賈 青，王毅剛，楊志剛

（同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804）

整車風(fēng)洞是汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究不可缺少的實(shí)驗(yàn)設(shè)施.傳統(tǒng)的航空風(fēng)洞通常都是閉口式風(fēng)洞，汽車風(fēng)洞通常采用3／4開口式風(fēng)洞.該類風(fēng)洞的特點(diǎn)是氣流在噴口邊緣處形成具有較大脈動(dòng)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(cè)試區(qū)域.具有較大脈動(dòng)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(yīng)，其他部分氣流沿著收集口進(jìn)入擴(kuò)散段.可見該處流動(dòng)具有典型的非定常流動(dòng)特性.以往的研究[1－3]對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)的定常流場品質(zhì)有了較深入的了解，但對(duì)于試驗(yàn)段內(nèi)氣流的非定常流動(dòng)特性還沒完全掌握，因此需要深入研究.

低速開口回流風(fēng)洞中存在一個(gè)典型現(xiàn)象即試驗(yàn)段的低頻振動(dòng)[4].由于在全尺寸風(fēng)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(fēng)洞結(jié)構(gòu)本身的聲振頻率與流場壓力擾動(dòng)頻率一致時(shí)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(duì)該風(fēng)洞的低頻顫振現(xiàn)象進(jìn)行過大量的研究[5－6]，其形成機(jī)理卻尚未明確.對(duì)于流場特性的研究有助于從機(jī)理上解釋低頻顫振現(xiàn)象.為此，本文將在以往定常流動(dòng)研究[1，3]基礎(chǔ)上，使用三維熱線風(fēng)速儀對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)的非定常流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步弄清試驗(yàn)段內(nèi)氣流的流動(dòng)性態(tài)，從而揭示試驗(yàn)段內(nèi)氣流的流動(dòng)機(jī)理，為全尺寸汽車風(fēng)洞設(shè)計(jì)如收集口角度的選取提供依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)施及試驗(yàn)方法

為了便于研究低速開口回流式汽車風(fēng)洞的空氣動(dòng)力學(xué)性能，建設(shè)了上海市地面交通工具風(fēng)洞中心全尺寸3／4開口回流式低速汽車風(fēng)洞的1∶15的模型風(fēng)洞，如圖1所示，噴口長、寬、高分別為180，433，283 mm；收集口相應(yīng)尺寸為340，555，385 mm；試驗(yàn)段相應(yīng)尺寸為1 517，1 183，818 mm.該模型風(fēng)洞與全尺寸風(fēng)洞具有相似的結(jié)構(gòu)，在此模型風(fēng)洞中進(jìn)行的氣動(dòng)性能的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)全尺寸風(fēng)洞具有重要參考價(jià)值.模型風(fēng)洞采用變頻器來控制和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速從而控制噴口風(fēng)速，其最大噴口風(fēng)速為45 m·s－1.

為得到風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)非定常流場的特性，此模型風(fēng)洞配備了熱線風(fēng)速儀可對(duì)流場的瞬時(shí)速度進(jìn)行測(cè)量.熱線探頭采用Dantec公司的恒溫式熱線風(fēng)速儀55R91，測(cè)量精度在1.5%之內(nèi).為了實(shí)現(xiàn)模型風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)熱線探頭的多點(diǎn)測(cè)量，研制了二維移測(cè)架用于測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位.

本文涉及模型風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的多個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量，將試驗(yàn)段內(nèi)坐標(biāo)系定義為：x方向（流動(dòng)方向）的零點(diǎn)為噴口出口平面；y方向（試驗(yàn)段寬度方向）零點(diǎn)為試驗(yàn)段縱向?qū)ΨQ面，靠近觀察窗一側(cè)為正；z方向（試驗(yàn)段高度方向）零點(diǎn)為試驗(yàn)段地面，試驗(yàn)段簡圖如圖2所示.

圖2 風(fēng)洞內(nèi)測(cè)量坐標(biāo)示意Fig.2 Diagram of coordinate in the wind tunnel

為了了解試驗(yàn)段內(nèi)從噴口到收集口之間流場的流動(dòng)特性以便于選取試驗(yàn)時(shí)的測(cè)點(diǎn)位置，本文首先對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的流場進(jìn)行了定常數(shù)值計(jì)算.如圖3所示，流體在噴口處形成射流，由于測(cè)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(dòng)量較大.在氣流遇到收集口后，一部分氣流繼續(xù)流動(dòng)進(jìn)入擴(kuò)散段，一部分逆流回試驗(yàn)段，造成脈動(dòng)量的加大.為全面涵蓋脈動(dòng)量明顯的區(qū)域，最終確定了幾個(gè)測(cè)量平面.具體為沿x方向分別取測(cè)量面：x＝0，50，250，500，750，850，900 mm；沿y方向每間隔30 mm取個(gè)測(cè)量面，靠近噴口處最大測(cè)量面為y＝240 mm，收集口處較寬，其最大測(cè)量面為y＝270 mm；沿z方向以z＝20 mm為測(cè)量起始平面，每間隔30 mm取一個(gè)測(cè)量面，噴口處最高測(cè)量面為z＝260 mm，收集口處最高測(cè)量面為z＝380 mm.

