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机动车风洞流场的检测方法徐文劼【摘要】讨论了机动车风洞试验中有关风速和流场品质的检测方法,介绍了测试手段的原理和特性.结合风洞实验室中流场的几种主要技术参数,分析并介绍了与之相适应的测试方法,为相应领域的实际应用提供参考.【期刊名称】《上海计量测试》【年(卷),期】2018(045)006【总页数】4页(P4-7)【关键词】风洞实验室;流场品质;风速检测【作者】徐文劼【作者单位】上海市计量测试技术研究院【正文语种】中文0 引言机动车风洞实验室是针对整车进行环境试验的大型试验场所。
它通过风机和经过设计的管道产生人造风场，可模拟各种行车环境中遇到的空气阻力、噪声、热力学状态，再配合其他设备可进一步模拟天气环境和日照辐射等。
机动车风洞试验涉及测试车辆的安全性、稳定性、极端气候环境下的可靠性，同时对车辆的外形设计、底盘设计、动力损失控制、节能减排等方面都需要参照机动车风洞试验的结果。
机动车风洞实验室造价昂贵、设备复杂、设计要求较高。
2009年9月国内第一座机动车风洞实验室在上海同济大学建成，填补了国内机动车研发设计领域的多个空白。
2016年，上汽集团投资在上海嘉定建成一座大型机动车风洞实验室。
随着国内各类风洞实验室陆续建成，厂商的各类检测需求也日益增长，而相关领域计量检测技术尚不成熟，关于机动车风洞流场的检测方法急需创新和完善。
1 风洞实验室主要技术参数及流场品质指标风洞实验室是多设备协作的环境试验系统，以上汽风洞实验室为例，所涉及的主要技术参数见表1。
由表1可见，一个成熟的机动车风洞实验室其功能是较为多样和复杂的，通常在样车试验中会根据研究方向，选择一些主要影响参数进行模拟。
如图1所示，风洞实验室主要通过风机和管道协作，产生一个连续的风场，其中试验段的流场品质是影响整车实验的关键，也是测试人员关注的核心区域，本文仅探讨针对该区域流场品质的检测方法。
风洞实验段的流场品质主要涉及气流速度分布的均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声等级等参数。
汽车外形和风阻的测试摘要：风阻系数是不是越小就越好，为什么车商要反复强调他的车风阻系数比跑车还小，为什么有些车主要在车尾装上一支大大的尾翼，或许有些专业的车主会振振有词地告诉你。
这是考虑到了空气动力学的原理。
话是没有错,但是实际上车辆应用的空气动力学,是无法用简单的用如下压力、Cd 值(风阻系数)、风阻等词语来解释,它是门很复杂的学问，本文主要介绍了风阻测试的原理以及个别实例。
关键词：风阻 测试 风洞实验 压力系数1.理论基础汽车在行驶中由于受到空气的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向、侧向和垂直等3个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响，其中纵向空气动力量最大，大约占整体空气作用力的 80%以上，因此，将汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。
如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。
据测试，一辆以 100 km/h 速度行驶的汽车，发动机输出功率的 80%将被用来克服空气阻力，因此减少空气阻力就能有效地改善汽车行驶的经济性。
在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都描述成与气流相对速度的动压力u r 221ρ成正比例的形式，即221r d w u A C F ρ= 式中，C D 为空气阻力系数；ρ 为空气密度(kg/m 3)；A 为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积(m 2)； u r 为相对速度，在无风时即汽车的行驶速度(m/s)。
上式表明，空气阻力是与 C D 及 A 值成正比的。
A 值受到乘坐使用空间的限制不易进一步减少，所以降低 C D 值是降低空气阻力的主要手段。
据试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省 7%左右。
曾有人对两种相同质量。
相同尺寸，但具有不同空气阻力系数(分别是 0.44 和 0.25)的轿车进行比较，以 88 km/h 的时速行驶了 100 km ，燃油消耗后者比前节约了 1.7 L 。
基于风洞实验和数值模拟的风力发电机组叶片设计与性能优化风力发电作为可再生能源的重要组成部分之一，在可持续发展的背景下，具有巨大的发展潜力。
