汽車風洞試驗段流場的試驗研究

賈 青，楊志剛，李啟良

（同濟大學 上海地面交通工具風洞中心，上海 201804）

汽車風洞試驗段流場的試驗研究

賈 青，楊志剛，李啟良

（同濟大學 上海地面交通工具風洞中心，上海 201804）

以上海地面交通工具風洞中心全尺寸氣動聲學風洞1∶15模型風洞為研究對象，采用三維熱線風速儀，測量了該模型風洞內(nèi)不同工況下試驗段內(nèi)流場的分布情況。通過所測流場內(nèi)平均速度的分析，了解該模型風洞試驗段內(nèi)氣流的定常流動形態(tài)，對比典型射流結(jié)構進行分析，得到了該開口式低速汽車風洞試驗段內(nèi)噴口處射流剪切層所特有的結(jié)構形態(tài)；通過對風洞試驗段內(nèi)不同截面處流場內(nèi)部湍流強度的分析比較，了解了噴口射流剪切層內(nèi)以及收集口處的湍流強度大小與分布情況。

汽車風洞；試驗段；非定常流場；風洞試驗；湍流強度

0 引 言

整車風洞是汽車空氣動力學試驗研究不可缺少的實驗設施。為了滿足中國汽車工業(yè)的需要，包括全尺寸氣動－聲學風洞和熱環(huán)境風洞的上海地面交通工具中心已于2009年9月落成并投入使用［1］。該風洞具有較低的背景噪音水平、良好的地面模擬系統(tǒng)和較高的空氣動力測量精度，這些良好性能的獲得均離不開過去大量的數(shù)值與試驗研究。

傳統(tǒng)的航空風洞通常都是閉口式風洞，汽車風洞通常采用開口式風洞。該類風洞的特點是，一方面，試驗空間較大，能有效減少壁面對流場的干擾，試驗測量的精度與試驗段內(nèi)流場的品質(zhì)有很大的關系，對于平均流場而言，越平穩(wěn)的氣流就越接近汽車實際運行的環(huán)境工況，對于平均氣流的研究，可以為風洞結(jié)構的優(yōu)化提供依據(jù)，為非定常氣流的研究打下基礎。另一方面，氣流會在噴口邊緣處形成具有較大脈動量的射流剪切層。射流剪切層所圍內(nèi)部區(qū)域通常稱為射流核心區(qū)，該處氣流較為均勻，具有較低的湍流度，是模型的測試區(qū)域。具有較大脈動量的射流剪切層撞到收集口后，部分氣流向上或兩側(cè)返回噴口形成大旋渦，從而形成尖劈反饋效應，大部分氣流沿著收集口進入擴散段?？梢娫撎幜鲃泳哂械湫偷姆嵌ǔＡ鲃犹匦浴Ｍㄟ^以往的研究［2－5］，對試驗段內(nèi)的定常流場品質(zhì)有了一定的了解。但對于試驗段內(nèi)氣流的非定常流動特性還沒完全掌握，因此需要深入研究。

低速開口回流風洞中存在一個典型現(xiàn)象即試驗段的低頻振動，由于在全尺寸風洞中發(fā)生該現(xiàn)象的頻率范圍主要在20Hz以下，因而稱之為低頻顫振。從聲振角度來講，該現(xiàn)象是由于風洞結(jié)構本身的聲振頻率與流場壓力擾動頻率一致時發(fā)生共振，或者流場內(nèi)部之間存在著的耦合因素互相作用形成的，以往雖對該風洞的低頻顫振現(xiàn)象進行過大量的研究［6－7］，其形成機理卻尚未明確。對于流場特性的研究有助于從機理上解釋低頻顫振現(xiàn)象。

為此，將在以往定常流動研究［2－5］基礎上，使用三維熱線風速儀對試驗段內(nèi)的非定常流動進行測量，進一步弄清試驗段內(nèi)氣流的流動形態(tài)，從而揭示試驗段內(nèi)氣流的流動機理，為全尺寸汽車風洞設計提供依據(jù)。

1 試驗方法

為了研究汽車風洞空氣動力學性能，建設1∶15的模型風洞，如圖1所示，其中噴口高283mm，寬433mm，長180mm，收集口高385mm，寬555mm，長340mm。模型風洞速度由風機電機控制，其最大噴口風速為45m／s。試驗進行多種工況的測量：收集口的角度分別選取0°和15°兩種典型工況。對每種收集口角度進行了不同速度的測量，以1m／s為一個單位，每增加一個單位作為一個測試工況，最小速度為10m／s的噴口風速，最大到37m／s的噴口風速。

