汽车风洞试验段流场的试验研究
2011-06-15杨志刚李启良
贾 青,杨志刚,李启良
(同济大学 上海地面交通工具风洞中心,上海 201804)
汽车风洞试验段流场的试验研究
贾 青,杨志刚,李启良
(同济大学 上海地面交通工具风洞中心,上海 201804)
以上海地面交通工具风洞中心全尺寸气动声学风洞1∶15模型风洞为研究对象,采用三维热线风速仪,测量了该模型风洞内不同工况下试验段内流场的分布情况。通过所测流场内平均速度的分析,了解该模型风洞试验段内气流的定常流动形态,对比典型射流结构进行分析,得到了该开口式低速汽车风洞试验段内喷口处射流剪切层所特有的结构形态;通过对风洞试验段内不同截面处流场内部湍流强度的分析比较,了解了喷口射流剪切层内以及收集口处的湍流强度大小与分布情况。
汽车风洞;试验段;非定常流场;风洞试验;湍流强度
0 引 言
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。为了满足中国汽车工业的需要,包括全尺寸气动-声学风洞和热环境风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]。该风洞具有较低的背景噪音水平、良好的地面模拟系统和较高的空气动力测量精度,这些良好性能的获得均离不开过去大量的数值与试验研究。
传统的航空风洞通常都是闭口式风洞,汽车风洞通常采用开口式风洞。该类风洞的特点是,一方面,试验空间较大,能有效减少壁面对流场的干扰,试验测量的精度与试验段内流场的品质有很大的关系,对于平均流场而言,越平稳的气流就越接近汽车实际运行的环境工况,对于平均气流的研究,可以为风洞结构的优化提供依据,为非定常气流的研究打下基础。另一方面,气流会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,部分气流向上或两侧返回喷口形成大旋涡,从而形成尖劈反馈效应,大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。通过以往的研究[2-5],对试验段内的定常流场品质有了一定的了解。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,由于在全尺寸风洞中发生该现象的频率范围主要在20Hz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[6-7],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,将在以往定常流动研究[2-5]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形态,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提供依据。
1 试验方法
为了研究汽车风洞空气动力学性能,建设1∶15的模型风洞,如图1所示,其中喷口高283mm,宽433mm,长180mm,收集口高385mm,宽555mm,长340mm。模型风洞速度由风机电机控制,其最大喷口风速为45m/s。试验进行多种工况的测量:收集口的角度分别选取0°和15°两种典型工况。对每种收集口角度进行了不同速度的测量,以1m/s为一个单位,每增加一个单位作为一个测试工况,最小速度为10m/s的喷口风速,最大到37m/s的喷口风速。
图1 模型风洞示意图Fig.1 Schematic of model wind tunnel
三维热线风速仪用于风洞试验段内非定常流场测量,其中热线探头采用Dantec公司55R91型恒温式探头。
在测量时,首先进行速度标定,得到此三维热线探头的测量精度在1.5%之内,标定结果如图2所示。
热线探头是单点测量,配备二维移测架用于测点的准确定位。在测点选取时,参考以往对风洞试验段内流场的计算情况,考虑不同截面速度分布及湍流度变化,最终确定了几个测量平面,坐标如图3所示。具体为沿X方向分别取测量面:X=0,50,250,500,750,850和900mm;沿Y方向每间隔30mm取一个测量面,靠近喷口处最大测量面为Y=240mm,收集口处较宽,其最大测量面为Y=270mm;沿Z方向以Z=20mm为测量起始平面,每间隔30mm取一个测量面,喷口处最高测量面为Z=260mm,收集口处最高测量面为Z=380mm。