风力发电机组的叶片设计和性能优化是提高风力发电机组发电效率和可靠性的关键。
一、风洞实验在风力发电机组叶片设计中的应用风洞实验是一种模拟大气中的风场环境，通过对风力发电机组叶片进行试验，获取流场信息及叶片受力情况，为叶片设计与性能优化提供实验数据。
风洞实验可以定量地测量风力对叶片的作用力和研究叶片的振动特性，进一步完善叶片结构和形状。
1. 流场分析：风洞实验可以通过测量风场的速度分布、风向角等参数，揭示叶片在实际工作状态下的流动特性。
通过风洞实验，可以绘制出叶片表面的压力分布等流场参数，为叶片优化设计提供依据。
2. 受力分析：风洞实验能够准确测量风力对叶片的作用力，包括风速、风向对叶片的压力及力矩的作用。
通过风洞实验获取受力数据，可以优化叶片材料和结构，提高叶片的刚度和抗风能力。
3. 振动分析：风洞实验可以模拟真实的风速和风向，对叶片进行振动测试。
通过测量叶片的振幅、频率等参数，可以评估叶片在不同工况下的振动性能，进而优化叶片结构，提高叶片的稳定性和寿命。
二、数值模拟在风力发电机组叶片设计中的应用数值模拟是一种通过计算机模拟叶片在风场中的流动情况，获取叶片流场分布和受力情况的方法。
数值模拟方法可以对叶片的设计方案进行评估和优化，辅助风力发电机组叶片设计工作。
1. 流场分析：数值模拟可以通过计算流体力学方法，对风力发电机组叶片在风场中的流动进行模拟和分析。
通过分析流场参数，如速度分布、压力分布等，可以准确预测叶片的性能，并且可以快速评估不同叶片设计的效果。
2. 受力分析：数值模拟可以计算叶片在风力作用下的应力分布和载荷情况。
通过模拟叶片受力情况，可以评估叶片的刚度和抗风能力，并优化材料和结构设计。
3. 噪音分析：数值模拟可以模拟叶片在运行过程中产生的噪音。
通过分析噪音源的位置和特性，可以优化叶片设计，减少风力发电机组产生的噪音，提高风力发电机组的环境适应性。
风洞试验与数值模拟相结合的气动设计方法研究引言气动设计是现代航空航天领域中至关重要的一环。
为了确保飞行器的稳定性、安全性和性能，工程师们需要进行精确而全面的气动设计。
其中，风洞试验和数值模拟是两种常见的设计方法。
本文将探讨风洞试验与数值模拟相结合的气动设计方法，并研究如何充分发挥二者的优势，以提高气动设计的准确性和效率。
1. 风洞试验的作用风洞试验是一种通过模拟气流场来评估飞行器气动性能的方法。
它可以提供真实的飞行环境，使工程师们能够直接观察和测量飞行器在不同风速和姿态下的气动特性。
风洞试验的优势在于实验数据的准确性和可靠性，以及对流动现象的直观理解。
然而，传统的风洞试验也存在一些局限性。
首先，风洞试验的成本较高，需要耗费大量的时间和资源。
其次，由于风洞试验的实验环境受到限制，无法全面地模拟真实飞行条件。
因此，风洞试验往往需要结合其他方法来进行综合分析。
2. 数值模拟的优势数值模拟是一种基于计算流体力学原理的气动设计方法。
通过建立飞行器的数值模型和边界条件，使用数值方法求解流动方程，可以得到飞行器在不同气动条件下的流场分布和力学特性。
数值模拟的优势在于成本较低、效率较高，能够模拟复杂的气动现象和多重边界条件。
与风洞试验相比，数值模拟能够提供更详细的数据和更全面的流场信息。
工程师们可以通过数值模拟对不同设计方案进行比较和评估，优化飞行器的气动性能。
然而，数值模拟也存在一些不确定性，并且需要验证和修正实验数据以提高模拟的精确性。
3. 风洞试验与数值模拟的结合为了充分利用风洞试验与数值模拟的优势，工程师们逐渐发展出一种相结合的气动设计方法。
首先，他们可以利用数值模拟来预先评估飞行器在风洞试验中的气动性能。
通过对不同设计参数进行数值模拟，可以筛选出最有潜力的设计方案，减少风洞试验的时间和成本。
其次，工程师们可以利用风洞试验数据对数值模拟进行验证和修正。
通过将风洞试验数据与数值模拟结果进行比较，可以确定数值模型中的误差和不确定性，并改进模拟的精确性。
列车风洞试验综述1列车风洞模型试验系统1.1风洞的基本类型及基本原理当对列车的空气动力学特性进行试验研究时，直接而真实的方法是在线实车试验，但进行一次试验需要耗费大量的人力、物力、财力，组织一次试验很不容易，得到的数据有限，加之自然条件千变万化，如环境的风速和风向不可控制等，重复性难以保证，而且，实车试验需在列车制造出来后才能进行，用于研制新车代价太高，因此实车试验一般以验证、评估、考核试验为主，兼顾研究性试验。
于是，人们就想用模型试验来代替实车试验。
风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。
风洞模型试验是研究列车气动特性中应用最广泛的手段之一。
它具有试验理论和试验手段成熟、测量精密，气流参数如速度、压力等易于控制，并且基本不受天气变化的影响等优点。
