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暴露的賽車車輪的流場研究

2019-09-10 14:09:23·  來源：AutoAero  
　
一.前言近幾年來，暴露的旋轉(zhuǎn)車輪的空氣動力學(xué)特性已經(jīng)在試驗和計算領(lǐng)域引起了人們的極大的興趣，人們已經(jīng)注意到暴露的賽車的車輪阻力，相對于整車阻力已達(dá)到35
一.前言
近幾年來，暴露的旋轉(zhuǎn)車輪的空氣動力學(xué)特性已經(jīng)在試驗和計算領(lǐng)域引起了人們的極大的興趣，人們已經(jīng)注意到暴露的賽車的車輪阻力，相對于整車阻力已達(dá)到35％到50％之間。但是由于將空氣動力學(xué)阻力與車輪和路面相互作用的復(fù)雜阻力的分離幾乎無法實現(xiàn)，所以升力的定量問題很困難。這篇論文所得到的結(jié)論，分別從定性和定量的角度，分析和比較了旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)的車輪流場特性上存在的物理差別。
 
二.試驗技術(shù)及配置
由于以往的研究強調(diào)了正確的車輪與地面接觸的必要性，因此本研究選擇了英國杜倫大學(xué)(Durham University)的0.85 m x 0.55m帶活動地面(MGP)或滾動路面的開式射流風(fēng)洞作為研究設(shè)施(圖1)。
圖1 風(fēng)洞設(shè)置
本研究使用了一個氣動輪胎總成。該輪胎實際上是一個標(biāo)準(zhǔn)的小型賽車前輪，之所以選擇它，是因為它的縱橫比與一級方程式賽車的前輪非常匹配。
 
圖2 多單元輪輞示意圖
 
由于氣動力與地面反作用力難以分離，傳統(tǒng)的力平衡測量方法難以實現(xiàn)。杜倫大學(xué)設(shè)計和開發(fā)了一個無線電遙測系統(tǒng)，使地面壓力數(shù)據(jù)能夠從一個旋轉(zhuǎn)的競賽車輪傳送到執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的主機(jī)上。
 
無線電遙測系統(tǒng)(圖3)是一種單向數(shù)據(jù)傳輸裝置，傳輸速率可達(dá)19.2kbps，相當(dāng)于每秒1200個壓力樣本。該系統(tǒng)由兩個主要部分組成:車載遙測板和車外遙測板。車載遙測板由電池供電，位于車內(nèi);車載遙測板與數(shù)據(jù)采集卡界面，由標(biāo)準(zhǔn)直流電源供電。
圖3 無線電遙測系統(tǒng)
圖4顯示了整個儀器系統(tǒng)的示意圖，并演示了遙測系統(tǒng)如何與實驗室主機(jī)連接。D/A和基準(zhǔn)觸發(fā)器連接到振幅PC30-PGH測井卡模擬通道，時鐘速度2MHz，可記錄8個12位差分通道。該卡還具有數(shù)字輸入/輸出通道，用于4位數(shù)字地址信息。參考觸發(fā)器提供每轉(zhuǎn)一圈的車輪位置脈沖，用于數(shù)據(jù)后處理階段，以便根據(jù)車輪位置對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確分組。表面壓力數(shù)據(jù)記錄在1600Hz，并使用一組匹配的250Hz二階模擬濾波器提供抗混疊。
圖4 儀器系統(tǒng)的示意圖
 
三、流場研究
 
采用刺頭直徑3.5mm、刺長50mm的5孔探針進(jìn)行流場研究。探頭為前向錐體型。所有結(jié)果均采用標(biāo)定圖或查表法。采用一套相同的傳感器技術(shù)108LP10D壓力感測器進(jìn)行點壓力測量，并在硅流體微壓力計上同時校準(zhǔn)。圖5所示為所穿越xy平面的流向位置，該平面位于車輪旋轉(zhuǎn)軸下游2.5直徑處。
圖5 
 
四、結(jié)論
流場研究是在距輪軸下游2.5直徑處進(jìn)行的。圖6和圖7分別為定輪和旋轉(zhuǎn)輪在z = 2.5D處的總壓時均線。
 圖6 
圖7
對比兩幅等高線圖可以看出，相對于旋轉(zhuǎn)輪(x/D = +/- 0.3, y/D =0.12)，靜止輪有兩個較低的壓力區(qū)域(x/D = +/- 0.6, y/D =0.1)，這有助于解釋與靜止輪相關(guān)的較高阻力。靜止尾流比旋轉(zhuǎn)輪更高、更窄的尾流低得多、寬得多。這些圖與壓力分布很好地相關(guān)，因為較晚的分離位置會導(dǎo)致流沿著車輪頂部的自由流流動，反之，與旋轉(zhuǎn)車輪的早期分離會導(dǎo)致更高的尾跡。
 
圖8和8分別示出了固定輪和旋轉(zhuǎn)輪的流向渦度（x）的時間平均等值線圖。這兩個圖顯示靜止輪后的渦流更強，這對應(yīng)于更高的能量吸收，因此已經(jīng)提到了更高的阻力。 旋轉(zhuǎn)車輪尾流中的渦流彼此更接近并且處于稍高的位置。 這可能是由于車輪旋轉(zhuǎn)引起的向上沖洗效應(yīng)。
圖8  
圖9
圖10和11分別示出了靜止輪和旋轉(zhuǎn)輪在z = 2.5D時的尾流中的時間平均速度矢量圖。乍一看，這些圖看起來幾乎相同，兩個圖都顯示了兩個區(qū)域，其中流動順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。
 圖10 
 圖11
靜止的車輪壓力分布顯示基礎(chǔ)壓力低于旋轉(zhuǎn)殼體的基礎(chǔ)壓力，并且由于流動被附著直到大約230度，因此在車輪頂部存在負(fù)壓。在車輪下游進(jìn)行流場調(diào)查（z = 2.5D）。結(jié)果表明，固定輪比旋轉(zhuǎn)殼體具有更寬，更低的尾流，并且存在兩個較低壓力區(qū)域。流動渦度等值線圖顯示旋轉(zhuǎn)輪殼中的渦流要弱得多。壓力分布和流場調(diào)查的結(jié)果與流動的關(guān)鍵特征非常一致。
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