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（西安航空技术高等专科学校 XXXX 陕西 西安 710077）
【摘要】 论述了在 1 m 量级风洞中进行汽车模型实验的有关技术问题, 分析了厢式货车安装导流罩等气动附
件后, 气动阻力特性的变化情况, 为在小风洞中进行汽车模型实验开辟了一条路径, 为减小厢式货车的气动阻力提 供了行之有效的方法。
关键词: 风洞 导流罩 气动阻力 前言
风洞实验是汽车空气动力学研究的重要手段。利用实车或大尺寸模型在大量级风洞中进行实验可获得较精确的实验结果, 但要耗费大量的实验费用。利用 1 m 量级风洞进行实验研究, 是一种尝试, 为利用小风洞进行汽车模型实验开辟一条可借鉴的行之有效的途径。 1实验条件的设计
1.1风洞及天平的技术指标
实验所用的风洞为单回流式开口风洞, 出口为1 m×1.2 m矩形切角截面, 截面面积为1.12㎡, 实验段长度为2m , 最大风速为40m/s, 平均气流偏角小于0.1°紊流度小于 0.3% , 压力梯度小于 0.01,风速利用晶闸管调速装置进行无量级调节。气动力的测量采用风洞中原配装置的杆式六分量应变天平, 其阻力量程为±150 N , 升力量程为±400 N , 侧向力量程为±200 N , 天平精度为3‰。 1.2 实验条件 1.2.1 地板尺寸
汽车在路面上运动, 要受到地面的干扰, 要真实地模拟, 必须在模型的底部安装与来流速度同向运动的地板, 这样实现起来比较困难。我们采用固定地板, 但地板上会产生逐渐增厚的边界层, 该边界层将对模型的底部气流产生影响, 造成实验气动力与实际气动力的偏差。为消除边界层的影响, 我们采用了在模型前开后斜 45°并在板下安装导流片的斜槽,如图1 所示。在40 m/ s的风速下, 可使边界层减薄50%。为进一步减小边界层的影响, 可适当地调整模图1模型的安装简图型与地板的间隙。平板紊流边界层的位移厚度
σ= 0.0462R其中 R ex =vx/v，x值为模型长度和模型前平板长度之和。研究表明, 当地板边界层的位移厚度与间隙之比σ/Δ8.%时, 模型底部的压强分布不受边界层的影响。通过改变模型轮子垫片的高度以保证σ/Δ8.%这一方法, 适当地调整间隙, 可使气动力的测量结果与实际情况相一致。地板尺寸的设计参考了有关文献, 模型前部地板的长度不小于模型的宽度, 模型后部地板的长度不小于模型宽度的4～6,地板的宽度不小于模型宽度的2倍。地板宽度和长度对模型气动阻力系数
的影响, 我们进行了实验, 其结果表明: 地板宽度只要超过模型
宽度的2倍, 对Cx几乎没有影响; 而长度则有影响, 地板越长影响越小, 当长度超过一定值时, Cx趋向定值。其原因是显而易见的, 短地板对模型尾涡区的影响要大于长地板对模型尾涡区的影响。因此, 在条件允许的情况下, 应尽量加长地板。 11212 雷诺数R e
图 2 阻力系数Cx 和
雷诺数R e 的关系对于常态下的空气,当速度不超过 100 mö s时, 是可以忽略其压缩性的, 此时的动力相似准则可只考虑其雷诺数相等,即汽车运行的雷诺数与模型实验的雷诺数相等时,二者的动力系数一样。但在小风洞中做汽车模型实验, 要达到实车运行的雷诺数, 必须大幅度地提高风速, 这在低速风洞中是难以实现的。根据实验理论,雷诺数有一个自模区, 即当模型实验的雷诺数超过某一数值时, 其动力系数基本保持不变。美国汽车工程师学会推荐的汽车模型实验的雷诺数应不小于0.7×10﹡6,日本专家建议的自模雷诺数是 015×106。我们实验的结果表明, 当雷诺数超过 0.5×10﹡6时,阻力系数Cx 趋向一定值, 如图 2 所示, 即进入了雷诺数的自模区。我们用1∶8～ 1∶10 的汽车模型, 在40 /s的风速时实验得到雷诺数为 0.58×10﹡6～0.67×10﹡6, 故实验结果是可靠的。 1.2.3 堵塞比
堵塞比是模型的迎风面积与实验段截面面积之比。显然, 要获得可信的数据, 堵塞比不能过大。飞行器模型实验规定, 堵塞比不能大于 5% , 而对于汽车风洞实验, 尚缺乏统一的规定。日本的有关研究表明, 当模型的高度与实验段的高度之比、模型的宽度与实验段的宽度之比都不大于40%, 堵塞比又在12.5%以下时, 其实验结果的精度满足工程精度。我们的实验结果也验证了此结论。这就为在小风洞中进行汽车模型实验解决了既要满足雷诺数大到进入自模区, 又不要因堵塞比过大而造成测量结果不可靠的矛盾。本实验采用1∶8～1∶10缩比模型, 模型高度为风洞实验段高度的38%,宽度为实验段宽度的20% , 堵塞比为8% ,可满足对堵塞比的要求。
2 实验内容和实验结果
2.1 模型长度与阻力系数之间的关系由气动实验理论可知, 模型的长度对气动阻力系数有影响的。在人们的想象中, 认为模型越长,阻力应该越大。为找出模型长度对阻力系数的影响 程度, 我们采用长方体的简易模型做了实验, 长度从114 m 逐渐缩减到018 m。实验结果表