为了满足不同类型空气动力试验的要求，现代风洞的种类繁多。
风洞通常按照试验段气流的马赫数来分类，有低速风洞（Ma<0.3）、亚音速风洞（0.3<Ma<0.8）、跨音速风洞（0.8<Ma<1.5）、超音速风洞（1.5<Ma<4.5）、高超音速风洞（4.5<Ma<10）、极高速风洞（Ma>10）等。
列车模型风洞试验一般在低速风洞中进行。
低速风洞按通过试验段气流循环形式来分，有直流式和回流式两种基本类型。
按试验段结构不同，低速风洞又有“开口”和“闭口”之别。
直流式风洞的特点是把通过试验段的气流排在风洞外部，如图1。
回流式风洞的特点是通过试验段的气流经循环系统再返回试验段，如图2。
图1 直流式风洞图2回流式风洞对列车在空气中的等速直线运动，按照运动的相对性原理，在空气动力特性研究中，可以认为列车静止不动，与列车速度大小相同方向相反的空气流过列车，列车上承受的空气动力与类车运动在静止的空气中承受的空气动力完全相同。
中国科学D辑:地球科学2007年第37卷第11期: 1536~1546收稿日期: 2007-04-30; 接受日期: 2007-07-16国家自然科学基金(批准号: 40575069)和浙江省气象科技开放研究专项(编号: KF2006002)资助* 联系人, E-mail: huizhil@ 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究姜瑜君①刘辉志②*张伯寅③朱凤荣③梁彬③桑建国④(①浙江省气象科学研究所, 杭州310017; ②中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室, 北京 100029; ③北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室, 北京100871; ④北京大学物理学院大气科学系, 北京100871)摘要利用自主开发的模拟建筑物周围风环境数值模式“北京大学大气环境模式”(Peking University Model of Atmospheric Environment, PUMA), 通过求解非静力动力学方程, 模拟了一个特殊塔型结构建筑物周围的空间流场以及建筑物表面风压系数的分布特征, 同时与风洞实验的数据进行了对比, 对该拟建项目可能导致的风环境问题以及建筑表面风荷载进行了评估. 模拟结果与实验数据的比较显示, 两者在速度场与建筑表面风压系数具有较好的吻合度, 体现了该模式在风场以及压力场计算方面的良好性能. 但通过与实验结果的对比不难发现, 模式的结果在某些情况下与试验存在较大的误差. 造成这种偏差的原因, 一方面是模式现有的分辨率为水平方向 2 m, 垂直方向3 m, 难以将塔型结构建筑物表面的气压变化完全精确的展现出来; 另一方面, 固壁面上格点的气压和周边空间气压分布之间关系的参数化方案, 仍需要进一步改进. 从整体来看, 该模式模拟结果与风洞实验基本吻合, 可以较好计算特殊形状钝体结构建筑物导致的风场以及风压分布情况. 研究表明该数值模式可用以评估建筑物的表面风压及周围的风环境, 在建筑物的风工程项目中具有良好的应用前景.关键词塔型结构建筑物风荷载风压系数非静力数值模式风是建筑物设计以及城市规划中需要慎重考虑的气象因子之一. 大型高层建筑的修建, 既需要建筑技术与结构材料的保障, 同时也应该具有足够的抗风强度, 因而设计者需要考虑风对结构体的动态载重效应. 建筑物在外界强风来流的作用下可能导致的摆动、震动等结构安全方面的问题, 一直都是计算风工程领域的重要研究课题之一[1,2]. 随着科技水平的提高和人们生活的不断改善, 建筑物所导致的行人风环境问题, 也开始逐渐得到大家的重视[3,4].建筑物周围的流场结构受到诸多因素的影响, 如背景风场的特性、建筑物本身的几何形状以及邻近的建筑群的影响等[5,6]. 由于钝体绕流的阻塞作用而导致的下冲、涡旋、角隅流以及尾流、穿堂风等效应, 建筑物附近的流场就会变得相当的复杂. 上述诸多因素的存在, 往往会导致在高层建筑物附近产生过高的局地风速, 从而给在其周围活动的行人造成不舒适, 甚至可能存在行人被强风刮倒致伤的安全隐患[7]. 建筑物导致的不良行人风环境会有损于建筑物的使用舒适度和住居环境, 因此设计师们都希望能够在设计阶段就对建筑物周围的风环境问题进行评第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究1537估, 以作适当修改或采取一些可行的措施, 从而提供更加舒适、安全的生活环境. 如今, 大部分先进国家都已开始立法要求对高大建筑物或结构体周围的风场作环境影响评价. 即在项目兴建前的概念、规划与设计阶段, 要预先评估建筑物的风荷载以及周边的风场特征, 对其建成后可能导致的风环境问题作出科学的评价[8,9].