汽車風洞在特定風速范圍內(nèi)可能會產(chǎn)生不同強弱程度的低頻振動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會對試驗結(jié)果和風洞結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生顯著影響。本期聚焦汽車風洞低頻振動現(xiàn)象的產(chǎn)生機理和控制方法，深度探究汽車風洞實驗技術(shù)。
01.汽車風洞低頻振動的產(chǎn)生
汽車風洞的實驗區(qū)域主要由噴口、駐室和收集口組成，射流從噴口處產(chǎn)生，在收集口處匯聚，在駐室的中央?yún)^(qū)域形成穩(wěn)定的主流區(qū)，待測對象位于主流區(qū)，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(guān)，表達式為：
其中，St為無量綱常數(shù)，即斯特羅哈數(shù)，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(tài)的特征頻率重疊時，即可能發(fā)生風洞結(jié)構(gòu)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(zhì)量系統(tǒng)，如圖3所示，噴口流體部分可等效成質(zhì)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(jié)構(gòu)振動和風噪，對氣動力和噪聲的測試結(jié)果造成影響，甚至損壞風洞結(jié)構(gòu)。
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(jié)果和結(jié)構(gòu)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(tǒng)中引入能量，只需改變風洞結(jié)構(gòu)，調(diào)整氣流流動，從而起到調(diào)節(jié)壓力脈動的作用，抑制低頻振動。主動控制需要在風洞系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，如在風洞噴口洞壁內(nèi)側(cè)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?；蛘咴陲L洞收集口和第一轉(zhuǎn)角之間增加壓力調(diào)節(jié)裝置，起到調(diào)節(jié)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(chǎn)生附加的軸向壓力梯度，影響風洞實驗結(jié)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(shè)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(zhuǎn)角之間增加壓力補償裝置，并在上洞壁處留有多處調(diào)壓孔，可以起到調(diào)節(jié)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(zhuǎn)角和第二轉(zhuǎn)角處，增加了主動諧振腔，該腔體內(nèi)布置揚聲器，通過控制諧振腔內(nèi)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(xiàn)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(jié)分析
對于任何汽車風洞，均有可能在特定的風速范圍內(nèi)產(chǎn)生低頻振動，只是振動的強弱不同，這對于風洞試驗結(jié)果和風洞結(jié)構(gòu)安全性有著重要的影響。因此，在風洞的早期設(shè)計階段，就需考慮風洞低頻振動的控制方法，并在風洞調(diào)試階段不斷嘗試、調(diào)整，優(yōu)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(jié)果和結(jié)構(gòu)安全性的影響。
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