...业升级迎拐点 汽车风洞试验将成为新选择
徐玉冬+杨志刚+李启良
摘要： 为研究风洞收集口形状和角度对试验段轴向静压因数的影响，通过数值仿真和试验验证研究翼型收集口在多种角度下轴向静压因数的变化，并与平板型收集口对比.结果表明：收集口形状对轴向静压因数变化规律没有影响，轴向静压因数总是随开口角度的增大而减小；对于同一形状收集口，只在上方张开某一角度比在两侧张开相同角度的轴向静压因数略低.收集口角度变化对轴向静压因数会产生规律性影响：随收集口角度增大，从剪切层外部特别是上方进入到射流核心区的流量增加，导致核心区流速增加，从而导致轴向静压因数降低.
关键词： 汽车风洞； 收集口形状； 收集口角度； 轴向静压因数； 质量流量； 湍动耗散率； 试验； 数值模拟
中图分类号： U461.1文献标志码： B
Abstract： To study the effect of collector shape and angle on the axial static pressure factor of automotive wind tunnel test section， the axial static pressure factor variation of airfoiltype collector at different angles is researched with numerical simulation and test verification and compared with the paneltype collector. The results indicate that， the axial static pressure factor variation law has nothing to do with collector shape and it always decreases with the increase of the opening angle； as to the same shape collector， the axial static pressure factor is a little lower when only the upper part of the collector is opened at a given angle than when the both sides of the collector is opened at the same angle. The collector angle changes have regular effect on the axial static pressure factor. With the collector angle increasing， the more flow enters the jet low core area from shear layer outside， especially from upper direction； it results in the increase of flow velocity in core area， which leads to the decrease of the axial static pressure factor.
Key words： automotive wind tunnel； collector shape； collector angle； axial static pressure factor； mass flow rate； turbulent dissipation rate； test； numerical simulation
0引言
汽车风洞是汽车研发的重要测试设施.开口回流式风洞在气动声学测量方面的优势使其成为现代汽车风洞的主要形式.[1]开口式风洞试验段本身的特点决定其轴向静压因数具有碗状变化规律，在一定程度上对测量结果产生影响.[2]试验段轴向静压因数是评价汽车风洞流场品质的重要指标之一，主要受试验段尺寸、收集口形状和角度影响.[3]为改善试验段轴向静压因数分布，基于同济大学汽车模型风洞，李启良等[4]发现可以通过改变收集口角度和收集口喉部开缝实现这一目标：增大收集口角度或增加喉部间隙可以降低试验段轴向静压因数.现代汽车风洞多采用平板型或翼型收集口，例如同济大学风洞采用平板型收集口，宝马公司风洞采用翼型收集口.[5]然而，不同类型收集口对轴向静压因数影响规律的内在机理鲜有深入研究.
本文首先通过数值仿真与试验相结合，对比平板型收集口在不同角度下试验段轴向静压因数变化规律，然后研究翼型收集口不同角度组合，尝试明确翼型收集口对轴向静压因数的影响规律和内在机理.
1试验和数值模拟方法
为保证计算准确性，采用模型风洞试验验证数值计算结果.
在模型风洞中使用平板型收集口，完成具有代表性的0°和15°这2种工况.在数值计算中同时建立翼型和平板型收集口各种角度及不同角度组合的数值模型.2种数值模拟方案见表1.
利用基于有限体积法的商业软件FLUENT进行求解.由于喷口的来流速度为30 m/s，马赫数Ma<0.3，因此可以认为是不可压流动.采用基于RANS方程框架中的可实现kε两方程涡黏性传输模型和非平衡壁面函数对计算域内湍流进行求解.[8]进出口边界条件分别设为速度入口和自由出流；在收缩段进口设定与试验相同的速度5 m/s.先选用稳定的1阶格式，迭代2 000步后，残差收敛至10-5，选用精度更高的2阶格式继续迭代.在满足设定残差和监控物理量为常量后停止初次迭代.根据表征近壁面无量纲距离的y+值进行网格加密，继续迭代直到y+为30～200，且残差和监控物理量也保持不变后停止.这个区域被认为是壁面函数有效区域.
2结果分析和讨论
2.1试验与数值对比
平板型收集口2种角度的试验与数值模拟结果对比见图3，可知，尽管试验存在误差，拟合曲线略有波动，但测量结果与数值模拟无论是在趋势上还是在具体数值上都比较接近.例如，对于0°收集口，当测点位于x方向500 mm位置时，试验测得该点轴向静压因数为0.056 1，数值模拟结果为0.057 2，误差为1.9%.考虑到试验时人工误差及测量仪器误差，此结果误差处于允许范围内.因此，在研究试验段轴向静压因数时可采用试验与数值模拟2种方法并互相验证.
3结论
通过研究平板型和翼型收集口在多种角度及不同角度组合下轴向静压因数的变化规律，揭示不同类型收集口在不同角度下对轴向静压因数影响的内在机理，为风洞建设中确定收集口的关键参数提供参考.
（1）对于翼型和平板型收集口，轴向静压因数都随开口角度的增大而减小，收集口形状对变化规律没有影响.对于同一形状收集口，只在上方张开某一角度比只在两侧张开相同角度的轴向静压因数略低.
（2）流量变化是揭示试验段轴向静压因数变化规律的根本原因.当收集口角度增大时，从剪切层外部，特别是上方进入到射流核心区的流量增加，导致核心区流速增加，静压因数降低.
