基于PIV技術對不同車型車尾流場的研究

解振宇

摘 要：隨著能源問題的日益突出，節(jié)能減排提高做功效率也成為汽車領域中重要的研究課題，其中汽車的外形設計也是主要方向之一，包括整車氣動性能是汽車空氣動力學研究的核心問題。由于氣體粘性的存在，氣流在流經(jīng)車尾區(qū)域時產(chǎn)生不同程度的分離，以及流經(jīng)尾部由于壓力差的存在，不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是空氣阻力的主要原因。本次研究主要是應用粒子圖像測速法通過測量得出最佳外形的實驗數(shù)據(jù)，用以改善車輛空氣動力已得到最佳優(yōu)化外形，通過對汽車車型與空氣阻力現(xiàn)象之間的關系的研究，以達到汽車空氣動力學在實際應用這一領域的完善，實現(xiàn)能源環(huán)保節(jié)能的目的。

關鍵詞：PIV技術;車尾流場;空氣阻力

一、研究背景及意義

汽車發(fā)展之初，由于車輛本身速度很慢，造型就是大家都見過的老爺車，“方頭方腦”的完全沒有空氣動力學考量。古今中外學者也做過很多研究，馮博超（2019）[1]研究了汽車空氣動力學與車身，研究的結果對車型設計產(chǎn)生很大影響。彭麗霞（2019）[2]研究得出了汽車車發(fā)動機發(fā)出的功率主要用來克服空氣阻力.空氣阻力增加，則汽車動力性降低，燃油經(jīng)濟性變差。黃仁森，王宇（2019）[3]得出了每一次都會影響空氣阻力的變化，進而改善汽車動力性、燃油經(jīng)濟性。本文在以往研究的基礎上通過對汽車車型與空氣阻力現(xiàn)象之間的關系的研究，以達到汽車空氣動力學在實際應用這一領域的完善，實現(xiàn)能源環(huán)保節(jié)能的目的。

二、研究目的

本文研究目的如下：

1.利用PIV技術和Tecplot以及solidworks等軟件，在不同來流速度下觀測，繪制出流場速度矢量圖、渦量云圖等。

2.再通過對不同風速下繪制出流場速度矢量圖、速度分量圖的分析，構造出每種汽車最合適的外形。

3.最終通過構造最佳汽車外形來減少汽車在運行時所受的阻力，達到節(jié)能減排提高做功效率的目的。

設計良好的汽車外形，可以減小汽車空氣阻力，提高汽車的操縱穩(wěn)定性，保證行車安全。從箱型、甲蟲型、船型到魚型和楔型，每一次汽車外形的變化都帶來了空氣阻力的降低。從而改善汽車動力性、燃油經(jīng)濟性。

三、研究方法

（一）Solidworks

首先繪制出各種車型的三維立體圖像，此過程通過SolidWorks進行繪制。繪制出公交車、轎車、SUV三種車型。

公交車長10厘米＼寬5厘米＼高3厘米，標點符號好好改改！轎車長15厘米＼寬 7厘米＼高5厘米，Suv長18厘米＼寬10厘米＼高8厘米.

（二）PIV技術

Particle Image Velocimetry（PIV），PIV技術除向流場散布示蹤粒子外，所有測量裝置并不介入流場。另外PIV技術具有較高的測量精度。由于PIV技術的上述優(yōu)點，已成為當今流體力學測量研究中的熱門課題，因而日益得到重視。在PIV測速技術中，高質量的示蹤粒子要求為：（1）比重要盡可能與實驗流體相一致;（2）足夠小的尺度;（3）形狀要盡可能圓且大小分布盡可能均勻;（4）有足夠高的光散射效率。通常在液體實驗中使用空心微珠或者金屬氧化物顆粒，空氣實驗中使用煙霧或者粉塵顆粒（超音速測量使用納米顆粒），微管道實驗使用熒光粒子等。

