汽車風洞試驗段非定常流場的試驗

賈 青，王毅剛，楊志剛

（同濟大學 上海地面交通工具風洞中心，上海201804）

整車風洞是汽車空氣動力學試驗研究不可缺少的實驗設(shè)施.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3／4開口式風洞.該類風洞的特點是氣流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，部分氣流以壓縮波的形式從收集口上或兩側(cè)返回噴口，激發(fā)新的大渦旋產(chǎn)生，從而形成尖劈反饋效應，其他部分氣流沿著收集口進入擴散段.可見該處流動具有典型的非定常流動特性.以往的研究[1－3]對試驗段內(nèi)的定常流場品質(zhì)有了較深入的了解，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[4].由于在全尺寸風洞中發(fā)生該現(xiàn)象的頻率范圍主要在20 Hz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(gòu)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[5－6]，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，本文將在以往定常流動研究[1，3]基礎(chǔ)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)氣流的流動性態(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(shè)計如收集口角度的選取提供依據(jù).

1 試驗設(shè)施及試驗方法

為了便于研究低速開口回流式汽車風洞的空氣動力學性能，建設(shè)了上海市地面交通工具風洞中心全尺寸3／4開口回流式低速汽車風洞的1∶15的模型風洞，如圖1所示，噴口長、寬、高分別為180，433，283 mm；收集口相應尺寸為340，555，385 mm；試驗段相應尺寸為1 517，1 183，818 mm.該模型風洞與全尺寸風洞具有相似的結(jié)構(gòu)，在此模型風洞中進行的氣動性能的試驗結(jié)果對全尺寸風洞具有重要參考價值.模型風洞采用變頻器來控制和實時調(diào)節(jié)風機的運行轉(zhuǎn)速從而控制噴口風速，其最大噴口風速為45 m·s－1.

為得到風洞試驗段內(nèi)非定常流場的特性，此模型風洞配備了熱線風速儀可對流場的瞬時速度進行測量.熱線探頭采用Dantec公司的恒溫式熱線風速儀55R91，測量精度在1.5%之內(nèi).為了實現(xiàn)模型風洞試驗段內(nèi)熱線探頭的多點測量，研制了二維移測架用于測點的準確定位.

本文涉及模型風洞試驗段內(nèi)的多個測點測量，將試驗段內(nèi)坐標系定義為：x方向（流動方向）的零點為噴口出口平面；y方向（試驗段寬度方向）零點為試驗段縱向?qū)ΨQ面，靠近觀察窗一側(cè)為正；z方向（試驗段高度方向）零點為試驗段地面，試驗段簡圖如圖2所示.

圖2 風洞內(nèi)測量坐標示意Fig.2 Diagram of coordinate in the wind tunnel

為了了解試驗段內(nèi)從噴口到收集口之間流場的流動特性以便于選取試驗時的測點位置，本文首先對風洞試驗段內(nèi)的流場進行了定常數(shù)值計算.如圖3所示，流體在噴口處形成射流，由于測試段內(nèi)外氣流具有較大的速度差，因此在噴口上板邊和側(cè)板邊分別形成了很明顯的射流剪切層，其內(nèi)部脈動量較大.在氣流遇到收集口后，一部分氣流繼續(xù)流動進入擴散段，一部分逆流回試驗段，造成脈動量的加大.為全面涵蓋脈動量明顯的區(qū)域，最終確定了幾個測量平面.具體為沿x方向分別取測量面：x＝0，50，250，500，750，850，900 mm；沿y方向每間隔30 mm取個測量面，靠近噴口處最大測量面為y＝240 mm，收集口處較寬，其最大測量面為y＝270 mm；沿z方向以z＝20 mm為測量起始平面，每間隔30 mm取一個測量面，噴口處最高測量面為z＝260 mm，收集口處最高測量面為z＝380 mm.

圖3 風洞內(nèi)數(shù)值計算流場云圖Fig.3 Velocity contour from simulation in the wind tunnel

根據(jù)以往的聲學實驗研究[6]得到在收集口角度為15°時低頻顫振現(xiàn)象具有相對最弱的性態(tài)，而收集口角度為0°是一基本狀態(tài)，因此試驗分別選取收集口的這2種典型工況進行測量.噴口風速從10 m·s－1開始，以1 m·s－1為一個單位，每增加一個單位作為一個測試工況，最大噴口風速為45 m·s－1，進行了詳細的實驗研究.

2 結(jié)果分析與討論

本文采用脈動速度的自功率譜密度（PSD）進行頻譜分析.自功率譜密度是自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，表征了信號在不同頻率的功率分布情況及信號的重復特性、隨機結(jié)構(gòu)和相對功率，反映信號與其本身的頻率移位信號之間的相似程度.信號的自相關(guān)性越強，信號的功率譜越集中，所以自功率譜密度可以將強的信號有效分辨出來.其具體公式如下：

式中：rxx（m）為自相關(guān)函數(shù)，m為時間序列；f為頻率.

