PIV技术在汽车模型风洞中的应用.pdf

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1、PI V技术在汽车模型风洞中的应用33 国家863计划项目(2007AA04Z122)资助。原稿收到日期为2008年3月28日,修改稿收到日期为2008年8月18日。陈细军,谷正气,何忆斌,袁志群,于天恒(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)摘要 运用粒子图像测速(PI V)技术对某类车体纵对称面内的尾部流场进行测量;研究了不同雷诺数下尾部流场的变化,并对速度场和涡量场进行定量分析。结果表明PI V技术用于汽车周围复杂流场的测量具有很强的优势,将成为汽车空气动力学试验的一种新的研究方法。关键词:粒子图像测速;汽车风洞;尾部流场;空气动力学The Applicati

2、on of PI V Technology in Automotive W ind TunnelChen Xijun,Gu Zhengqi,He Y ibin,Yuan Zhiqun&Yu TianhengHunan University,State Key Laboratory of Advanced Design and M anufacturing forVehicle Body,Changsha410082 AbstractParticle I mage Velocimetry(PI V)technology is applied to measure the wake flow fi

3、eld in thelongitudinal symmetry plane of a car2like body.The change in wake flow field at differentReynolds numbers is stud2ied and the velocity and vorticity fields are quantitatively analyzed.The results suggest that PI V technology hasstrong advantage in measuring complicated flow field around a

4、vehicle,and will become a new research method inautomotive aerodynamics test.Keywords:particle i mage veloci metry;automotive wind tunnel;wake flow field;aerodynam ics前言粒子图像测速技术(particle image veloci metry,PI V)1是利用图像处理技术发展起来的一种流动测量技术。它克服了以往空间单点测量的局限,能够进行平面二维或空间三维流场测量,是一种非接触的、瞬态、全场流场测量的新技术。汽车空气动力特性直

5、接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性2。为了改进汽车空气动力学特性,全球汽车工业界都投入了巨大的人力、物力对汽车内外流场及流动机理进行研究,而风洞试验是汽车空气动力学研究的重要方法之一。传统的流态显示、单点测量技术等为了解汽车周围流场的流动机理、湍流结构等方面做出了很大贡献,提供了大量的实验数据3,但汽车是有着复杂曲面造型的运动体,其周围的流场结构极其复杂,这些技术方法仍然不能满足更深层次流动机理、湍流特性研究的需要,突显出局限性。PI V技术作为研究各种复杂流场的一种基本手段,已广泛应用于各种流动中,从定常到非定常、低速到高速、单相到多相4,突破了空间单点测量的局限,可

6、在同一时刻记录整个测量平面的有关信息,从而获得流动的瞬时速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等,因此,PI V技术很适合湍流结构复杂的流场测量5。文中针对HD22回流闭式汽车模型风洞中,首次尝试运用PI V技术对某类车体的尾部对称面内的流场进行测量,并分析尾部流场的结构及速度场、涡量场。1PI V的基本原理及系统组成111PIV的基本原理PI V的基本原理是:在流场中散播示踪粒子,用脉冲激光片光源照射所测流场区域,通过连续两次或多次曝光,粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上,摄取该区域粒子图像的帧序列,并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔,进行图像相关分析,识别示踪粒子图像的位移,求得流

7、体的运动速度,进一步处理分析就可得到整个流场的速度场、涡量场、流线等流场特性参数分布,上述原理如图1所示。图1PI V系统原理112PIV系统的组成PI V系统主要由成像系统、图像分析系统、示踪粒子添加系统组成。成像系统由激光器、片光元件、光臂、激光脉冲同步器、CCD摄像机组成;图像分析系统主要由图像采集板、图像分析软件及计算机组成;示踪粒子添加系统由示踪粒子和烟雾发生器组成。2 试验设备与方案211 试验风洞与模型试验在HD22汽车模型风洞中进行。该风洞是双列单回流闭式,试验段的横截面为矩形,宽3m,高215m,面积为715m2,高速试验段的长度为17m,最大风速为58m/s,收缩比312。

8、试验段的流场参数如表1所示。表1 风洞流场品质参数名称数据备注速度不均匀性 1%占截面面积76%以上方向不均匀性 015 015五孔探针测量紊流度012%热线风速仪测量高速试验段轴向静压梯度01000 11(m-1)01000 16(m-1)风速45m/s时风速30m/s时图2 试验模型类车体模型缩尺比例为13,试验模型是根据CAD数据模型通过数控机床加工而成。模型的长为1 530mm,宽为768mm,高为480mm,模型的表面涂以亚光黑漆,防止模型表面反光,影响测量结果,试验模型见图2。212PIV系统设备本试验的PI V系统由HD22汽车风洞试验平台提供,采用PI V专用双脉冲激光器作为成

9、像光源,单脉冲能量为500MJ,产生532nm的绿光,最高工作频率为10Hz,片光厚度小于1mm。CCD相机的分辨率为4 0002 672(11M),最小曝光时间间隔小于1s,采集速率5帧/s,图像采集板的传输速率大于500M/s;采用粒子图像测速系统实时分析软件,进行实时采集、控制和PI V互相关计算及数据分析。213PIV试验方案设计根据模型风洞的试验条件,风洞试验段的顶部有透明天窗,侧壁面由透明玻璃组成。试验模型安装在汽车六分力天平处,模型的纵对称面与风洞的中心面重合。采取的方案是:激光器放置于风洞顶部,激光从风洞顶部的天窗往风洞里打,且片光平行来流方向,CCD相机置于风洞外侧,拍摄垂直