建筑物风环境的研究方法一般包括现场观测、物理模拟实验如风洞、水槽和水洞实验等以及数值模拟计算[10~13]. 随着计算机硬件条件的飞速发展, 应用计算流体力学方法对城市边界层内建筑结构周围流场的模拟, 在最近十几年中取得了很大的进展[14,15],尤其是在计算风工程领域取得了显著的进步, 同时也促进了计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, 简称CFD)软件的发展.CFD软件主要被用于解决工程中的流体和传热问题, 由于具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能, 目前被广泛应用到计算风工程领域中, 如对于高层建筑物单体或者建筑群的周边流场的数值模拟以及相应的风压、风荷载的研究. 由于它可以精确的对建筑群或者结构体所致的流场进行数值模拟[16], 其模拟结果被广泛利用作为行人风环境的评估参考[6]. 此外CFD软件还可以计算人体表面及其附近空间微尺度的风环境以及热力环境特征 [17]以及各种尺度的流场分析[18], 也可以对建筑物内部污染物扩散进行合理的计算模拟[19], 甚至对大型火灾造成的影响也能进行有效的模拟[20], 研究表明, CFD软件在目前的城市环境问题研究当中有着广泛的应用前景.目前的CFD软件功能已经十分强大, 但并不能很好的解决大气科学领域的某些特殊问题, 如太阳辐射所致的局地热力差异对建筑物周围风环境的影响, 局地大气以及地表热力环境的昼夜变化所导致的温度层结等. 因此国内外研究城市气候的学者们发展了能够用于研究建筑物风环境和热力环境的大气边界层模式, 如蒋维楣、张宁、徐敏等[21~24]利用大涡模拟技术(LES)对小尺度建筑物结构体所致流场以及相应的污染物扩散进行了有效的数值模拟. 苗世光等[25]则在此基础上, 建立了一个针对城市小区的气象以及污染扩散的数值模式, 并用于小区大气环境的评估, 结合观测结果为小区的规划建设提供科学合理的参考意见. 这一类自主开发的模式, 由于可以灵活地结合能量平衡、污染物输送等模式, 在大气科学研究领域存在较好的发展空间.除了LES方法以外, RANS(Reynolds-averaged Navier-stokes equation)方法也被广泛应用到城市边界层的数值模拟当中. 桑建国利用该方法建立一个大气环境模式PUMA, 并用以计算小尺度的街谷热力环境和流场结构[26], 王宝民等[27,28]、姜瑜君等[29]、刘辉志等[30]利用该模式, 对高层建筑的周边流场进行了模拟, 并结合风洞实验的结果对一些拟建的高层建筑进行了合理的风环境评估.对正在拟建的项目而言, 进行事先的观测是不可能的, 一个比较可行的方案就是对规划区域的模型进行一些合理的物理实验, 如风洞、水槽、水洞实验等. 将物理模拟实验数据与数值模拟相结合, 对其结果进行相互对比分析, 从而对拟建的项目风环境进行评价, 这是目前比较理想而且切实可行的研究手段之一. 本文拟采用自主开发的数值模式PUMA, 对一个特殊造型的建筑物周边流场结构以及建筑各表面风荷载进行数值计算, 并结合风洞实验数据进行对比分析, 为该建筑的设计方案提供风荷载以及风环境的科学评估.1风洞实验与数值模式1.1风洞实验实验模拟的目标建筑物为法门寺当时拟建的合十舍利塔, 法门寺位于陕西省宝鸡地区扶风县城以北10 km处的法门镇, 东距西安市110 km, 西至宝鸡市90 km, 是我国古代著名的佛教寺院. 1987年法门寺地宫发掘, 使法门寺成为佛教界及学术界的瞩目之地. 正在拟建的法门寺文化区, 南北长2165 m, 东西宽952 m, 总占地面积3092亩1), 其中法门寺合十舍利塔, 总高147 m, 宽50 m, 呈合十双手的特殊造型, 居于该文化区的中央. 图1给出了法门寺合十舍利塔设计效果图.风洞模拟实验是在北京大学环境学院大气环境模拟国家重点实验室的环境风洞中进行. 该环境风洞为直流、吸式, 实验段长32.0 m, 其风洞实验截面积为2 m×3 m, 流速范围为1.0 ~21 m/s. 缩尺比例为1:200的刚性模型被安置在风洞试验段的转盘上, 在试验中通过转盘的旋转以变更来流风向, 来流风的1)1公亩=102 m21538中国科学 D 辑 地球科学第37卷图1 法门寺合十舍利塔设计效果图特征则依据建筑物所在地的地形地貌条件而定. 风洞试验过程中, 我们采用了毕托管、微压计、热线风速仪等测量仪器, 测量了模型周围速度的空间分布以及模型表面的压力分布特性.1.2 数值模式由北京大学开发的“北京大学大气环境模式”(Peking University Model of Atmospheric Envi-ronment, PUMA)可以对中尺度、小尺度和微尺度的大气环境进行模拟, 并在多项研究课题中得到应用. 