基于试验与仿真的汽车风洞模型支撑气动干扰扣除方法

摘要

基于试验与仿真的汽车风洞模型支撑气动干扰扣除方法属汽车风洞试验技术领域，本发明通过进行两次的风洞试验，扣除风洞中模型支撑本身所受到的气动力，以及由于汽车模型存在而对支撑的干扰量，并通过计算流体力学数值仿真的方法，对风洞中有无支撑的情况进行计算，通过气动力的差值和修正获得模型支撑对汽车模型的气动干扰量，通过风洞试验数据和数值仿真的数据完成对汽车风洞中模型支撑气动力及其干扰的扣除，实现汽车风洞中汽车模型的气动力的测量；本发明进行单纯风洞试验无法完成的风洞试验段的数值仿真，可弥补风洞试验的局限性，通过数值仿真与试验的结合，可修正模型支撑的气动干扰量，保证风洞试验结果更加真实准确。

说明书

技术领域

本发明属汽车风洞试验技术领域，具体涉及一种用于在装备宽移动带地面效应模拟系统的汽车风洞中进行试验时扣除模型支撑气动干扰的方法。

背景技术

汽车风洞是进行汽车空气动力学试验的重要试验设备，对于配备有宽带式移动带地面效应模拟系统的汽车风洞来说，汽车模型的支撑都会暴露在流场中，因此模型支撑的干扰必然存在，这就要进行风洞模型支撑干扰的扣除。航空风洞有比较成熟的单纯试验的方法，来扣除试验时模型支撑的气动力和气动干扰，经典的基于镜像法的方法是两步法和三步法。基于镜像法的支撑干扰扣除方法需要模型支撑有小的扰动，并且两个镜像支撑之间的距离较远，两者的相互干扰尽可能的小。航空风洞试验可以通过进行风洞试验，完全消除支撑的气动力，以及支撑对模型气动力的干扰。但是对于配备宽带式移动带地面效应模拟系统的汽车风洞的模型支撑气动干扰的扣除来说，很难通过试验的方式实现镜像法，并完全扣除支撑的气动干扰。汽车风洞中很难实现航空风洞中两步法和三步法的试验，因此需要提出一种适合进行这种汽车风洞的模型支撑气动干扰扣除方法。

发明内容

为了对汽车风洞试验时支撑的气动干扰进行扣除和修正，同时为了克服试验的局限性，本发明提出一种基于风洞试验和计算流体力学数值仿真相结合的风洞支撑干扰扣除方法。首先根据传统航空风洞扣除支撑干扰的镜像法，提出了风洞扣除支撑气动力的试验方法。结合数值仿真，对风洞中安装模型支撑和不安装模型支撑的情况进行数值仿真，获得模型支撑对汽车模型的气动干扰量，该干扰量通过修正，作为风洞试验时模型支撑的干扰量。结合风洞试验的结果和数值仿真的结果，最终获得通过风洞试验并修正的，或者说获得理想的风洞无支撑情况的模型气动力的试验数据。

一、本发明包括下列步骤：

①将天平3上的汽车模型1与模型支撑2连接，在汽车风洞中进行第一次风洞试验，获得汽车模型1与模型支撑2以及它们之间相互干扰的气动力试验数据。

②将天平3上的汽车模型1与模型支撑2断开，通过一种对支撑气动干扰小的模型辅助固定装置4，将汽车模型1固定在风洞试验段的地面上，进行第二次风洞试验，获得模型支撑2及汽车模型1对模型支撑2干扰的气动力试验数据。

③通过数据处理，将步骤①和步骤②获得试验数据相减，获得扣除了支撑气动力的但包含模型支撑2对汽车模型1干扰的汽车模型的气动力。

④在计算流体力学软件中建立风洞的数字模型，对风洞有支撑情况的试验进行数值仿真，数据处理后获得与步骤③一致的仿真数据。

⑤在上述仿真过程的基础上，去掉模型支撑2在空风洞中进行数值仿真，获得风洞中没有模型支撑2时汽车的气动力。

⑥将步骤④和步骤⑤获得的仿真数据相减，获得汽车风洞中支撑的存在对模型气动力的干扰量。通过归纳总结，将这种干扰量修正后作为风洞试验的干扰修正量。

⑦通过将步骤③获得的试验数据减去步骤⑥获得的修正量，最终获得汽车风洞中无模型支撑2干扰情况下的汽车模型气动力数据。

二、上述步骤的相关具体表达式

1.步骤①中所述的汽车模型1与模型支撑2以及它们之间相互干扰的气动力试验数据，其表达式为：

F_a＝F_m+F_s+F_m.s+F_s.m                  (1)

式中：F--测量的气动力(不同的下标代表不同的气动力)；m--试验汽车模型；s-模型支撑；m.s-汽车模型对模型支撑的干扰；s.m-模型支撑对汽车模型的干扰；a--第一次风洞试验

2.步骤②中所述的模型支撑2及汽车模型1对模型支撑2干扰的气动力试验数据，其表达式为：

F_b＝F_s+F_m.s                            (2)

式中：F--测量的气动力(不同的下标代表不同的气动力)；s-模型支撑装置；m.s-汽车模型对模型支撑的干扰；b--第二次风洞试验。

3.步骤③中所述的步骤①和步骤②获得试验数据相减，其表达式为：

F_a-F_b＝F_m+F_s.m                       (3)

4.步骤④中所述的仿真数据，其表达式为：

F’_a＝F’_m+F’_s.m    (4)

式中：F’--通过仿真获得的气动力，不同的下标代表不同气动力。

5.步骤⑤中所述的风洞中没有模型支撑2时汽车模型的气动力，其表达式为：

F’_b＝F’_m                       (5)