10、片光平面的切面流场。这样布置一方面有利于片光内速度场的获取,另一方面不会对风洞流场产生干扰,保证了测量精度。图3为试验方案布置示意图。图3 试验布置示意图214 示踪粒子在PI V试验中示踪粒子的投放和选择是十分重要的。为了能够准确测量高速流动、湍流和分离流等复杂流动,示踪粒子必须具备4:良好的跟随性;对所用激光有较高的散射率;而且在测量域内散播的示踪粒子浓度必须恰当。同时投放装置要能满足全截面范围的试验要求,另一方面又要满足投放装置不能干扰试验段流场的要求。在这次试验中,采用气压式雾化4喷嘴烟雾发生器,发出粒子等效直径小于1m。烟雾发生器放置在风洞的试验段出口处,这样使得投放的粒子在风洞中循

11、环,保证了粒子的浓度均匀。3 试验结果与分析试验中测量区域为模型纵对称面(X-Y平面)的尾部区域,测量的坐标系位于模型的尾部,具体如图4所示。分别测定风速为20、25、30和35m/s时的尾部流场,取模型长度为特征长度,对应的雷诺数为2101106、2152106、3102106和3152106。图4PI V测量区域(尺寸单位:mm)图520m/s流线图(Re=2101106)图5 图8分别表示瞬态流场的时间统计平均速度流线图。从中可以看出,整个尾涡的回流区延伸到X=240mm处,尾部涡系的形状、大小、位置随着雷诺数的不同而变化。为了便于分析,把靠近尾部上边缘的涡定为涡A,下边缘的涡定为涡B。

12、在雷诺数为2101106时,尾部已形成两个方向相反的涡,其中涡A比涡B大,如图5所示。在图6中,涡A由于受尾部上边缘强大剪切流的作用,使得涡核顺着下游方向移动;由于受下缘剪切流的作用,使图625m/s流线图(Re=2152106)图730m/s流线图(Re=3102106)图835m/s流线图(Re=3152106)得涡B沿上游方向移动,最终两个涡的核心大致在同一X坐标位置(X=110mm)。随后,在雷诺数为3102106时,两个涡基本处于稳定状态,并且都具有一定的强度。在图8中,随着雷诺数的进一步增大,涡B已经扩散并消失了,涡A仍然存在,并保持一定的强度,其涡核由于受上部强大气流和涡B破裂的

13、相互作用,使得位置沿主流方向移动。为了进一步揭示尾部流场湍流结构的变化,选取在风速30m/s,即雷诺数为3102106时的瞬态涡量场进行定量分析。图9 图14分别为t=0、015、1、115、2、215s时刻的瞬时涡量场。图9t=0瞬时涡量场图10t=015s瞬时涡量场从图9 图14中可以发现尾部流场在不同的时刻,具有不同的形状,湍流形态复杂并且涡量的峰值也不断变化。整个涡结构的空间分布一直沿伸到X=440mm附近,并且在不同时刻涡量值不断地变化。从涡量场分布中还可以看出,在尾涡中,顺时针方向的涡量(涡量为负值)的峰值基本上是逆时针(涡量为正值)峰值的4倍,并且涡占据空间区域大,这主要由于车顶

14、部、侧面的高速气流混合,并且流量大,在流向车身尾部时,产生很大分离,形成高强度的尾部涡,而车底部气流,由于流量相对较小,在卷入尾流中,所形成的尾涡强度较小。总之,通过瞬态图11t=1s瞬时涡量场图12t=115s瞬时涡量场图13t=2s瞬时涡量场涡量场的分析,发现尾部瞬态涡量的变化剧烈,湍流结构复杂。在不同时刻,高涡量区变化也十分剧烈,尤其在靠近车尾边缘处和在沿流向440mm附近。图14t=215s瞬时涡量场4 结论在汽车模型风洞中,利用PI V系统,成功地对某类车体的尾部对称面内的流场进行了测量。通过对测得的速度场、涡量场分析,得出尾部流场流动复杂,并随雷诺数的增大而表现出不同的形态;尾部涡

15、的形态随时间的发展而表现复杂的结构。这些试验结果表明:(1)PI V技术既具备了与LDV等单点测量仪器相当的分辨率,又可以得到整个测量平面内流动的瞬时速度场、涡量场、流线图和脉动速度、湍流度等有关信息,因此PI V技术对于研究具有涡流、湍流等复杂流动现象具有重要意义。(2)PI V技术可以得到连续多幅测量结果,便于研究一些复杂流动的时间历程;通过对连续多幅测量结果进行平均,可以得到时间统计平均意义下的测量结果,为深入研究复杂流动提供重要基础。总之,PI V作为一种非接触式的、瞬态的、全流场测量的新方法,在汽车空气动力学中具有重要意义。为进一步研究汽车周围复杂的流场特性、尾涡的湍流结构及汽车的气

16、动特性提供了有利条件。参考文献1RafferlM,W illertC,Wereley S,et al.Particle I mageVelocimetry(Second Edition)M.Springer2Verlag Berlin Heigelberg NewYork,2007.2 谷正气.汽车空气动力学M.北京:人民交通出版社,2005.3Jinseok Kim,Sungcho Kim,Jaeyong Sung.PI V Measurements oftheWakeBehind a RearBodyof a RoadVehicleC.6th Interna2tional Symposium on Particle I mage Velocimetry,2005.4 石惠娴,王勤辉,骆仲泱.PI V应用于气固多相流动的研究现状J.动力工程,2002,22(1).5 刘宝杰,王光华,高歌.PI V在低速风洞中的应用J.流体力学实验与测量,1998,12(2).