發布日期：2022-04-27 點擊率：75
汽車風洞在特定風速范圍內可能會產生不同強弱程度的低頻振動現象，這種現象會對試驗結果和風洞結構安全產生顯著影響。本期聚焦汽車風洞低頻振動現象的產生機理和控制方法，深度探究汽車風洞實驗技術。
01.汽車風洞低頻振動的產生
汽車風洞的實驗區域主要由噴口、駐室和收集口組成，射流從噴口處產生，在收集口處匯聚，在駐室的中央區域形成穩定的主流區，待測對象位于主流區，在此可完成相應風洞試驗測試，如圖1所示。
圖1 汽車風洞噴口、駐室、收集口
氣流流出噴口后，會在噴口的自由邊緣處形成剪切層，隨著剪切層的增長，形成旋渦，旋渦脫離噴口并向下游運動，如圖2所示。
圖2 噴口處的旋渦脫落
噴口處渦脫頻率fs與噴口速度U∞和特征直徑dh = 4AN/LN（AN為噴口面積，LN為噴口周長）有關，表達式為：
其中，St為無量綱常數，即斯特羅哈數，對于圖2 所示的噴口形式，St = 0.34。
當噴口渦脫頻率和風洞固有模態的特征頻率重疊時，即可能發生風洞結構的低頻振動（buffeting），并伴隨著較大的流場壓力脈動。若只考慮流向方向，此時噴口和駐室可以簡化成單自由度彈簧質量系統，如圖3所示，噴口流體部分可等效成質量塊，駐室腔體部分可等效成彈簧，這種振動形式也稱為駐室-亥姆霍茲共振（Helmholtz resonance）。
圖3 駐室-亥姆霍茲共振腔
對于全尺寸汽車風洞，這種振動的頻率范圍為2Hz～15Hz，聲壓級一般在110dB~130dB，會帶來較大的結構振動和風噪，對氣動力和噪聲的測試結果造成影響，甚至損壞風洞結構。
02.汽車風洞低頻振動的控制
如上所述，汽車風洞的低頻振動對于風洞實驗結果和結構安全都存在著重大的隱患，需對其進行控制，常用的控制方法分為被動控制和主動控制兩種。被動控制不需對風洞系統中引入能量，只需改變風洞結構，調整氣流流動，從而起到調節壓力脈動的作用，抑制低頻振動。主動控制需要在風洞系統中輸入能量，改變氣流流動，控制壓力脈動，從而抑制低頻振動。
汽車風洞低頻振動的被動控制
被動控制方法主要在適當程度下（不影響流場特征）改變風洞結構，如在風洞噴口洞壁內側增加整流裝置，減弱噴口處渦脫落強度，或改變渦脫落頻率，從而起到控制風洞低頻振動的效果。或者在風洞收集口和第一轉角之間增加壓力調節裝置，起到調節壓力脈動的作用，從而控制風洞低頻振動。
噴口整流裝置
常用的噴口整流裝置有Seiferth翼型，可以有效的控制渦脫強度，抑制壓力脈動。但Seiferth翼型產生附加的軸向壓力梯度，影響風洞實驗結果，這是其重要缺點。
圖4 噴口整流裝置及被動控制效果
德國FKFS則基于同樣原理，自主設計了一種噴口整流裝置FKFS besst? (Beland Silent Stabilizer)，可以有效的抑制壓力脈動以及風洞的低頻振動，對于壓力脈動的控制效果如圖4 所示。
壓力補償裝置
另一種被動控制方法如圖5所示，在收集口和第一轉角之間增加壓力補償裝置，并在上洞壁處留有多處調壓孔，可以起到調節氣流壓力脈動，控制風洞低頻振動的效果。目前同濟大學汽車風洞、戴姆勒汽車風洞和保時捷汽車風洞都采用此種控制方法。
圖5 壓力補償裝置
汽車風洞低頻振動的主動控制
主動控制方法需要在流場中輸入主動能量，如奧迪汽車風洞，圖6所示，在第一轉角和第二轉角處，增加了主動諧振腔，該腔體內布置揚聲器，通過控制諧振腔內揚聲器的振幅和頻率，對風洞主流的壓力脈動進行抑制，起到控制風洞低頻振動的效果。該風洞可以實現在風速160km/h時，背景噪音僅61dB(A)。
圖6 奧迪風洞的主動控制方法
03.總結分析
對于任何汽車風洞，均有可能在特定的風速范圍內產生低頻振動，只是振動的強弱不同，這對于風洞試驗結果和風洞結構安全性有著重要的影響。因此，在風洞的早期設計階段，就需考慮風洞低頻振動的控制方法，并在風洞調試階段不斷嘗試、調整，優化控制效果，才可以在最大程度上減小風洞低頻振動對于試驗結果和結構安全性的影響。
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