（三）Tecplot

再利用Tecplot技術進行流場速度矢量圖、渦輪圖，進一步觀測汽車在不同流速下的狀態(tài)。

Tecplot技術：它提供了豐富的繪圖格式，包括x-y曲線圖，多種格式的的2-D和3-D面 Tecplot繪圖，和3-D體繪圖格式。而且軟件易學易用，界面友好。而且針對于Fluent軟件有專門的數(shù)據(jù)接口，可以直接讀入*.cas和*.dat文件，也可以在Fluent軟件中選擇輸出的面和變量，然后直接輸出tecplot格式文檔。

四、實驗過程

首先置入轎車模型于實驗水槽中，開啟系統(tǒng)，檢查激光、CCD、軟件是否正常，將照相機垂直于實驗槽放置于桌面，激光則平行于觀察位置放置。預估測試區(qū)域的來流速度，設定兩脈沖時間間隔和脈沖延遲時間，加入示蹤粒子，這時先以快速來流速度進入水槽，通過照相機的光圈來調節(jié)視野亮度，并用尺子進行距離標定，采集實驗數(shù)據(jù)，并利用tecplot技術將其繪制出圖像，然后再次調整慢速來流速度重復以上實驗過程，并利用tecplot技術將其繪制出圖像。

其次再次置入公交車模型與實驗水槽中，開啟系統(tǒng)，檢查激光、CCD、軟件是否正常，將照相機垂直于實驗槽放置于桌面，激光則平行于觀察位置放置.預估測試區(qū)域的主流速度，設定兩脈沖時間間隔和脈沖延遲時間，加入示蹤粒子，這時先以快速來流速度進入，通過照相機的光圈來調節(jié)視野亮度，并用尺子進行距離標定，采集實驗數(shù)據(jù)，并利用tecplot技術將其繪制出圖像，然后再次調整慢速來流速度重復以上實驗過程，并利用tecplot技術將其繪制出圖像。

最后置入SUV模型與實驗水槽中，開啟系統(tǒng)，檢查激光、CCD、軟件是否正常，將照相機垂直于實驗槽放置于桌面，激光則平行于觀察位置放置.預估測試區(qū)域的主流速度，設定兩脈沖時間間隔和脈沖延遲時間，加入示蹤粒子，這時先以快速來流速度進入，通過照相機的光圈來調節(jié)視野亮度，并用尺子進行距離標定，采集實驗數(shù)據(jù)，并利用tecplot技術將其繪制出圖像，然后再次調整慢速來流速度重復以上實驗過程，并利用tecplot技術將其繪制出圖像。

五.分析和總結

在相同水流速度下， 轎車所受到的阻力均是最小的，說明轎車的車型最符合空氣動力學標準，汽車在運行過程中，由于氣體粘性的存在，氣體在流經(jīng)車底不平整區(qū)域時產(chǎn)生不同程度的分離，以及流經(jīng)尾部由于壓力差的存在，不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是空氣阻力的主要原因，圖中對比可以看出，轎車、SUV、公交車的矢量圖與渦量圖中，轎車受到明顯變小，可以看出由于擾流板的存在，進一步分析可知，轎車相比于其他兩車（公交車、SUV）運行時 受阻小的原因有要有針對圖片的分析，尤其是渦量圖，看看旋渦的位置和大小，流動分離的位置有什么區(qū)別等等。透過看藍色區(qū)域內渦量的大小，來判斷是否產(chǎn)生流動分離。即渦量越大，流動分離越強，汽車所受阻力越大。因此我們可以通過適當降低公交車和SUV的高度和寬度或增添擾流板來降低流場的強度，以減小運行時能源的消耗，起到減少碳排放更加符合環(huán)保理念。

參考文獻

[1]馮柏超.汽車空氣動力學與車身研究進展[J]. 時代汽車201905期

[2]彭麗娟等.某型SUV氣動性能與驗證[J]. 汽車工程201902期

[3]黃仁森等.汽車前部汽車外形減阻自動優(yōu)化研究[J].汽車實用技術201903期