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

根據(jù)以往的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[6]得到在收集口角度為15°時(shí)低頻顫振現(xiàn)象具有相對(duì)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(yàn)分別選取收集口的這2種典型工況進(jìn)行測(cè)量.噴口風(fēng)速從10 m·s－1開始，以1 m·s－1為一個(gè)單位，每增加一個(gè)單位作為一個(gè)測(cè)試工況，最大噴口風(fēng)速為45 m·s－1，進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究.

2 結(jié)果分析與討論

本文采用脈動(dòng)速度的自功率譜密度（PSD）進(jìn)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(hào)在不同頻率的功率分布情況及信號(hào)的重復(fù)特性、隨機(jī)結(jié)構(gòu)和相對(duì)功率，反映信號(hào)與其本身的頻率移位信號(hào)之間的相似程度.信號(hào)的自相關(guān)性越強(qiáng)，信號(hào)的功率譜越集中，所以自功率譜密度可以將強(qiáng)的信號(hào)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(shí)間序列；f為頻率.

2.1 收集口角度為0°的實(shí)驗(yàn)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(dòng)較為明顯，脈動(dòng)速度在頻率段19～21 Hz，41～45 Hz出現(xiàn)峰值，且當(dāng)噴口風(fēng)速位于24～26 m·s－1區(qū)間時(shí)，20 Hz附近出現(xiàn)速度脈動(dòng)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(dāng)噴口風(fēng)速大于26 m·s－1時(shí)，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(fēng)速大于39 m·s－1的工況.

在收集口處脈動(dòng)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(dòng)脈動(dòng)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(cè)點(diǎn)的全風(fēng)速y，z方向的脈動(dòng)速度自功率譜對(duì)比如圖4、圖5所示，其中測(cè)點(diǎn)xyz－70－0－133表示測(cè)點(diǎn)距離噴口70 mm、處于中心對(duì)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(dòng)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(dòng)擾動(dòng)，因此導(dǎo)致頻率成分復(fù)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(diǎn)處相同的自功率譜特點(diǎn)，振動(dòng)幅值僅在41～45 Hz這個(gè)頻率段出現(xiàn)，最大值為0.34，和x方向的值在同一量級(jí)，可以和x方向振動(dòng)能量相互作用.

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

而由于脈動(dòng)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(diǎn)速度脈動(dòng)量較大的點(diǎn)進(jìn)行脈動(dòng)速度3個(gè)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(diǎn)x＝900 mm，y＝210 mm，z＝133 mm處具有較明顯的速度脈動(dòng)量，如圖6所示.

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

由圖7可見，脈動(dòng)速度振動(dòng)幅值最大的3個(gè)位置為xyz－500－0－323，xyz－900－0－263，xyz－900－0－378，均位于剪切層內(nèi)，當(dāng)速度為25 m·s－1時(shí)，最大幅值位于20 Hz附近，而當(dāng)速度為41 m·s－1時(shí)，最大幅值位于43 Hz附近.脈動(dòng)速度振動(dòng)幅值都是隨著氣流的流動(dòng)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(duì)比

在射流剪切層內(nèi)噴口和收集口處選取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，x yz－70－0－133和xyz－900－0－263，對(duì)它們x方向的脈動(dòng)速度分量進(jìn)行收集口角度為0°和15°工況下自功率譜特性對(duì)比分析，如圖8所示.無論在噴口處還是在收集口處，脈動(dòng)速度振動(dòng)幅值在收集口角度為15°的工況下的量值遠(yuǎn)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(shí)，剪切層內(nèi)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)速度3個(gè)方向分量的全風(fēng)速段自功率譜特性對(duì)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(fēng)速儀為測(cè)量工具對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)流場的瞬時(shí)速度進(jìn)行了不同工況的測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，得到結(jié)論如下：

（1）脈動(dòng)速度能量是三維的，3個(gè)方向脈動(dòng)速度的分量具有相同的頻率特征，共同構(gòu)成了風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)整體脈動(dòng)速度場的能量分布.但射流區(qū)域和剪切層區(qū)域脈動(dòng)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(dòng)速度量級(jí)相當(dāng)，但z方向小一個(gè)量級(jí)；而剪切層內(nèi)脈動(dòng)速度在3個(gè)方向量級(jí)相當(dāng).這一結(jié)果對(duì)識(shí)別射流區(qū)的非定常流動(dòng)特性具有重要的參考價(jià)值.

（2）在剪切層內(nèi)脈動(dòng)速度振動(dòng)能量較大，在低速段脈動(dòng)速度能量隨氣流的流動(dòng)而增加，振動(dòng)能量集中在20 Hz附近，且在噴口風(fēng)速為25 m·s－1時(shí)得到最大值；在高速時(shí)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(fēng)速為41 m·s－1時(shí)得到最大幅值.

（3）脈動(dòng)速度在3個(gè)分量上的振動(dòng)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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