圖1 模型風洞示意圖Fig.1 Schematic of model wind tunnel

三維熱線風速儀用于風洞試驗段內(nèi)非定常流場測量，其中熱線探頭采用Dantec公司55R91型恒溫式探頭。

在測量時，首先進行速度標定，得到此三維熱線探頭的測量精度在1.5%之內(nèi)，標定結(jié)果如圖2所示。

熱線探頭是單點測量，配備二維移測架用于測點的準確定位。在測點選取時，參考以往對風洞試驗段內(nèi)流場的計算情況，考慮不同截面速度分布及湍流度變化，最終確定了幾個測量平面，坐標如圖3所示。具體為沿X方向分別取測量面：X＝0，50，250，500，750，850和900mm；沿Y方向每間隔30mm取一個測量面，靠近噴口處最大測量面為Y＝240mm，收集口處較寬，其最大測量面為Y＝270mm；沿Z方向以Z＝20mm為測量起始平面，每間隔30mm取一個測量面，噴口處最高測量面為Z＝260mm，收集口處最高測量面為Z＝380mm。

圖2 速度標定誤差結(jié)果Fig.2 Errors for three dimensional hot－wire probe

圖3 風洞內(nèi)測量坐標示意圖Fig.3 Diagram of coordinate in the wind tunnel

2 結(jié)果分析與討論

2.1 平均速度

首先以收集口角度為0°的工況為例，分析風洞試驗段內(nèi)平均流場的結(jié)構。將熱線測量所得各方向的瞬時速度進行平均，得到各測點的平均速度，具體計算公式由式（1）給出：

根據(jù)以往的數(shù)值研究得到在噴口風速為25m／s時，風洞試驗段內(nèi)氣流的脈動量較大，因此以此風速為例首先進行分析。

理論上，對于標準無限大空間內(nèi)的射流結(jié)構［8］，如圖4（a）中給出，氣流自半徑為r0的圓斷面噴嘴噴出。出口斷面上的速度認為均勻分布，皆為u0，且流動為湍流。取射流軸線Mx為x軸。由于射流為湍流型，湍流的橫向脈動造成射流與周圍介質(zhì)之間不斷發(fā)生質(zhì)量、動量交換，帶動周圍介質(zhì)流動，使射流的質(zhì)量流量、射流的截面面積沿x方向不斷增加，形成了向周圍擴散的錐狀流場，如圖4（a）所示的錐體CAMDF。沿x方向流動，射流不斷帶入周圍介質(zhì)，不僅使邊界擴張，而且使射流主體的速度逐漸降低。射流剪切層從出口開始沿流程不斷地向外擴散，帶動周圍介質(zhì)進入剪切層，同時向射流中心擴展，至某一距離處，剪切層擴展到射流軸心線，核心區(qū)域消失。

圖4 射流結(jié)構Fig.4 Structure of the jet－flow

對于有限空間射流結(jié)構，由于空間邊壁限制了射流剪切層的發(fā)展擴散，射流半徑及流量不是一直增加，增加到一定程度后反而逐漸減小，使其邊界線呈橄欖形，如圖4（b）所示。重要的特征是橄欖形的邊界外部與固體邊壁間形成與射流方向相反的回流區(qū)，于是流線呈閉合狀。

射流出口至斷面Ⅰ－Ⅰ，因為固體邊壁尚未妨礙射流剪切層的擴展，各運動參數(shù)所遵循的規(guī)律與自由射流一樣。

從Ⅰ－Ⅰ斷面開始，射流剪切層擴展受到影響，卷吸周圍氣體的作用減弱，因而射流半徑和流量的增加速率逐漸減慢，與此同時射流中心速度減小的速率也變慢些。但總的趨勢還是半徑逐漸增加，流量隨之漸增。達到Ⅱ－Ⅱ斷面，射流流線開始躍出邊界產(chǎn)生回流。射流主體流量開始沿程逐漸減少。僅在Ⅱ－Ⅱ斷面上主體流量為最大值。見圖4（b）上的速度曲線。橄欖形邊界內(nèi)部為射流主體的速度分布線，外部是回流速度分布線。

