它模擬了牛頓流體中粒子的流動(dòng)和碰撞過(guò)程。代碼中采用的湍流模型類似于超大渦模擬（VLES），其中k-εRNG模型充當(dāng)子網(wǎng)格比例模型。LBM解決了SUV周圍瞬間湍流的空氣流動(dòng)，并對(duì)溶液進(jìn)行了平均，以得到平均流量解。
 
PowerFLOW中的空間離散化產(chǎn)生所謂的晶格，包含“體素”（立方體體積單元）和“表面”（表面單元生成為體素與表面相交）。本研究使用的晶格是使用汽車行業(yè)領(lǐng)先公司目前采用的最佳實(shí)踐模板生成的，具有自動(dòng)體素尺寸（最小0.5mm）和基于模型尺寸和幾何特征的細(xì)化區(qū)域。產(chǎn)生的最小體素大小是模型長(zhǎng)度的10-3％。晶格的橫截面顯示了車輛周圍的細(xì)化位置，如圖1所示。流體域中的體素總數(shù)約為7000萬(wàn)，而SUV表面的y +值在15≤y+≤100的范圍內(nèi)因此，墻面功能適用于整個(gè)表面。
 
使用速度入口和壓力出口，其中滑動(dòng)壁限定直到邊界層生長(zhǎng)的開(kāi)始（原點(diǎn)上游4.5m），此時(shí)所有隧道和SUV表面都應(yīng)用無(wú)滑移壁條件。為了復(fù)制實(shí)驗(yàn)條件，自由流速度和湍流強(qiáng)度的值分別設(shè)定為40m / s和0.15％，雷諾數(shù)基于模型長(zhǎng)度保持在2.85×106。所有壓力和力的結(jié)果都以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同的方式校正堵塞效應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論：
 
基線模型： 
作為基線模型，即標(biāo)稱行駛高度（65mm），具有車輪的平滑地板用作比較所有其他模型的基礎(chǔ)，首先討論該配置的尾流特性。阻力，總升力和前后升力系數(shù)如圖9所示。阻力和升力結(jié)果大體上是SUV型車輛的典型特征，但后軸上的負(fù)升力在相當(dāng)寬的偏航角范圍內(nèi)不會(huì)預(yù)計(jì)在生產(chǎn)車輛上。這種負(fù)升力歸因于短漫射器，該漫射器是開(kāi)發(fā)模型的方法的人工制品，其中在該車輛類型上看到的大偏離角導(dǎo)致后部的短暫上升。結(jié)合光滑的車身底部，這個(gè)擴(kuò)散部分負(fù)責(zé)后部提升特性。
圖10中顯示的基線配置圖顯示了車輛尾流中五個(gè)測(cè)量平面上的流場(chǎng)的基礎(chǔ)壓力分布和速度流線。上基部區(qū)域的壓力分布顯示恒定壓力系數(shù)的等線近似水平。這表明壓力恢復(fù)主要是由于來(lái)自模型上方而不是來(lái)自車輛側(cè)面的流動(dòng)。在擴(kuò)散器和下部基座的底部外部區(qū)域中，車輪尾跡的影響也很明顯，其中與基座的其余部分相比，吸力增加。中平面上部溫室PIV數(shù)據(jù)顯示對(duì)稱的速度場(chǎng)，其具有來(lái)自車輛側(cè)面的有限向內(nèi)流動(dòng)。下基座（中平面下部溫室）的結(jié)構(gòu)不太對(duì)稱，并且車輪尾跡的影響非常明顯，并且暗示了高度三維結(jié)構(gòu)。
PIV的垂直平面可能都具有預(yù)期的上下循環(huán)特征，但實(shí)際上在三個(gè)側(cè)向位置處有很大不同。在車輛中心線上，離開(kāi)擴(kuò)散器的流動(dòng)表明它完全附著。這對(duì)于30°擴(kuò)散器來(lái)說(shuō)是出乎意料的，并且肯定是由于車輪的影響。否則在這個(gè)平面上，上下渦流結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)中報(bào)道的方后幾何結(jié)構(gòu)。然而，在車輛中間寬度處，上部渦流結(jié)構(gòu)根本不清楚地存在并且用延伸的剪切層代替。沒(méi)有上部渦流，下部再循環(huán)在尾流中占主導(dǎo)地位，并且與模型基座更緊密地對(duì)齊，因?yàn)樯喜繀^(qū)域不再被上部渦旋扭曲。這會(huì)影響平均壁面速度和可能的基礎(chǔ)壓力。在車輪中心線處，上部渦流再次出現(xiàn)，并且現(xiàn)在下部的強(qiáng)度大大降低，因?yàn)樵搮^(qū)域中的流動(dòng)受到車輪的存在的限制。離開(kāi)擴(kuò)散器的流動(dòng)不附著在任何一個(gè)偏離中心線速度場(chǎng)中。
 