此次风环境评价采用该数值模式中的城市边界层模式, 对流场的空间结构进行模拟, 并和风洞实验结果进行比较验证. 由于一般风工程所涉及的问题大都发生在较强的来流风速下, 且在近地表上数百米高度的大气边界层范围之内；在风速较大的情况下, 大气机械湍流作用通常超过热力作用, 所以本模拟暂不考虑热力作用.在大气边界层中, 大气运动的平均Navier-Stokes 方程为0,iiu x ∂=∂ (1) 1(),i i j ij j i ju u pu R t x x x ρ∂∂∂∂+=−−∂∂∂∂ (2) 其中i u 为在i x 方向上的平均速度分量(i = 1,2,3), p 为扰动气压, ρ为空气密度, Reynolds 应力ij i j R u u =是作用于空气块上的应力项. 应力ij R 按湍流闭合假定, 可表示成为22,3ij ij ij R k KS δ=− (3) 其中ij S 为平均流场的应变率, 1.2ji ij j iu u S x x ⎛⎞∂∂=+⎜⎟⎜⎟∂∂⎝⎠湍流粘性系数K 可用湍流动能k 和湍流动能耗散率ε, 表示成为2,k K C µε= (4)其中C µ为闭合系数.k 和ε分别由下列方程给出,i j ij j j i k i u k k K k u R t x x x x εσ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−+−⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠ (5) 212,i j ij j j i k i u K u c R c t x k x x x kεεεεεεεσ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−+−⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠ (6)其中半经验的系数取值如下[31]:0.09,c µ= 1 1.44,c ε= 2 1.92,c ε=1.0,µσ= 1.3.εσ=在本次计算中, 入流边条件可取为定常的, 设平均风沿x 轴方向, 取10()(/10),u z u z α= (7)其中u 10为10 m 高处风速, 幂指数α为稳定度和粗糙度的函数, 在风工程领域考虑较多的是大风情况, 在这种大气条件下, 稳定度一般为中性, 其数值通常由风洞实验数据校正得到, 在本次实验中α = 0.18.在出流边界, 取自由流边条件第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究 15390, 0, 0, 0.u v k x x x xε∂∂∂∂====∂∂∂∂ (8) 在钝体表面如墙面、路面和屋顶, 取非滑动边条件0, 0, 0,ku v n∂===∂ (9)其中n 为固体表面的法线方向.由于计算精度要求和时间的限制, 本文只针对塔基的主体部分进行了模拟, 模拟区域为: 东西方向144 m, 南北方112 m, 垂直方向150 m; 水平网格为2 m, 垂直为3 m, 总格点数为73×57×51. 时间步长为0.04 s, 计算时间为20 s, 此时基于RANS 计算的流场趋于稳定.2 结果分析和讨论图2给出了基于当地30 a(1971~2000)气象资料统计结果所得宝鸡地区以及扶风的风频分布情况, 图中可以看到, 扶风以及整个宝鸡地区, 东、西风发生的频率比较高, 为12%, 其次是东南风10%, 而最大风速出现在北风的情况, 达14 m/s. 由于塔身表面拟采用玻璃帷幕, 因此在大风天气条件下, 塔身表面的风压、风荷载的分布特性对设计安全来说具有重要的参考意义. 鉴于该建筑沿着正北轴线东西对称分布, 本数值模拟对东风以及北风两种来流情况分别进行了计算(两种来流风速大小一样), 并与相应的风洞实验数据进行对比.数值模拟以及风洞实验中, 时均压力系数(平均压力系数)通过下式获得:ref2ref ,12i pi P P V ρ−=其中: i P —测点i 处的时均值, ref P —参考点静压,2ref /2V ρ—参考点处动压(即总压-静压), ρ—来流密度,ref V —参考点风速.2.1 东风由于东风来流风速较大, 且发生频率较高, 塔身东侧外表面的风压分布情况对于结构设计建设就比较重要, 因而本次风洞试验对这种来流情况下的塔身风荷载情况进行了相关的数据采样. 图3是风洞实验得到的塔身各个表面的平均风压系数分布情况(来流速度为9.6 m/s , 参考高度为10 m). 