對于本文研究的風洞，為開口式風洞，測試區(qū)位于圖4（a）所示的射流核心區(qū)即MO段，此處均勻氣流所占面積最大，但受試驗段壁面的影響，在噴口處形成的射流為有限空間射流，圖5（a）給出了噴口速度為25m／s，流動方向中心對稱面（y＝0mm）試驗段內(nèi)從噴口到收集口的流場平均速度云圖，其中顏色顯示不同的速度范圍?？梢钥吹?，主流區(qū)即射流核心區(qū)大約位于高20～260mm處，此處速度集中在20～24m／s的區(qū)域，受前端湍流度的影響，來流存在一定不均勻性。在噴口出口上邊緣處形成射流剪切層，定義為：通過卷吸作用，速度方向不變，而大小不斷變化的區(qū)域為射流剪切層，可以斷定射流剪切層的位置大概位于離地面260～380mm的高度。與標準射流結(jié)構不同的是，此處射流出口即噴口直接與風洞底面相交，因此從其中心對稱面上來看是空間非對稱的，相當于從軸心處將標準射流結(jié)構作了對分，核心區(qū)直接接觸底面。射流剪切層上部與速度接近為零的低速流體相接，卷吸外界低速氣流，形成了截面面積沿x方向不斷增加的錐狀流動，其結(jié)構形態(tài)與圖4（a）中的射流形態(tài)類似。下部核心區(qū)在近壁面處受壁面剪切層的影響，在到達收集口時，速度有所降低。

圖5 射流云圖Fig.5 Contour of the jet－flow

圖5（b）中顯示的是高度方向中截面的平均速度云圖。在寬度方向上射流結(jié)構形態(tài)與有限空間射流相似，在射流剪切層外側(cè)，射流剪切層厚度先增加，后又略有減小，一方面由于側(cè)壁面對氣流的干擾所致，另一方面由于收集口結(jié)構對氣流的碰撞，也干擾了射流的正常流動路徑；而在射流剪切層內(nèi)側(cè)，受主流區(qū)高速氣流的影響，邊界層的擴展得到阻礙，擴展速度緩慢。

2.2 湍流強度

為研究流場的非定常流動特性，下面將從湍流強度入手分析試驗段內(nèi)流場的脈動分布情況。湍流強度表達的是測點脈動速度相對于參考速度的量值大小，式（2）所示。其中脈動速度的大小可通過式（3）計算得到。參考速度將選取噴口速度，并將其選定為25m／s。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在測試段主流區(qū)內(nèi)湍流度都控制在0.3%之內(nèi)，如圖6所示：

圖6 軸向?qū)ΨQ面湍流強度分布（x方向）Fig.6 Turbulence density at axle symmetry section

重點研究射流剪切層內(nèi)的湍流度，圖7給出兩種收集口角度下，試驗段橫截面x方向脈動量較大位置的湍流強度分布情況。從圖7（a）看出，到了下游即越靠近收集口的情況下，湍流強度越大。從x＝750mm的平面開始，高度（z方向）在260～350mm，寬度長度（y方向）超過210mm的區(qū)域內(nèi)，湍流強度均大于10%。比較試驗段結(jié)構尺寸不難發(fā)現(xiàn)，這個區(qū)域正好是射流剪切層所在位置，因此可以認為，在射流剪切層內(nèi)，x方向分量速度脈動達到最大值。圖中x＝750和850mm的兩個截面中，在靠近中心對稱面（y＝0mm）的位置，個別地方的湍流強度在15%～20%的范圍內(nèi)，但是在x＝900mm這個截面，湍流強度超過15%的區(qū)域反而位于靠近收集口外側(cè)的剪切層內(nèi)，可能的原因是收集口側(cè)面和上面翻板之間存在間隙，會造成氣流的二次射流，因此在這個區(qū)域內(nèi)湍流強度增大。當收集口角度為15°時，它的湍流強度分布與收集口角度為0°非常相似，只是在圖中湍流強度值沒有超過15%的區(qū)域。在x＝900mm的平面內(nèi)，其湍流強度超過10%的區(qū)域增加，這也說明，當收集口角度為15°時，在射流區(qū)下游方向擴大了射流剪切層的影響區(qū)域，盡管收集口角度為15°能夠減小整個射流剪切層的湍流強度，但是也等同于將能量分散到了射流剪切層內(nèi)，特別是靠近收集口翻板的位置，由于氣流反射面積增加，這種能量均布的現(xiàn)象更加明顯。