参考文献：
[1]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 高低速风洞气动与结构设计[M]. 北京：国防工业出版社， 2003： 4041.
[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.
[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.
[4]李启良， 郑志强， 贾青， 等. 两种改善汽车风洞轴向静压系数的方法[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2010， 38（3）： 422426.
[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010
[6]郑志强. 汽车气动声学风洞低频颤振现象研究及控制[D]. 上海： 同济大学， 2008.
[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.
[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.
[9]吴桐. 3/4开口式汽车模型风洞试验段剪切层结构研究[D]. 上海： 同济大学， 2013.
2结果分析和讨论
2.1试验与数值对比
平板型收集口2种角度的试验与数值模拟结果对比见图3，可知，尽管试验存在误差，拟合曲线略有波动，但测量结果与数值模拟无论是在趋势上还是在具体数值上都比较接近.例如，对于0°收集口，当测点位于x方向500 mm位置时，试验测得该点轴向静压因数为0.056 1，数值模拟结果为0.057 2，误差为1.9%.考虑到试验时人工误差及测量仪器误差，此结果误差处于允许范围内.因此，在研究试验段轴向静压因数时可采用试验与数值模拟2种方法并互相验证.
3结论
通过研究平板型和翼型收集口在多种角度及不同角度组合下轴向静压因数的变化规律，揭示不同类型收集口在不同角度下对轴向静压因数影响的内在机理，为风洞建设中确定收集口的关键参数提供参考.
（1）对于翼型和平板型收集口，轴向静压因数都随开口角度的增大而减小，收集口形状对变化规律没有影响.对于同一形状收集口，只在上方张开某一角度比只在两侧张开相同角度的轴向静压因数略低.
（2）流量变化是揭示试验段轴向静压因数变化规律的根本原因.当收集口角度增大时，从剪切层外部，特别是上方进入到射流核心区的流量增加，导致核心区流速增加，静压因数降低.
参考文献：
[1]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 高低速风洞气动与结构设计[M]. 北京：国防工业出版社， 2003： 4041.
[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.
[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.
[4]李启良， 郑志强， 贾青， 等. 两种改善汽车风洞轴向静压系数的方法[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2010， 38（3）： 422426.
[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010
[6]郑志强. 汽车气动声学风洞低频颤振现象研究及控制[D]. 上海： 同济大学， 2008.
[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.
[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.
[9]吴桐. 3/4开口式汽车模型风洞试验段剪切层结构研究[D]. 上海： 同济大学， 2013.
2结果分析和讨论
2.1试验与数值对比
平板型收集口2种角度的试验与数值模拟结果对比见图3，可知，尽管试验存在误差，拟合曲线略有波动，但测量结果与数值模拟无论是在趋势上还是在具体数值上都比较接近.例如，对于0°收集口，当测点位于x方向500 mm位置时，试验测得该点轴向静压因数为0.056 1，数值模拟结果为0.057 2，误差为1.9%.考虑到试验时人工误差及测量仪器误差，此结果误差处于允许范围内.因此，在研究试验段轴向静压因数时可采用试验与数值模拟2种方法并互相验证.
3结论
通过研究平板型和翼型收集口在多种角度及不同角度组合下轴向静压因数的变化规律，揭示不同类型收集口在不同角度下对轴向静压因数影响的内在机理，为风洞建设中确定收集口的关键参数提供参考.
（1）对于翼型和平板型收集口，轴向静压因数都随开口角度的增大而减小，收集口形状对变化规律没有影响.对于同一形状收集口，只在上方张开某一角度比只在两侧张开相同角度的轴向静压因数略低.
（2）流量变化是揭示试验段轴向静压因数变化规律的根本原因.当收集口角度增大时，从剪切层外部，特别是上方进入到射流核心区的流量增加，导致核心区流速增加，静压因数降低.
参考文献：
[1]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 高低速风洞气动与结构设计[M]. 北京：国防工业出版社， 2003： 4041.
[2]MERCHER E， COOPER K R. A twomeasurement correction for the effects of a pressure gradient on automotive， openjet， wind tunnel measurements[C]// Proc SAE 2006 World Congress & Exhibition， SAE 2006010568. Detroit： SAE Int， 2006.
[3]WIEDEMANN J， WICKERN G， EWALD B， et al. Audi aeroacoustic wind tunnel[C]//Proc Int Congress & Exposition， SAE 930300. Detroit： SAE Int， 1993.
[4]李启良， 郑志强， 贾青， 等. 两种改善汽车风洞轴向静压系数的方法[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2010， 38（3）： 422426.
[5]EDWARD D， AMIR K， SAM M. The BMW AVZ wind tunnel center [C]//Proc SAE 2010 World Congress & Exhibition， SAE 2010010118. Detroit： SAE Int， 2010
[6]郑志强. 汽车气动声学风洞低频颤振现象研究及控制[D]. 上海： 同济大学， 2008.
[7]LAUNDER B E， SPALDING D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Comput Methods Appl Mech & Eng， 1974， 3（2）： 269289.
[8]SHIH T H， LIOU W W， SHABBIR A， et al A new kε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows： model development and validation[J]. Comput & Fluids， 1995， 24（3）： 227.
[9]吴桐. 3/4开口式汽车模型风洞试验段剪切层结构研究[D]. 上海： 同济大学， 2013.
