吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (4): 1043-1053.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180226

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基于整车风洞试验的MIRA车型数值计算

周华1,2(),杨志刚1,2,3(),朱晖1,2   

  1. 1. 同济大学 上海地面交通工具风洞中心,上海 201804
    2. 上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室,上海 201804
    3. 中国商用飞机有限责任公司 北研中心,北京 102200
  • 收稿日期:2018-03-22 出版日期:2019-07-01 发布日期:2019-07-16
  • 通讯作者: 杨志刚 E-mail:zhouhua0987826@163.com;zhigang.yang@sawtc.com
  • 作者简介:周华(1987?), 女, 博士研究生. 研究方向:汽车空气动力学. E?mail:zhouhua0987826@163.com
  • 基金资助:
    上海市地面交通工具风洞专业技术服务平台项目(16DZ2290400);上海市重点实验室项目(18DZ2273300)

Aerodynamic calculation of MIRA model correlated with wind tunnel test

Hua ZHOU1,2(),Zhi⁃gang YANG1,2,3(),Hui ZHU1,2   

  1. 1. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China
    2. Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems, Shanghai 201804, China
    3. Beijing Research Center, Commercial Aircraft Corporation of China, Beijing 102200, China
  • Received:2018-03-22 Online:2019-07-01 Published:2019-07-16
  • Contact: Zhi?gang YANG E-mail:zhouhua0987826@163.com;zhigang.yang@sawtc.com

摘要:

为了明确稳态数值计算对于整车气动力,特别是车身表面压力的预测能力,首先以全尺寸MIRA车型整车风洞试验数据为基准,进行网格方案研究并得出结论、车身面网格为10 mm、5层边界层网格且第1层网格无量纲高度Y +=30可以满足网格无关性要求。然后,基于该网格方案进行数值计算后得到:无偏航工况下,阻力系数C D与试验值误差为0.34%,升力系数C L误差为1.06%;3°~20°偏航工况下,C D和侧向力系数C S误差分别不超过5%和9%,表明气动力计算准确性较高;车身表面254个测压点中,压力系数C P预测误差大于50%的测点个数基本不超过20%,其中误差较大的测点主要位于车身底部以及背风侧等流动较为复杂的区域。

关键词: 车辆工程, 气动力, 表面压力, 数值计算, MIRA车型, 风洞试验, 网格方案, 偏航工况

Abstract:

The prediction capability of steady numerical simulation on aerodynamic forces and surface pressure of generic vehicles was clarified. First, a detailed study on mesh scheme for MIRA reference car model was carried out with baseline data derived from full-scale wind tunnel test. Results show that the grid-independent strategy requires 10 mm for car surface mesh, Y +=30 for the first layer grid and 5 layers around the car. Based on this mesh scheme, aerodynamic force calculation of MIRA model could yield satisfactory predictions, that at 0° yaw, the error of drag coefficient C D from test data was 0.34%, error of lift coefficient C L 1.06%, and at 3°~20° yaw conditions, error of C D and side force coefficient C S were respectively no more than 5% and 9%, which indicate the reliability of aerodynamic forces computation for simplified cars like MIRA model. For surface pressure, of all 254 pressure taps all over the car, error of C P over 50% are less than 20%, while surface pressure was poorly calculated mostly where flow is so complicated that separation or reattachment tends to happen, such as the underbody and the leeward side..

Key words: vehicle engineering, aerodynamic force, surface pressure, numerical simulation, MIRA reference car model, wind tunnel test, mesh scheme, yaw conditions

中图分类号: 

  • U467.1

图1

MIRA阶梯背车型尺寸示意图"

图2

开口回流式风洞示意图"

图3

MIRA阶梯背车型风洞试验图"

图4

MIRA车型表面测压孔分布"

图5

MIRA车型内部测压孔塑料管线实物图"

图6

MIRA车体C D试验值随风速变化趋势"

图7

整车计算域示意图"

表1

数值计算边界条件"

边界条件 参数设置
近壁面处理 非平衡壁面函数
阻塞比/% 1.6
MIRA车型正投影面积/m2 1.858
速度入口/(km·h-1 80
压力出口 一个标准大气压
MIRA车身表面和地面 固定壁面
计算域侧面和顶面 对称壁面

表2

网格无关性研究参数"

变化参数 变化范围
车身面网格尺寸/mm 5~15
车身表面网格Y + 30~90
车身边界层网格层数 3~10
体网格数量/万个 1361~3753
网格加密形式 尾部加密和整车加密

表3

车身面网格变化的气动力计算结果"

面网格尺寸/mm 网格数/万个 ΔC D/% ΔC L/%
15 884 1.35 8.51
10 1726 -0.34 1.06
7.5 2731 -0.34 -1.06
5 5544 0.68 1.06

图8

不同面网格尺寸网格方案C P计算值误差"

表4

车身表面Y +值变化的计算结果"

车身表面Y + ΔC D/% ΔC L/%
30 -0.34 1.06
45 0 13.83
60 -0.68 26.60
90 -2.03 40.43

图9

不同Y+网格方案C P计算值误差"

图10

车身纵对称面上表面压力分布图"

图11

车身纵对称面下表面压力分布图"

表5

边界层网格层数变化的计算结果"

边界层层数 边界层厚度/mm ΔC D/% ΔC L/%
3 3.47 -0.34 6.38
5 6.74 -0.34 1.06
8 13.73 0.68 3.19
10 20.30 1.01 -2.13

图12

不同边界层网格方案C P计算值误差"

表6

网格疏密程度对计算结果的影响"

体网格总数/万个 ΔC D/% ΔC L
1361 0 -14.89
1726 -0.34 1.06
2662 0 -4.26
3753 -0.68 1.06

图13

不同体网格数量方案C P计算值误差"

图14

网格加密区域示意图"

表7

设置加密区的计算结果"

加密方式 网格数/万个 ΔCD/% ΔCL/%
不加密 1726 -0.34 1.06
尾部加密 2834 -0.34 4.26
整车加密 3621 -0.34 1.06

图15

不同体网格加密形式C P计算值误差"

图16

后风窗表面测压点C P计算与试验结果"

图17

行李箱盖表面测压点C P计算与试验结果"

图18

车尾端面测压点C P计算与试验结果"

图19

计算域中截面网格示意图"

图20

车身表面C P误差大于50%的测点"

图21

车身表面切应力流线图"

图22

尾部流场纵对称面上速度流线图"

图23

偏航工况计算域边界条件 (偏航角度θ)"

图24

偏航工况数值计算结果与试验值对比"

图25

车身表面和Z=0.5 m水平截面上压力分布"

图26

不同偏航角度工况下CP计算值误差"

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