圖7 橫截面湍流強度分布（x方向）Fig.7 Turbulence density at virtual section（xdirection）

圖8（a）所示的縱截面剪切層內(nèi)x方向湍流強度同樣可以看到，在位于剪切層的y＝180～270mm區(qū)域內(nèi)，湍流度明顯增大，覆蓋的區(qū)域也變寬。當收集口角度為15°時，同樣發(fā)現(xiàn)它的湍流強度沒有超過15%的區(qū)域，除此以外并沒有顯著差別。這也說明，就x方向速度脈動分量來講，沿著橫截面的變化較為明顯，因此湍流強度的測量范圍要覆蓋整個射流剪切層，才能得到較詳細的非定常流場特征。

圖8 縱截面湍流強度分布（x方向）Fig.8 Turbulence density at horizon section（xdirection）

在收集口角度為0°和15°時，y方向和z方向湍流強度分布趨勢以及它們的差異與x方向大致相同，限于篇幅不予列舉。

3 結(jié) 論

以熱線風速儀為測試工具，對風洞試驗段內(nèi)流場的瞬時速度進行了不同工況的測量，根據(jù)對大量數(shù)據(jù)的分析研究，總結(jié)如下：

開口式風洞試驗段內(nèi)存在很強的非定常流場特性。噴口上方以及兩側(cè)形成剪切層，位于噴口上板處的射流在剪切層上部與自由空間射流結(jié)構類似，在噴口與收集口之間具有錐狀形態(tài)。

位于噴口側(cè)板處的射流，由于受到風洞試驗段側(cè)壁面的干擾，從噴口到收集口處的射流具有與有限空間射流類似的結(jié)構形態(tài)，在收集口處，受收集口結(jié)構的影響，流態(tài)發(fā)生改變。

流場內(nèi)主流方向（x方向）速度分量在橫截面上的湍流強度分布情況是：脈動速度值在射流剪切層內(nèi)量值較大，收集口角度為0°時，在收集口外側(cè)，由于板間存在間隙，導致了二次射流，同樣產(chǎn)生了較大的脈動速度值。

當收集口角度為15°時，在射流區(qū)下游方向擴大了射流剪切層的影響區(qū)域，能夠減小整個射流剪切層的湍流強度，也等同于將能量分散到了射流剪切層內(nèi)，特別是靠近收集口翻板的位置，由于氣流反射面積增加，就更為均勻地分布了射流剪切層的湍流強度。

x方向速度脈動分量在縱截面上分布與橫截面上的分布情況類似，但沿著橫截面的變化較為明顯，因此湍流強度的測量范圍要覆蓋整個射流剪切層，才能得到較詳細的非定常流場特征。y方向和z方向湍流強度分布趨勢以及它們的差異與x方向大致相同。

［1］YANG Z G.Shanghai automotive wind tunnel center project［C］.Proc.Stuttgart Symposium，2007.

［2］賈青，楊志剛.不同收集口角度下模型風洞試驗段內(nèi)流場的數(shù)值模擬與實驗研究［J］.實驗流體力學，2007，12（1）：93－96.

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［8］蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學泵與風機［M］.中國建筑工業(yè)出版社，1999：286－317.

賈 青（1979－），女，山東煙臺人，講師。研究方向：汽車空氣動力學與試驗技術；通訊地址：上海市嘉定區(qū)曹安公路4800號上海地面交通工具風洞中心304（201804）；聯(lián)系電話：13918370919；E－mail：qing.jia＠sawtc.com

Test research of the flow field inside the test section of the automotive wind tunnel

JIA Qing，YANG Zhi－gang，LI Qi－liang
（Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Tongji Univ.，Shanghai 201804，China）

Based on the Shanghai Automotive Wind Tunnel Center's aerodynamic and aero－acoustic wind tunnel，the 1：15scaled wind tunnel was built.Three dimensional hot－wire was used to measure flow distribution inside the test section of the wind tunnel under different conditions.By analyzing the average velocity of the airflow，the steady characteristic of the airflow inside test section of the wind tunnel was understood.By compared with a typical jet－flow，the special prism structure of the jet－flow spout out of the nozzle was obtained.Through analyzing the turbulent intensity at the different sections in test section，the distribution and intensity of the turbulance at the nozzle and collectors were understood.This research helps us to have a comprehensive understanding of the flow field inside the test section of open－jet low speed wind tunnel.

automotive wind tunnel；test section；unsteady flow field；wind tunnel test；turbulent intensity

V211.74

A

1672－9897（2011）06－0033－05

2011－01－06；

2011－04－26

高等學校博士學科點專項科研基金（20060247028）