从图上可以看出, 在东风来流情况下, 东侧外表面为迎风面, 由于风攻角较大, 其外表面风压普遍为正值. 其数值在中心最大, 大约1.3~2.3, 外围部分则在0.3~1.3, 边缘的值在 −0.6~0.3, 风压系数分布呈现辐射状递减, 而塔身其他各个表面由于处在背风区, 风压则呈现负值.图4则是东侧迎风面风压分布的数值模拟结果与实验的对比情况. 从模拟的结果来看, 风压系数分布情况、以及相应区域的数值大小, 虽然和测量结果存在一定的差距, 但是其分布的趋势和数值大小还是比较接近的. 由于测量结果图给出的风压分布图分辨率比较低, 高值区为1.3~2.3, 一个标尺的量度在1左右, 因此和数值模拟结果相比存在一定的差距也是情理之中. 不过从计算整体效果看, 风洞实验的数据与数值模拟的结果是比较接近的. 又由于在实际的钝体绕流中, 在高雷诺数情况下, 建筑物边缘以及迎风面、背风面的流场结构是复杂变化的, 各种小尺度的扰动以及之间的相互作用, 使得靠近固壁面范围内的流场结构呈现空间的不均匀性和时间的非定图2 舍利塔建筑设计所在地1971~2000年平均风的玫瑰图1540中国科学D辑地球科学第37卷图3 东风来流, 风洞实验得到的的塔身表面的风压系数分布情况图4 东风来流, 迎风面的表面风压系数分布第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究 1541图5 实验测点编号分布A 剖面为迎风面; B, C 剖面为背风面; 模型比例1:200图6(a), (b), (c)为三个剖面上模拟和实验数据的对比图1542中国科学D辑地球科学第37卷常性. 图3显示的是对采样的数据进行一定时间平均的结果, 而用RANS得到的模拟结果, 虽然可以得到一个平均化的准定常流场形态, 但是由于扰动气压随时间变化是持续而又无序的, 加上本次数值实验的网格距较大, 因此空间分辨率比较低, 也会导致模拟和实验的数据存在一定的偏离.2.2北风北风是出现最高风速值的来流情况, 虽然发生频率较低, 由于最大风速达到14 m/s, 因此有可能对塔身建筑造成不安全的因素, 也会在近地面形成局地强风, 对行人活动造成不便. 因此我们风洞实验对这种来流情况进行局部空间点的风速测量, 同时也与数值模拟的结果作了相应的比较分析.图5显示的是, 风洞实验中风场测点的编号情况, 此次实验来流风速为9.6 m/s(参考高度10 m处的风速, 与东风情形一样). 图6是图5中的A, B和C三个剖面上的各个测点的实验数据与相应的模拟结果的对比情况. 从结果来看, 数值模拟的结果还比较理想, 尤其在迎风面A的模拟上, 与风洞实验的数据有着较高的吻合度, 但在迎风面的1, 10和11三个编号位置, 模拟与实测存在一定的误差, 这三点处于建筑基座迎风面底部, 靠近表面, 风场变化较大而且绕流区的气流结构比较复杂, 在网格距较大的情况下, 会存在一定的出入. 在穿越塔身中间的结构以后, 气流变得比较复杂, 加之数值模拟的空间分辨率相对偏低, 故而与试验数据的偏差变大, 如16, 17, 18和21等处于建筑物边缘的测点, 误差较大. 但从A, B和C 3个剖面的整体结果对比来看, 现有的数值模式, 图7 北风来流情况下, 塔身各表面的压力系数分布的风洞实验结果第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究1543在流场计算方面, 可以较好的模拟出复杂建筑物造成的空间速度场的分布情况, 具有较高的可信度.图7显示的是北风来流情况下, 风洞实验得到的塔身压力系数分布情况. 从图上可以看出, 塔身正北面与来流形成90o的风攻角, 因而表面的风压系数较高, 其高值区的分布呈现对称钝三角, 最大值在2.3 ~ 3.3之间, 气流对内侧表面的冲击形成的系数较低, 大致在1.3 ~ 2.3之间, 在图8我们也可以明显的发现这个规律. 塔身其他表面由于大部分处于背风区域, 因此压力系数整体呈现为负压, 数值值大概在−1.6~−0.6之间.图9是北风来流情况下, 45 m高处(即设计方案中中间小塔高度)的水平流场示意图. 从图中可以看出, 流场呈东西对称分布, 佛塔结构由于存在对称的水平梯形截面, 北端内表面与北风来流形成大致45o 的风攻角, 因此在西内侧表面和东内侧表面的北端会有正压值存在, 而南端由于气流离开固壁面, 故而形成负压, 这种分布在图7以及图10都可以明显的看到. 而东侧和西侧外表面, 由于气流方向大都与固壁面背离或风攻角小且风速较低, 因此这两个外表面的风压系数整体呈现为负压, 其分布呈现由北向南递减的负压带状分布图案, 这种分布在图7以及图11都可以明显的看出, 实际上这种分布趋势和气流流动与固壁面的背离以及风速值大小的变化是吻合的.3结论从本文的模拟结果来看, 基于不可压缩流体连续方程、Reynolds平均动量方程以及k-ε湍流闭合方案的数值模式PUMA城市气候模式, 可以对塔形建筑物表面风压系数分布进行合理的模拟, 与实验的数据相比显示, 速度场与表面风压系数具有较好的吻合度, 体现了在该模式在风场以及压力场计算方面的良好性能. 