明, 气动阻力系数Cx 与人们想象的情况相反, 随着长度的增大而减小, 如图3 所示。从图中还可看出, 当长度增加到某一数值时, 阻力系数Cx 曲线趋向平直, 即阻力系数Cx 保持不变, 说明汽车有一个最佳气动阻力长度。因此, 设计汽车时, 在考虑诸多因素的情况下, 应 尽量加长车身, 以减小汽车阻力。
2.2 厢体与驾驶室之间的间隙对阻力系数的影响汽车驾驶室与厢体之间的间隙是汽车设计中要考虑的重要参数之一。单从气动角度看, 间隙过小或过大对气动阻力都是不利的。为找到某厢式货车气动阻力最小的最佳间隙, 我们用该车的 1∶10 缩比模型, 在间隙尺寸为 70～120 mm 的范围内进行实验。实验结果表明, 阻力系数随着间隙的增大而减小, 其趋势
如图 4 所示。从图中可看
出, 120 mm 的间隙还不是最佳间隙, 对该种厢式货车, 其最佳间隙还要大。尽管由于实验条件所限, 我们还没有找出最佳间隙, 但从实验结果, 我们已验证了驾驶室与厢体之间的间隙不是越小越好, 而是存在一个气动阻力最小的最佳间隙。 2.3 导流罩的减阻效果
对于厢式货车, 加装导流罩对减小气动阻力的效果是非常明显的。对6 种不同类型的厢式货车分别安装不同形状和结构的导流罩, 如图5 所示, 并在改变安装状况的条件下, 进行多次实验, 气动阻力系数Cx 的减小范围为 15%～ 33% , 从而得出如下结论:① 不同形状和结构的导流罩, 其减阻效果明显不同, 气动阻力系数减小的差异在 12%左右。最好的阻力系数减小33% , 最差的阻力系数减小15%。② 同样形状和结构的导流罩, 空心薄壁型导流罩比实心块状导流罩的导流效果要好, 阻力系数减小的差异在5%左右。③ 导流罩尾部高度对气动阻力系数Cx 的影响也是很大的, 对于同一类型的厢式货车, 车头与厢体高度之差是一定的, 导流罩的尾部高度 h 并不是当其等于车头与厢体高度之差时为最好, 而是存在一 个最佳安装高度, 其影响如图6 所示, 阻力系数减小的差异为5%～ 8%。
④ 导流罩与驾驶室顶面的间隙对气动阻力系数也有影响, 没有间隙或间隙过大, 都会使气动阻力系数增加, 也存在一个最佳间隙。⑤ 导流罩的宽度对气动阻力系数的影响也是很明显的, 对于同一种厢式货车, 存在一个最佳匹配间隙。⑥ 导流罩与厢体之间的间隙大小对气动阻力系数也是有影响的。实验表明, 最佳形状和结构的导流罩, 在最佳位置、最佳间隙、
最佳宽度的情况下, 气动阻力系数Cx从0.63 降至0.42, 降低33%。为检验上述实验研究的结果, 我们对 3 种不同型号的厢式货车进行了安装导流罩的实车试验, 其结果是令人满意的。第一种车型为斯太尔厢式货车, 厢体高度为4 m , 车头与厢体的高度差为 0.8 m , 模型缩比为1∶10, 经过风洞实验的筛选, 再加上安装和美观的考虑, 我们选用了气动阻力系数Cx 减小 17%的一种导流罩, 经实车实验, 经过百公里等速(80 km/ h)实车测定, 节油 6% , 超过了引进的斯太尔原装导流罩节油 5%的指标, 最大车速和稳定性都有明显提高。第二种车型是斯太尔底盘改装的邮车, 厢体高度为3.8 m , 厢体略有加宽, 厢体与车头的高度差为 0.7 m , 模型缩比为 1∶10, 经风洞实验, 选用气动阻力系数Cx 降低 16%的导流罩, 经装实车测百公里等速(80 kmö h)油耗, 节油 6% , 操作性能也有明显改善。第三种车型是小车头解放牌车底盘改装的邮车, 厢体高度为 2.75 m , 车头与厢体的高度差为0.7 m , 模型缩比为1∶8, 风洞实验是在车头与厢体间隙一定的情况下进行的。实验结果是, 最好导流罩, 在最佳位置、最佳间隙的情况下, 气动阻力系数Cx 由 0.643 降至 0.503, 减小 21.8%。经装实车测百公里等速油耗, 当车速为 70 km/ h 时, 节油8.1%; 当 80 km/ h 时, 节油 8.5% , 最大车速提高5.3% , 操作性能和稳定性也大大提高。以上3 种车型安装导流罩的实车测试结果表明了风洞实验的结果是准确可靠的, 说明了本文实验的设计和方法是正确的。 3 结论
(1) 利用小风洞, 合理地设定实验条件, 选择适当的雷诺数R e, 使R e 大于 5×105; 堵塞
比不大于12.5% , 且保证模型的高度与实验段的高度之比、模型的宽度与实验段的宽度之比都不大于 40% , 可获得较满意的实验结果。(2) 在不同类型的厢式货车上安装导流罩, 导流罩的形状、结构及安装位置、尾部高度和间隙等,都必须依靠风洞实验来确定; 只要选择和安装最佳,可大幅度降低气动阻力系数, 提高最大车速和操作的灵活性和稳定性。
(2) 参 考 文 献
(3) 1 孔珑. 工程流体力学. 北京: 中国电力出版社, 1999. 268 ～ 272
(4) 2 徐永定, 韩家琨. 风洞地板边界层厚度控制新方法. 空气动力学学报, 1991, 9 (3) :
361 ～ 366
(5) 3 傅立敏. 关于改造航空风洞为汽车试验风洞的技术探讨. 汽车技术, 1991 (9) : 15～
19
(6) 4 杜广生. 汽车空气动力学. 济南: 山东工业大学出版社, 1994.
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