2.1 收集口角度為0°的實驗結(jié)果分析

收集口角度為0°工況下噴口和收集口附近速度脈動較為明顯，脈動速度在頻率段19～21 Hz，41～45 Hz出現(xiàn)峰值，且當噴口風速位于24～26 m·s－1區(qū)間時，20 Hz附近出現(xiàn)速度脈動的最大值.在頻率段41～45 Hz間也出現(xiàn)峰值，量值大小沒有20 Hz附近高，而出現(xiàn)該峰值的速度均大于37 m·s－1.當噴口風速大于26 m·s－1時，峰值的頻率范圍仍然在19～21 Hz，41～45 Hz，但最大峰值集中在43 Hz附近，且處在該峰值附近的速度工況為噴口風速大于39 m·s－1的工況.

在收集口處脈動速度的幅值明顯高于噴口處該速度工況下的幅值，即隨著氣流的流動脈動速度的能量逐漸加大，且在高速工況下的增幅大于在低速工況下的增幅.

收集口角度為0°工況下噴口和收集口附近相同測點的全風速y，z方向的脈動速度自功率譜對比如圖4、圖5所示，其中測點xyz－70－0－133表示測點距離噴口70 mm、處于中心對稱面上、距離地面133 mm；圖例10～45表示速度，m·s－1.

從圖4可以看到在噴口附近y方向脈動速度的自 功率譜最大幅值僅有5.4×1 0－3m2·s－2·Hz－1，由于來流具有一定的不均勻性，所以在此處尚存在不同頻段的脈動擾動，因此導致頻率成分復雜，沒有規(guī)律性.在收集口附近則出現(xiàn)了和x方向同一點處相同的自功率譜特點，振動幅值僅在41～45 Hz這個頻率段出現(xiàn)，最大值為0.34，和x方向的值在同一量級，可以和x方向振動能量相互作用.

從圖5可以看到，在噴口附近z方向的脈動速度沒有出現(xiàn)振動峰值，而在收集口附近出現(xiàn)了和x，y方向同一點處相同的自功率譜特性，但量值小于其他2個方向，最大峰值僅為x方向的10%左右，可見此方向速度脈動影響較小.

而由于脈動速度多由射流剪切層結(jié)構(gòu)引起，因此在射流剪切層內(nèi)選取一點速度脈動量較大的點進行脈動速度3個分量的自功率譜特性分析.而根據(jù)以往的研究得到，在收集口側(cè)板邊附近位于剪切層內(nèi)的點x＝900 mm，y＝210 mm，z＝133 mm處具有較明顯的速度脈動量，如圖6所示.

從圖6看到3個方向的脈動速度分量的自功率譜都處于同一量值范圍內(nèi)，低速時的最大峰值均出現(xiàn)在噴口風速為25 m·s－1的速度工況，而高速時最大峰值均出現(xiàn)在噴口風速為41 m·s－1的速度工況.因此下面給出試驗段內(nèi)在這2種噴口風速工況下不同位置處脈動速度x分量的自功率譜特性（圖7）.

由圖7可見，脈動速度振動幅值最大的3個位置為xyz－500－0－323，xyz－900－0－263，xyz－900－0－378，均位于剪切層內(nèi)，當速度為25 m·s－1時，最大幅值位于20 Hz附近，而當速度為41 m·s－1時，最大幅值位于43 Hz附近.脈動速度振動幅值都是隨著氣流的流動而增加的，且在高速工況下增加的幅度較低速工況下大.

2.2 收集口角度為0°和15°的結(jié)果對比

在射流剪切層內(nèi)噴口和收集口處選取2個測點，x yz－70－0－133和xyz－900－0－263，對它們x方向的脈動速度分量進行收集口角度為0°和15°工況下自功率譜特性對比分析，如圖8所示.無論在噴口處還是在收集口處，脈動速度振動幅值在收集口角度為15°的工況下的量值遠小于收集口角度為0°的工況.下面具體給出收集口角度為15°時，剪切層內(nèi)測點脈動速度3個方向分量的全風速段自功率譜特性對比圖，如圖9.

比較圖9發(fā)現(xiàn)在收集口角度為15°的工況下，x方向最大幅值減小了82.9%，y方向的最大幅值減小了91.8%，z方向的最大幅值減小了91.7%.

3 結(jié)論

以熱線風速儀為測量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，對實驗所得數(shù)據(jù)進行了頻譜分析，得到結(jié)論如下：

（1）脈動速度能量是三維的，3個方向脈動速度的分量具有相同的頻率特征，共同構(gòu)成了風洞試驗段內(nèi)整體脈動速度場的能量分布.但射流區(qū)域和剪切層區(qū)域脈動速度表現(xiàn)出明顯不同的特性.在射流區(qū)域，沿x和y方向的脈動速度量級相當，但z方向小一個量級；而剪切層內(nèi)脈動速度在3個方向量級相當.這一結(jié)果對識別射流區(qū)的非定常流動特性具有重要的參考價值.

（2）在剪切層內(nèi)脈動速度振動能量較大，在低速段脈動速度能量隨氣流的流動而增加，振動能量集中在20 Hz附近，且在噴口風速為25 m·s－1時得到最大值；在高速時增加的幅度明顯高于低速工況.在高速段能量集中在40～45 Hz附近，且在噴口風速為41 m·s－1時得到最大幅值.

（3）脈動速度在3個分量上的振動幅值的量值在收集口角度為15°的工況下均明顯小于收集口角度為0°工況.

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