图2 速度标定误差结果Fig.2 Errors for three dimensional hot-wire probe
图3 风洞内测量坐标示意图Fig.3 Diagram of coordinate in the wind tunnel
2 结果分析与讨论
2.1 平均速度
首先以收集口角度为0°的工况为例,分析风洞试验段内平均流场的结构。将热线测量所得各方向的瞬时速度进行平均,得到各测点的平均速度,具体计算公式由式(1)给出:
根据以往的数值研究得到在喷口风速为25m/s时,风洞试验段内气流的脉动量较大,因此以此风速为例首先进行分析。
理论上,对于标准无限大空间内的射流结构[8],如图4(a)中给出,气流自半径为r0的圆断面喷嘴喷出。出口断面上的速度认为均匀分布,皆为u0,且流动为湍流。取射流轴线Mx为x轴。由于射流为湍流型,湍流的横向脉动造成射流与周围介质之间不断发生质量、动量交换,带动周围介质流动,使射流的质量流量、射流的截面面积沿x方向不断增加,形成了向周围扩散的锥状流场,如图4(a)所示的锥体CAMDF。沿x方向流动,射流不断带入周围介质,不仅使边界扩张,而且使射流主体的速度逐渐降低。射流剪切层从出口开始沿流程不断地向外扩散,带动周围介质进入剪切层,同时向射流中心扩展,至某一距离处,剪切层扩展到射流轴心线,核心区域消失。
图4 射流结构Fig.4 Structure of the jet-flow
对于有限空间射流结构,由于空间边壁限制了射流剪切层的发展扩散,射流半径及流量不是一直增加,增加到一定程度后反而逐渐减小,使其边界线呈橄榄形,如图4(b)所示。重要的特征是橄榄形的边界外部与固体边壁间形成与射流方向相反的回流区,于是流线呈闭合状。
射流出口至断面Ⅰ-Ⅰ,因为固体边壁尚未妨碍射流剪切层的扩展,各运动参数所遵循的规律与自由射流一样。
从Ⅰ-Ⅰ断面开始,射流剪切层扩展受到影响,卷吸周围气体的作用减弱,因而射流半径和流量的增加速率逐渐减慢,与此同时射流中心速度减小的速率也变慢些。但总的趋势还是半径逐渐增加,流量随之渐增。达到Ⅱ-Ⅱ断面,射流流线开始跃出边界产生回流。射流主体流量开始沿程逐渐减少。仅在Ⅱ-Ⅱ断面上主体流量为最大值。见图4(b)上的速度曲线。橄榄形边界内部为射流主体的速度分布线,外部是回流速度分布线。
对于本文研究的风洞,为开口式风洞,测试区位于图4(a)所示的射流核心区即MO段,此处均匀气流所占面积最大,但受试验段壁面的影响,在喷口处形成的射流为有限空间射流,图5(a)给出了喷口速度为25m/s,流动方向中心对称面(y=0mm)试验段内从喷口到收集口的流场平均速度云图,其中颜色显示不同的速度范围。可以看到,主流区即射流核心区大约位于高20~260mm处,此处速度集中在20~24m/s的区域,受前端湍流度的影响,来流存在一定不均匀性。在喷口出口上边缘处形成射流剪切层,定义为:通过卷吸作用,速度方向不变,而大小不断变化的区域为射流剪切层,可以断定射流剪切层的位置大概位于离地面260~380mm的高度。与标准射流结构不同的是,此处射流出口即喷口直接与风洞底面相交,因此从其中心对称面上来看是空间非对称的,相当于从轴心处将标准射流结构作了对分,核心区直接接触底面。射流剪切层上部与速度接近为零的低速流体相接,卷吸外界低速气流,形成了截面面积沿x方向不断增加的锥状流动,其结构形态与图4(a)中的射流形态类似。下部核心区在近壁面处受壁面剪切层的影响,在到达收集口时,速度有所降低。
图5 射流云图Fig.5 Contour of the jet-flow
图5(b)中显示的是高度方向中截面的平均速度云图。在宽度方向上射流结构形态与有限空间射流相似,在射流剪切层外侧,射流剪切层厚度先增加,后又略有减小,一方面由于侧壁面对气流的干扰所致,另一方面由于收集口结构对气流的碰撞,也干扰了射流的正常流动路径;而在射流剪切层内侧,受主流区高速气流的影响,边界层的扩展得到阻碍,扩展速度缓慢。
2.2 湍流强度
为研究流场的非定常流动特性,下面将从湍流强度入手分析试验段内流场的脉动分布情况。湍流强度表达的是测点脉动速度相对于参考速度的量值大小,式(2)所示。其中脉动速度的大小可通过式(3)计算得到。参考速度将选取喷口速度,并将其选定为25m/s。