但也存在一定的问题, 需要加强和改进.在结果显示方面, 由于分辨率以及相应的图象显示软件的开发缺乏, 自主开发的模式, 在这方面, 功能低于CFD的各种商业软件, 但是, 自主开发的软件, 可移植性程度高, 可以灵活地添加大气辐射、污染物输送等模块, 因此在大气科学研究领域有着比较广泛的应用前景.与实验结果的对比可以看出, 模式的结果在一图8 北风入流, 数值模拟的塔身北侧表面的风压分布情况1544中国科学 D 辑 地球科学第37卷图9 45 m 高度的水平流场示意图图10 数值模拟的东西侧内表面的风压分布结果定的地方, 存在较大的误差, 比如在北风来流情况下, 东西两侧外表面的风压分布, 计算模拟的结果就和实验存在一定的区别. 造成这种偏差, 一方面是模式现有的分辨率为水平2 m 、垂直3 m, 这种网格距, 比较难以将塔型建筑物表面的气压变化精确的展现出来, 当然网格分辨率的提高, 将大大增加计算机计算量, 这也是下一步工作的重点. 另一方面, 固壁面上格点的气压和周边空间气压分布之间关系的参数化第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究 1545图11 数值模拟的东西侧外表面的风压分布结果方案, 仍需要进一步改进.在差分格式上, 如果采用高分辨率的有限元网格, 或者在局地采用细网格的方法, 那么比较好的方案是采用隐格式进行差分迭代运算, 但是隐格式所带来的较大耗散, 会对计算结果造成不良的影响, 尤其在大规模的小区流场计算方面, 人为耗散会导致内部流速过低, 与实验数据的偏差较大的结果. 如何选择合适的差分方法, 是该模式以后改进的重点之一.结果表明, 现有的模式PUMA, 在计算流场和风压分布方面, 具有较好的精确度和可信度, 适用于对拟建的建筑物或结构体进行相关的风环境以及风荷载进行数值计算, 并结合相应的实验结果, 对建设方案提出合理的建议与评估.参 考 文 献1 Murakami S, Mochida A, Kondo K, et al. 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汽车风洞空气动力学性能影响因素陈军;王勇;石锋;周龙【摘要】汽车风洞在汽车气动造型设计、减小风阻、降低能耗等方面起着关键作用。
由于汽车风洞的有限尺寸，其空气动力学性能受多种因素的影响，影响因素主要有阻塞、边界层、压力梯度、压力脉动等。
其中有些因素必须进行合理设计；有些因素影响风速的确定，需要对风速的进行标定；有些因素对车辆空气动力学性能测量有较大影响，需要对测量结果进行修正；有些影响因素虽然不能物理消除，但是通过调试校准可以获得更理想的结果。
其中合理设计、正确的标定和校准是确保测量结果准确性的前提，必须在风洞设计、建造和调试阶段充分考虑，是对风洞使用过程中测量结果的提前修正；对测量结果进行经验修正，可提高准确度。
%Automotive wind tunnel plays key roles in the aspects of vehicle styling design, decreasing drag, reducing energy consumption, etc. For the limited size of an automotive wind tunnel, its aerodynamic performance is influenced by many factors, such as blockage, boundary layer, pressure gradient, pressure pulsation, etc.. Some of them must be designed properly. Some factors influence the wind speed determination, and the wind speed should be calibrated. Some factors influence the measurements of vehicle aerodynamic forces and moments, and the measurements should be corrected. And the others are inevitable, but can be adjusted to gain better results during