雖然圖像不包括在本文中，但在瞬時(shí)流場(chǎng)中沒(méi)有觀察到時(shí)間平均速度場(chǎng)中看到的小的上部結(jié)構(gòu)。在瞬時(shí)場(chǎng)中，上剪切層周圍的區(qū)域通常由許多較小的渦流構(gòu)成，這些渦流在高度不穩(wěn)定的區(qū)域中向下游對(duì)流。所示的再循環(huán)僅僅是許多這些較小渦流的聚集。
 
騎行高度的影響：
 
該模型在三個(gè)行駛高度進(jìn)行了測(cè)試：標(biāo)稱（65毫米），低（50毫米）和高（80毫米）。名義上的案例是上面報(bào)告的基線數(shù)據(jù)。通過(guò)相對(duì)于車輪移動(dòng)模型主體來(lái)實(shí)現(xiàn)這些變化，從而保持車輪下方的小間隙，以防止固定地板布置中的天平接地。這種方法導(dǎo)致正面區(qū)域的小幅增加或減少，因此在每種情況下使用相關(guān)參考區(qū)域來(lái)計(jì)算系數(shù)。對(duì)于高行駛高度的情況，前部區(qū)域的增加為1.6％，對(duì)于低行駛高度情況，相對(duì)于標(biāo)稱行駛高度模型，減少了1.4％。值得注意的是，對(duì)于固定的地板布置，邊界層的影響可能很大，但基本機(jī)制不太可能改變。
 
如圖11所示，三種配置的阻力特性如預(yù)期的那樣顯示，對(duì)于高行駛高度情況，增加的Cd為6.7％，與基線相比，低行駛高度情況下的Cd減少（4.3％）。
將行駛高度從標(biāo)稱增加到高對(duì)總升力幾乎沒(méi)有影響，如圖12所示，因?yàn)樵趦煞N情況下地面間隙都足以使地面效應(yīng)受到限制。然而，在最低行駛高度處，升力顯著降低，這歸因于車身底部與標(biāo)稱狀況相比的不同流動(dòng)特性。
圖13和圖14中的不同行駛高度的基礎(chǔ)壓力曲線顯示了隨著行駛高度增加而降低基礎(chǔ)壓力的總趨勢(shì)。這部分是由于增加的模型區(qū)域產(chǎn)生更大和更低壓力的尾流。垂直平面中的PIV數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)，在再循環(huán)關(guān)閉以獲得較低的行駛高度配置之前，模型后面的距離較短。這對(duì)于中模寬度PIV平面結(jié)果最為明顯。上部溫室水平PIV結(jié)果中后滯點(diǎn)的位置也表明了這一點(diǎn)的進(jìn)一步證據(jù)，隨著行駛高度的增加，這一點(diǎn)向下游移動(dòng)。車輪尾流的影響在壓力中非常明顯，相關(guān)的較低壓力區(qū)域的范圍在較高的離地間隙處增加。車輪尾流區(qū)域的擴(kuò)散器壓力也會(huì)降低。
 
顯示了表2中所示的bese和diffuser的平均壓力數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)和擴(kuò)散器的組合。與標(biāo)稱值相比，在低行駛高度下基座和擴(kuò)散器上的壓力增加是顯著的，并且顯然是減小阻力的主要因素。然而，標(biāo)稱和高行駛高度情況之間的壓力差異小得多，并且在擴(kuò)散器中產(chǎn)生最大的影響?？傮w而言，顯然基礎(chǔ)壓力不是阻力增加的原因，并且更可能是由于前擋塊的位置改變而導(dǎo)致車輪暴露增加和前體阻力增加。
 
對(duì)于三種情況的PIV進(jìn)行比較，更一般地，基本特征似乎沒(méi)有大的改變，特別是當(dāng)比較標(biāo)稱和低的行駛高度時(shí)。在這種情況下，所有三個(gè)平面中的較低再循環(huán)都會(huì)得到一些強(qiáng)化，并且速度梯度也會(huì)有一些變化，這些變化可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)壓力的微小變化。在最高行駛高度處，中間車輛寬度平面顯示出更典型的上部再循環(huán)，而不是其他配置所見(jiàn)的剪切流動(dòng)。同樣對(duì)于這個(gè)平面，較低再循環(huán)中的流線表明更強(qiáng)的橫流，這在其他兩個(gè)平面中也是明顯的。
地板下粗糙度的影響:
 
將標(biāo)準(zhǔn)光滑地板與粗糙底部進(jìn)行比較，圖15僅顯示整體阻力特性的微小變化，特別是在較低的偏航角處。在實(shí)踐中，粗糙度條帶具有與輪軸相似的尺寸，因此可能不會(huì)對(duì)底部流動(dòng)產(chǎn)生大量額外的干擾。在較高的偏航（> 5°）時(shí)，粗糙地板箱的阻力增加較大。這是因?yàn)樵谳^高的偏航角處，粗糙條不會(huì)隱藏在車軸后面，因此具有更大的效果。通過(guò)增加粗糙度，升力基本不變，因此不包括結(jié)果。
 