根据实验数据,在测试段主流区内湍流度都控制在0.3%之内,如图6所示:
图6 轴向对称面湍流强度分布(x方向)Fig.6 Turbulence density at axle symmetry section
重点研究射流剪切层内的湍流度,图7给出两种收集口角度下,试验段横截面x方向脉动量较大位置的湍流强度分布情况。从图7(a)看出,到了下游即越靠近收集口的情况下,湍流强度越大。从x=750mm的平面开始,高度(z方向)在260~350mm,宽度长度(y方向)超过210mm的区域内,湍流强度均大于10%。比较试验段结构尺寸不难发现,这个区域正好是射流剪切层所在位置,因此可以认为,在射流剪切层内,x方向分量速度脉动达到最大值。图中x=750和850mm的两个截面中,在靠近中心对称面(y=0mm)的位置,个别地方的湍流强度在15%~20%的范围内,但是在x=900mm这个截面,湍流强度超过15%的区域反而位于靠近收集口外侧的剪切层内,可能的原因是收集口侧面和上面翻板之间存在间隙,会造成气流的二次射流,因此在这个区域内湍流强度增大。当收集口角度为15°时,它的湍流强度分布与收集口角度为0°非常相似,只是在图中湍流强度值没有超过15%的区域。在x=900mm的平面内,其湍流强度超过10%的区域增加,这也说明,当收集口角度为15°时,在射流区下游方向扩大了射流剪切层的影响区域,尽管收集口角度为15°能够减小整个射流剪切层的湍流强度,但是也等同于将能量分散到了射流剪切层内,特别是靠近收集口翻板的位置,由于气流反射面积增加,这种能量均布的现象更加明显。
图7 横截面湍流强度分布(x方向)Fig.7 Turbulence density at virtual section(xdirection)
图8(a)所示的纵截面剪切层内x方向湍流强度同样可以看到,在位于剪切层的y=180~270mm区域内,湍流度明显增大,覆盖的区域也变宽。当收集口角度为15°时,同样发现它的湍流强度没有超过15%的区域,除此以外并没有显著差别。这也说明,就x方向速度脉动分量来讲,沿着横截面的变化较为明显,因此湍流强度的测量范围要覆盖整个射流剪切层,才能得到较详细的非定常流场特征。
图8 纵截面湍流强度分布(x方向)Fig.8 Turbulence density at horizon section(xdirection)
在收集口角度为0°和15°时,y方向和z方向湍流强度分布趋势以及它们的差异与x方向大致相同,限于篇幅不予列举。
3 结 论
以热线风速仪为测试工具,对风洞试验段内流场的瞬时速度进行了不同工况的测量,根据对大量数据的分析研究,总结如下:
开口式风洞试验段内存在很强的非定常流场特性。喷口上方以及两侧形成剪切层,位于喷口上板处的射流在剪切层上部与自由空间射流结构类似,在喷口与收集口之间具有锥状形态。
位于喷口侧板处的射流,由于受到风洞试验段侧壁面的干扰,从喷口到收集口处的射流具有与有限空间射流类似的结构形态,在收集口处,受收集口结构的影响,流态发生改变。
流场内主流方向(x方向)速度分量在横截面上的湍流强度分布情况是:脉动速度值在射流剪切层内量值较大,收集口角度为0°时,在收集口外侧,由于板间存在间隙,导致了二次射流,同样产生了较大的脉动速度值。
当收集口角度为15°时,在射流区下游方向扩大了射流剪切层的影响区域,能够减小整个射流剪切层的湍流强度,也等同于将能量分散到了射流剪切层内,特别是靠近收集口翻板的位置,由于气流反射面积增加,就更为均匀地分布了射流剪切层的湍流强度。
x方向速度脉动分量在纵截面上分布与横截面上的分布情况类似,但沿着横截面的变化较为明显,因此湍流强度的测量范围要覆盖整个射流剪切层,才能得到较详细的非定常流场特征。y方向和z方向湍流强度分布趋势以及它们的差异与x方向大致相同。
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贾 青(1979-),女,山东烟台人,讲师。研究方向:汽车空气动力学与试验技术;通讯地址:上海市嘉定区曹安公路4800号上海地面交通工具风洞中心304(201804);联系电话: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
高等学校博士学科点专项科研基金(20060247028)