the course of commissioning. Proper design, correct calibration and adjustment are preconditions to gain accurate measurement results and should be fully considered in the phases of wind tunnel design, construction and commissioning. Empiricalcorrections of the measurement results should be taken to improve the accuracy.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】5页(P3-7)【关键词】空气动力学;汽车风洞;风洞设计;标定;修正;阻塞;边界层【作者】陈军;王勇;石锋;周龙【作者单位】中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122;中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122;中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆401122;中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122【正文语种】中文【中图分类】U461.110.16638/ki.1671-7988.2016.03.002CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-03-05 汽车空气动力学-声学风洞主要用于车辆的空气动力学参数及风噪声测量，在车型开发过程中起着非常重要的作用。
第１３卷第３期２０００年７月中国公路学报ＣｈｉｎａＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔＶ０１．１３ＮＯ．３Ｊｕｌｙ２０００文章螭号：１００１—７３７２（２０００）０３—０１１３０３ＪＴ６１２０型客车气动特性的数值模拟和风洞试验张志沛，欧阳鸿武，秦志斌（长沙交通学院汽车工程系，湖南长沙４１００７６）摘要：为了评价ＪＴ６１２０型客车的空气动力学特性，先后采用数值模拟和风洞试验方法对其外流场进行了研究。
研究结果表明由于在该车的头部产生了气流分离，导致空气阻力系数高速０．６６６５，说明气动性能存在明显的不足，有必要进行改进。
关键词：客车；数值模拟；风洞试验；气动特性中图分类号：Ｕ４６７．１３文献标识码：ＡＴｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｏｎＪＴ６１２０ａｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＺＨＡＮＧｇｈｉ—ｐｅｉ，０ＵＹＡＮＧＨｏｎｇ—ＷＵ，ＱＩＮＺｈｉ—ｂｉｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉＬｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈａＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔＯｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＪＴ６１２０ｂｕｓ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔａｒｅａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｉｒｆｌｏｗｓｅｐａｒａｔｅａｔｔｈｅｆｒｏｎｔｐａｒｔｏｆｂｕｓ，ａｎｄｉｎｄｕｃｅｓｔｈｅｈｉｇｈｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ０．６６６５．Ｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ０ｆＪＴ６１２０ｎｅｅｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｆｅａｔｕｒｅ关于ＪＴ６１２０型客车气动特性方面的试验和研究，文献［１］提供了ＪＴ６１２０型客车三种模型的风洞试验情况：模型１的头部正面为带棱角的方正形，两侧面为平面；模型２的头部正面为圆弧形，两侧面稍带弯曲；模型３的头部正面和两侧面更为圆化些。
