贾 青，王毅刚，杨志刚

（同济大学 上海地面交通工具风洞中心，上海201804）

整车风洞是汽车空气动力学试验研究不可缺少的实验设施.传统的航空风洞通常都是闭口式风洞，汽车风洞通常采用3／4开口式风洞.该类风洞的特点是气流在喷口边缘处形成具有较大脉动量的射流剪切层.射流剪切层所围内部区域通常称为射流核心区，该处气流较为均匀，具有较低的湍流度，是模型的测试区域.具有较大脉动量的射流剪切层撞到收集口后，部分气流以压缩波的形式从收集口上或两侧返回喷口，激发新的大涡旋产生，从而形成尖劈反馈效应，其他部分气流沿着收集口进入扩散段.可见该处流动具有典型的非定常流动特性.以往的研究[1－3]对试验段内的定常流场品质有了较深入的了解，但对于试验段内气流的非定常流动特性还没完全掌握，因此需要深入研究.

低速开口回流风洞中存在一个典型现象即试验段的低频振动[4].由于在全尺寸风洞中发生该现象的频率范围主要在20 Hz以下，因而称之为低频颤振.从声振角度来讲，该现象是由于风洞结构本身的声振频率与流场压力扰动频率一致时发生共振或者流场内部之间存在着的耦合因素互相作用形成的，以往虽对该风洞的低频颤振现象进行过大量的研究[5－6]，其形成机理却尚未明确.对于流场特性的研究有助于从机理上解释低频颤振现象.为此，本文将在以往定常流动研究[1，3]基础上，使用三维热线风速仪对试验段内的非定常流动进行测量，进一步弄清试验段内气流的流动性态，从而揭示试验段内气流的流动机理，为全尺寸汽车风洞设计如收集口角度的选取提供依据.

1 试验设施及试验方法

为了便于研究低速开口回流式汽车风洞的空气动力学性能，建设了上海市地面交通工具风洞中心全尺寸3／4开口回流式低速汽车风洞的1∶15的模型风洞，如图1所示，喷口长、宽、高分别为180，433，283 mm；收集口相应尺寸为340，555，385 mm；试验段相应尺寸为1 517，1 183，818 mm.该模型风洞与全尺寸风洞具有相似的结构，在此模型风洞中进行的气动性能的试验结果对全尺寸风洞具有重要参考价值.模型风洞采用变频器来控制和实时调节风机的运行转速从而控制喷口风速，其最大喷口风速为45 m·s－1.

为得到风洞试验段内非定常流场的特性，此模型风洞配备了热线风速仪可对流场的瞬时速度进行测量.热线探头采用Dantec公司的恒温式热线风速仪55R91，测量精度在1.5%之内.为了实现模型风洞试验段内热线探头的多点测量，研制了二维移测架用于测点的准确定位.

本文涉及模型风洞试验段内的多个测点测量，将试验段内坐标系定义为：x方向（流动方向）的零点为喷口出口平面；y方向（试验段宽度方向）零点为试验段纵向对称面，靠近观察窗一侧为正；z方向（试验段高度方向）零点为试验段地面，试验段简图如图2所示.

图2 风洞内测量坐标示意Fig.2 Diagram of coordinate in the wind tunnel

为了了解试验段内从喷口到收集口之间流场的流动特性以便于选取试验时的测点位置，本文首先对风洞试验段内的流场进行了定常数值计算.如图3所示，流体在喷口处形成射流，由于测试段内外气流具有较大的速度差，因此在喷口上板边和侧板边分别形成了很明显的射流剪切层，其内部脉动量较大.在气流遇到收集口后，一部分气流继续流动进入扩散段，一部分逆流回试验段，造成脉动量的加大.为全面涵盖脉动量明显的区域，最终确定了几个测量平面.具体为沿x方向分别取测量面：x＝0，50，250，500，750，850，900 mm；沿y方向每间隔30 mm取个测量面，靠近喷口处最大测量面为y＝240 mm，收集口处较宽，其最大测量面为y＝270 mm；沿z方向以z＝20 mm为测量起始平面，每间隔30 mm取一个测量面，喷口处最高测量面为z＝260 mm，收集口处最高测量面为z＝380 mm.

图3 风洞内数值计算流场云图Fig.3 Velocity contour from simulation in the wind tunnel

根据以往的声学实验研究[6]得到在收集口角度为15°时低频颤振现象具有相对最弱的性态，而收集口角度为0°是一基本状态，因此试验分别选取收集口的这2种典型工况进行测量.喷口风速从10 m·s－1开始，以1 m·s－1为一个单位，每增加一个单位作为一个测试工况，最大喷口风速为45 m·s－1，进行了详细的实验研究.

2 结果分析与讨论

本文采用脉动速度的自功率谱密度（PSD）进行频谱分析.自功率谱密度是自相关函数的傅里叶变换，表征了信号在不同频率的功率分布情况及信号的重复特性、随机结构和相对功率，反映信号与其本身的频率移位信号之间的相似程度.信号的自相关性越强，信号的功率谱越集中，所以自功率谱密度可以将强的信号有效分辨出来.其具体公式如下：

式中：rxx（m）为自相关函数，m为时间序列；f为频率.

