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——————————————————————————————————————————————— 汽车风洞中的气动模拟问题分析 空气动力测控技术五届四次测控学术交流会论文集 庞加斌 （同济大学汽车学院，上海２０１８０４） 摘要介绍汽车风洞中需要关注的气动模拟问题，，针对汽车风洞中的“雷诺教效应、阻塞效应和边界层效应”等问题，建议综合选择试验雷诺数、采用恰当的边界层控制乃至移动地板系统． 关键词汽车风洞雷诺数阻塞效应边界层移动地板 １．引言 当今的汽车研发过程中，风洞试验被广泛用于各种汽车性能的优化设计，如空气动力学、气动声学和热力学性能。风洞如所有其他试验设施一样，不可能完美的重现真实，模拟所有的物理参数。针对具体的问题选择合适的实验设备、或者采用合适的方法阅读试验数据，是工程研究的艺术。模拟和正确控制每个物理参数的“万能风洞”不可能存在，因为许多工程要求相互矛盾，即使“万能风洞”能够设计出来，其造价也将不可接受。例如，极端的温湿度模拟对于精密的风洞天平可能是致命的，模拟雨尘可能损坏消声处理，喷口２，－，６ｍ２的风洞对于冷却试验通常足够了，但是对气动试验产生很大的问题，目前的空气动力学汽车风洞的喷口面积在１０－－，２５ｍ２。 本文着重分析汽车风洞模拟中的雷诺数、阻塞和边界层性问题对试验数据的影响，充分地理解和正确处理风洞试验中的模拟问题，有助于正确定位或者选择风洞的配置，提高汽车研发风洞试验的效率。 ２．汽车风洞试验的雷诺数效应 ２．１汽车风洞试验的模型 汽车模型风洞试验与整车风洞试验相比具有风洞建设和运行成本低，模型加工和修改成本低和试验效率高等优势，然而汽车模型风洞试验必须注意两个关键技术要求： １．几何相似：精确的几何相似要求好的模型师或好的加工设备，特别是油泥模型必须小心操 作，避免损坏表面和底部的细节：油泥模型温度不能过高。 ２．力学相似：对汽车空气动力学，力学相似此马赫数和雷诺数定义： Ｍ＝Ｕ／ａ（１） 佗）Ｒｅ＝观／ｙ 性系??。其中Ｍ表示马赫数，Ｒｏ表示雷诺数，Ｕ为试验风速，ａ为音速，三为模型的特征长度，Ｖ为运动粘 汽车风洞试验同时保证两个力学相似条件是不可能的。例如，典型的整车风洞气动力试验风速１４０ｋｍ／ｈ，对应的马赫数Ｏ．１１５：如果保证雷诺数相似，则ｌ／４模型风洞试验的风速需要５６０ｋｍ／ｈ，对应的马赫数０．４５９，而５６０ｋｍ／ｈ（＝１５６ｍ／ｓ）已经超出了低速风洞范畴。 显然，汽车模型风洞试验的力学相似需要一个折衷的方案。对于马赫数相似，只要保证Ｍ＜０．３的不可压缩条件即可，在此前提下，试验风速的选择主要根据雷诺数效应。 空气动力测控技术五届四次测控学术交流会论文集 ２．２汽车风洞试验的雷诺数效应 整车试验的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数量级１０“，如果风速相等，模型试验Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数根据模型缩比而成比例减小，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数对气动力测量的影响也不大，通常阻力测量值较整车风洞试验结果略大ｌ￣２％【ｌＪ。如果汽车风洞试验的雷诺数在１０７附近，即整车试验风速４０ｍ／ｓ，１／４模型试验风速６０ｍ／ｓ，由雷诺数差异引起气动力测量误差能够较好的被控制在１－２％的范围内。 但是雷诺数的问题仍然存在，汽车部件的尺度范围很广，即和形状也比较复杂，局部雷诺数的量级差别很大，这样总有一些局部气流处在临界状态边缘。所以一些微小的部件可能对气动性能产生较大的影响，有些轿车头部或尾部形状呈圆形且特征直径处在临界值附近，气动力测量受雷诺数影响增加【２１。 如果模型加工考虑了发动机舱和散热器等内流模拟，气动测量数据受雷诺数的影响更大。如图１所示为两种全尺寸发动机散热器的压力损失与雷诺数之间的关系，实验数据显示其临界风速大约在１５０ｋｍ／ｈ，如果使用１／４模型试验，２１６ｋｍ／ｈ（＝６０ｍ／ｓ）的试验风速的雷诺数相当于全尺寸试验的５４ｋｍ／ｈ，这样由发动机舱内流引起的阻力大大增加。 １０ ５０１００１５０２００Ｕｆｋｍ／ｈ 图ｌ雷诺数对两种散热器的阻力测量影响 ２．３降低雷诺数影响的方法 在汽车风洞中比较有效的降低雷诺数影响的方法有两种： １．增加湍流度：增大来流的湍流度可以降低雷诺数影响是空气动力学实验的基本技术，这里不再赘述。 ２．通用发动机舱模拟器［３１：如前所述发动机舱尤其是散热器的压力损失受雷诺数影响较大，如果按照几何相似制作发动机舱模型，无论如何精细，模型试验的总体阻力测量值与整车试验相比误差较大。文献建议采用通用发动机舱模拟器【３１，利用可调节的板阀模拟压力损失，只要保证模型与整车