基礎(chǔ)壓力和PIV數(shù)據(jù)（圖16）顯示了與基線模型的大量相似性，進(jìn)一步證實(shí)了在零偏航時(shí)粗糙度條帶僅具有小的影響的假設(shè)。在中心線殼體上離開(kāi)擴(kuò)散器的剪切層有一些變化，并且車輪后面的上下渦流結(jié)構(gòu)之間的相互作用有一些小的變化。這些小變化反映在面積加權(quán)壓力數(shù)據(jù)中。圖3顯示了粗糙地板模型的基礎(chǔ)和擴(kuò)散器壓力的小幅增加，這導(dǎo)致了阻力的小幅下降。
 
無(wú)車輪的SUV車型：
許多已發(fā)布的參考體和簡(jiǎn)化的幾何形狀要么設(shè)計(jì)成沒(méi)有輪子，以避免不必要的復(fù)雜化，或者可以選擇沒(méi)有輪子的測(cè)試盒。對(duì)于這里的SUV幾何形狀，無(wú)輪箱使用填料來(lái)完全填充車輪拱代替車輪圖4.平衡數(shù)據(jù)，圖17和圖18，顯示了類似的輪廓曲線，但阻力系數(shù)減少約0.1和a 提升偏移量約為-0.5。這表明了對(duì)流場(chǎng)的一些非?；镜牟町?，并且還說(shuō)明了車輪的主要貢獻(xiàn)，其在模型正面區(qū)域中僅占拖累的額外5％。
 
基本壓力分布和尾流場(chǎng)，圖19顯示了帶輪子和不帶輪子的模型的非常不同的行為。存在通常較大的較低渦旋和較小的上渦流，但除此之外，結(jié)果是完全不同的。在中心線上，沒(méi)有輪子的擴(kuò)散器的流動(dòng)不再像車輪存在時(shí)那樣附著。然而，它在車輛中間寬度處完全連接在中心線的外側(cè)，因?yàn)樵跀U(kuò)散器邊緣處產(chǎn)生的向上沖洗不再被車輪的存在阻擋。這解釋了在低偏航角下的阻力和升力曲線的形狀的差異，因?yàn)閷?duì)于帶有車輪的情況觀察到的附著流可能對(duì)起始條件非常敏感并因此對(duì)偏航角非常敏感。通常情況下，對(duì)于沒(méi)有車輪產(chǎn)生較小尾流，壁面速度變化和較高基礎(chǔ)壓力的情況，尾流關(guān)閉更快。
 
最低壓力的位置在基座的中間，這種配置與預(yù)期的簡(jiǎn)單阻流體一樣。該區(qū)域側(cè)面的較高壓力是由于從模型側(cè)面抽出空氣，如下基部水平PIV流場(chǎng)所示。該低壓區(qū)還顯示出在中心線上從車輛上方抽出空氣，因此在中心線上的上基座上的壓力高于邊緣，與車輪箱相反。
尾流結(jié)構(gòu)的變化在車輪尾跡影響最大的下基座上尤為明顯。對(duì)于帶有車輪的情況，流量顯示為從車輛中心線向外行進(jìn)到車輪尾流中的低壓。沒(méi)有輪子，流動(dòng)向中心線移動(dòng)，因?yàn)檫@是現(xiàn)在最低的壓力區(qū)域。
 
平均壓力數(shù)據(jù)表4顯示，當(dāng)車輪被移除時(shí)，基座和擴(kuò)散器上的平均值顯著增加。這解釋了減少整體阻力的很大一部分。
 
CFD比較
本節(jié)將迄今為止提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與作為拉夫堡大學(xué)免費(fèi)項(xiàng)目一部分完成的數(shù)字工作進(jìn)行了比較。 僅針對(duì)基線配置進(jìn)行比較; 帶有輪子的光滑地板和標(biāo)稱行駛高度。
 
基本比較，圖20，顯示了相當(dāng)好地預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)壓力值，差異為Cp的0.05。 壓力分布的形狀對(duì)于實(shí)驗(yàn)和模擬也是類似的。 與實(shí)驗(yàn)相比，模擬的基礎(chǔ)壓力的積分差異與阻力系數(shù)從0.464減小到0.434相關(guān)。
通過(guò)模擬顯示出良好的能力來(lái)預(yù)測(cè)車輪尾流中的低壓區(qū)。 然而，模擬似乎過(guò)度預(yù)測(cè)了來(lái)自側(cè)面的空氣對(duì)車輪尾流的這一側(cè)增加壓力的影響。 模擬還捕獲模型中心線上擴(kuò)散器頂部的壓力增加區(qū)域。
文章選自：
Journal Artical 2015-01-1546 
base Pressure and Flow-Field Measurements on a Generic SUV Model
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