2.1 收集口角度为0°的实验结果分析

收集口角度为0°工况下喷口和收集口附近速度脉动较为明显，脉动速度在频率段19～21 Hz，41～45 Hz出现峰值，且当喷口风速位于24～26 m·s－1区间时，20 Hz附近出现速度脉动的最大值.在频率段41～45 Hz间也出现峰值，量值大小没有20 Hz附近高，而出现该峰值的速度均大于37 m·s－1.当喷口风速大于26 m·s－1时，峰值的频率范围仍然在19～21 Hz，41～45 Hz，但最大峰值集中在43 Hz附近，且处在该峰值附近的速度工况为喷口风速大于39 m·s－1的工况.

在收集口处脉动速度的幅值明显高于喷口处该速度工况下的幅值，即随着气流的流动脉动速度的能量逐渐加大，且在高速工况下的增幅大于在低速工况下的增幅.

收集口角度为0°工况下喷口和收集口附近相同测点的全风速y，z方向的脉动速度自功率谱对比如图4、图5所示，其中测点xyz－70－0－133表示测点距离喷口70 mm、处于中心对称面上、距离地面133 mm；图例10～45表示速度，m·s－1.

从图4可以看到在喷口附近y方向脉动速度的自 功率谱最大幅值仅有5.4×1 0－3m2·s－2·Hz－1，由于来流具有一定的不均匀性，所以在此处尚存在不同频段的脉动扰动，因此导致频率成分复杂，没有规律性.在收集口附近则出现了和x方向同一点处相同的自功率谱特点，振动幅值仅在41～45 Hz这个频率段出现，最大值为0.34，和x方向的值在同一量级，可以和x方向振动能量相互作用.

从图5可以看到，在喷口附近z方向的脉动速度没有出现振动峰值，而在收集口附近出现了和x，y方向同一点处相同的自功率谱特性，但量值小于其他2个方向，最大峰值仅为x方向的10%左右，可见此方向速度脉动影响较小.

而由于脉动速度多由射流剪切层结构引起，因此在射流剪切层内选取一点速度脉动量较大的点进行脉动速度3个分量的自功率谱特性分析.而根据以往的研究得到，在收集口侧板边附近位于剪切层内的点x＝900 mm，y＝210 mm，z＝133 mm处具有较明显的速度脉动量，如图6所示.

从图6看到3个方向的脉动速度分量的自功率谱都处于同一量值范围内，低速时的最大峰值均出现在喷口风速为25 m·s－1的速度工况，而高速时最大峰值均出现在喷口风速为41 m·s－1的速度工况.因此下面给出试验段内在这2种喷口风速工况下不同位置处脉动速度x分量的自功率谱特性（图7）.

由图7可见，脉动速度振动幅值最大的3个位置为xyz－500－0－323，xyz－900－0－263，xyz－900－0－378，均位于剪切层内，当速度为25 m·s－1时，最大幅值位于20 Hz附近，而当速度为41 m·s－1时，最大幅值位于43 Hz附近.脉动速度振动幅值都是随着气流的流动而增加的，且在高速工况下增加的幅度较低速工况下大.

2.2 收集口角度为0°和15°的结果对比

在射流剪切层内喷口和收集口处选取2个测点，x yz－70－0－133和xyz－900－0－263，对它们x方向的脉动速度分量进行收集口角度为0°和15°工况下自功率谱特性对比分析，如图8所示.无论在喷口处还是在收集口处，脉动速度振动幅值在收集口角度为15°的工况下的量值远小于收集口角度为0°的工况.下面具体给出收集口角度为15°时，剪切层内测点脉动速度3个方向分量的全风速段自功率谱特性对比图，如图9.

比较图9发现在收集口角度为15°的工况下，x方向最大幅值减小了82.9%，y方向的最大幅值减小了91.8%，z方向的最大幅值减小了91.7%.

3 结论

以热线风速仪为测量工具对风洞试验段内流场的瞬时速度进行了不同工况的测量，对实验所得数据进行了频谱分析，得到结论如下：

（1）脉动速度能量是三维的，3个方向脉动速度的分量具有相同的频率特征，共同构成了风洞试验段内整体脉动速度场的能量分布.但射流区域和剪切层区域脉动速度表现出明显不同的特性.在射流区域，沿x和y方向的脉动速度量级相当，但z方向小一个量级；而剪切层内脉动速度在3个方向量级相当.这一结果对识别射流区的非定常流动特性具有重要的参考价值.

（2）在剪切层内脉动速度振动能量较大，在低速段脉动速度能量随气流的流动而增加，振动能量集中在20 Hz附近，且在喷口风速为25 m·s－1时得到最大值；在高速时增加的幅度明显高于低速工况.在高速段能量集中在40～45 Hz附近，且在喷口风速为41 m·s－1时得到最大幅值.

（3）脉动速度在3个分量上的振动幅值的量值在收集口角度为15°的工况下均明显小于收集口角度为0°工况.

[1] 贾青，杨志刚.不同收集口角度下模型风洞试验段内流场的数值模拟与实验研究[J].实验流体力学，2007，12（1）：93.JIA Qing，YANG Zhigang.Simulation and test research for model wind tunnel test section at different collector angles[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2007，12（1）：93.

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