6.步骤⑥中所述的将步骤④和步骤⑤获得的仿真数据相减，其表达式为：

F’_a-F’_b＝F’_s.m                          (6)

7.公式(1)、(3)中的模型支撑3对汽车模型2试验时的气动力干扰量，其表达式为：

F_s.m＝(1-λ)·F’_{s..m fastback}    (7)

式中：F_s.m--模型支撑对汽车模型试验时的气动力干扰量；F’_s.m fastbac--数值仿真获得的模型支撑对快背式汽车模型的气动力干扰量；λ--车辆的体积因子。

三、表达式(7)中的车辆的体积因子λ与具体车型的对应关系

MIRA快背式车型和SAE快背式车型λ＝0；MIRA阶背式车型λ＝0.2；MIRA方背式车型λ＝1.3；MIRA皮卡式车型λ＝0.75；SAE阶背式车型λ＝0.3；SAE方背式车型λ＝0.8。

本发明的有益效果在于：进行单纯风洞试验无法完成的风洞试验段的数值仿真，可弥补风洞试验的局限性，通过数值仿真与试验的结合，可修正模型支撑的气动干扰量，保证风洞试验结果更加真实准确。

附图说明

图1为第一次风洞试验示意图

图2为第二次风洞试验示意图

图3为第一次数值仿真示意图

图4为第二次数值仿真示意图

其中：1.汽车模型  2.模型支撑  3.天平  4.模型辅助固定装置

具体实施方式

本发明首先需要进行两次风洞试验。在第一次风洞试验时，将汽车模型1通过风洞侧部的模型支撑2固定，完成风洞试验(如图1所示)。在第二次风洞试验时，将汽车模型1与模型支撑2的连接断开，同时使用一种模型辅助固定装置4将汽车模型1固定在汽车风洞的试验段地板上(如图2所示)。固定汽车模型1的方式要简单，并尽可能减小对汽车模型及周围流场的干扰。该方法本身不测量汽车模型1的气动力，同时分析时忽略汽车模型1的底部的模型辅助固定装置4的部件对风洞模型支撑2的气动力的影响。

由图1和图2中可以分析出：

对于第一次风洞试验(图1)，所测量的气动力为：

F_a＝F_m+F_s+F_m.s+F_s.m                  (1)

对于第二次风洞试验(图2)，所测量的气动力为：

F_b＝F_s+F_m.s                       (2)

式(1)和式(2)中：F--测量的气动力(不同的下标代表不同的气动力)m--试验汽车模型；s-模型支撑；s.m-模型支撑对汽车模型的干扰；m.s-汽车模型对模型支撑的干扰 a--第一次风洞试验，b--第二次风洞试验。

对式(1)和式(2)分析可知：即使用F_a-F_b也不能获得汽车模型1的气动力，仅能得到汽车模型1本身和由于模型支撑2对汽车模型1产生的干扰。

F_a-F_b＝F_m+F_s.m                                   (3)

对于汽车风洞试验来说，模型支撑2对于汽车模型1本身的气动干扰并不能够忽略。从现有试验装置和设备以及经验来看，很难从试验方式上实现把模型支撑2对汽车模型1干扰进行分离，扣除模型支撑2对汽车模型1的干扰量。

上述缺陷，可通过两次风洞试验的数值仿真来弥补，具体过程是：

建立与进行试验风洞几何外形一致的汽车风洞数字模型，应用该模型进行计算流体力学数值仿真，仿真的过程同样分两步：

由图3和图4可知：

对于第一次数值仿真，可以通过数据处理获得如下气动力数据：

F’_a＝F’_m+F’_s.m                    (4)

对于第二次数值仿真，可以通过数据处理获得如下气动力数据：

F’_b＝F’_m                                    (5)

式(4)和式(5)中：F’--通过仿真获得的气动力，不同的下标代表不同气动力；a--第一次数值仿真；b--第二次数值仿真。

由式(4)和式(5)可知：用F’_a-F’_b能够得到模型支撑2的存在对汽车模型1产生的干扰。

F’_a-F’_b＝F’_s.m                                (6)

模型支撑2对于不同尾部外形的汽车模型的气动干扰是不同的。如果汽车的尾部不同，最大的影响车辆的特征参数是车辆的体积，很多修正方法提到了应用被测模型的体积作为修正的变量。但是对于风洞支撑或汽车试验来说，体积并不是很容易获得的变量。因此本发明引入了体积因子λ的概念，可根据试验模型的尾部形状和几何参数，确定其体积因子λ。有下面公式：

F_s.m＝(1-λ)·F’_{s..m fastback}                      (7)

式中，F_s.m--模型支撑2对汽车模型1试验时的气动力干扰量；F’_{s..m fastback}--模型支撑2对快背式汽车模型1的气动力干扰量；λ--车辆的体积因子。

对于汽车风洞的模型支撑干扰研究来说，就是需要确定一些快背式车型的气动干扰量，并确定其它车型的体积因子。

车辆的体积因子λ与具体车型的对应关系如下：

MIRA快背式车型和SAE快背式车型λ＝0；MIRA阶背式车型λ＝0.2；MIRA方背式车型λ＝1.3；MIRA皮卡式车型λ＝0.75；SAE阶背式车型λ＝0.3；SAE方背式车型λ＝0.8。

综上分析，可以通过公式(6)，得到公式(7)的结果，将公式(7)的结果代入公式(3)，就可以得到扣除了模型支撑干扰的气动力。

该方法是汽车风洞中修正支撑干扰的通用方法，在进行大量典型轿车试验和仿真研究的基础上，可以简化支撑干扰扣除的程序，仅通过经验积累的公式(7)获得支撑对模型气动力的干扰，最终获得风洞试验的数据。