3-4開口式汽車風(fēng)洞噴口射流剪切層試驗(yàn)研究報(bào)告

1、.3/4開口式汽車風(fēng)洞噴口射流剪切層試驗(yàn)研究整車風(fēng)洞是汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究不可缺少的試驗(yàn)設(shè)施。為了滿足中國(guó)汽車工業(yè)的需要，包括全尺寸氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞和熱環(huán)境風(fēng)洞的XX地面交通工具中心已于2009年9月落成并投入使用1。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。該類風(fēng)洞的特點(diǎn)是，氣流會(huì)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)，其它部分氣流沿著收集口進(jìn)入擴(kuò)散段

2、?？梢娫撎幜鲃?dòng)具有典型的非定常流動(dòng)特性。一方面這些非定?，F(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)流場(chǎng)的品質(zhì)有所影響，還是產(chǎn)生噪聲的根源，另一方面由于渦間的互相轉(zhuǎn)化造成能量大量損失。所以對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)非定常剪切層流場(chǎng)進(jìn)行研究對(duì)于風(fēng)洞本身性能的提高，能量的節(jié)省以及風(fēng)機(jī)效率的高效使用都具有舉足輕重的作用。通過以往的研究2-5，對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)的定常流場(chǎng)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。而激發(fā)這種非定常特性的根源在于噴口處的射流結(jié)構(gòu)，因此首先要對(duì)噴口射流剪切層的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。1" 試驗(yàn)設(shè)施及方法1.1"試驗(yàn)設(shè)備研究平臺(tái)為XX地面交通工具風(fēng)洞中心115汽車模

3、型風(fēng)洞，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型風(fēng)洞最大噴口風(fēng)速為45"m/s。噴口面積為433"mm×283"mm，試驗(yàn)段尺寸為1"517"mm（長(zhǎng)）×1"185"mm（寬）×818"mm（高）?；跓峋€風(fēng)速儀的方便性及高分辨率，本文采用dantec公司55r91型三維熱線探頭對(duì)模型風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)噴口射流剪切層內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了瞬時(shí)速度的測(cè)量。1.2"試驗(yàn)方法介紹以往的研究發(fā)現(xiàn)2，在開口式風(fēng)洞中，收集口的角度和噴口速度對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)的影響很大，收集口角度為15°時(shí)，試驗(yàn)段射流剪切層中的湍流

4、度比較明顯。為了更加詳細(xì)地對(duì)比研究收集口角度和噴口風(fēng)速對(duì)剪切層的影響，選取3種收集口角度和u0=25"m/s，30"m/s這兩種常用噴口風(fēng)速共組成4種工況：工況1，u0=25"m/s，收集口3個(gè)蓋板都為0°；工況2，u0=25"m/s，收集口上蓋板為0°，兩側(cè)板為15°；工況3，u0=25"m/s，收集口3個(gè)板均為15°；工況4，u0=30"m/s，收集口3個(gè)板均為15°。參考以往的定常研究結(jié)果，確定了幾個(gè)測(cè)量平面，具體如下。沿試驗(yàn)段長(zhǎng)度方向（x方向）取7個(gè)測(cè)量面，分別為x=50&qu

5、ot;mm，150"mm，250"mm，350"mm，450"mm，550"mm，650"mm。沿試驗(yàn)段高度方向（z方向）以距地面130"mm為零點(diǎn)，在試驗(yàn)段寬度中心面上（y=0"mm），沿z方向每隔5"mm向上取1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。在x=50"mm，150"mm，250"mm"3處距噴口較近的位置，每處測(cè)點(diǎn)由z=0"mm至z=270"mm共54個(gè)。在x=350"mm，450"mm兩處試驗(yàn)段中間位置，每處測(cè)點(diǎn)由z=0"mm至

6、z=290"mm共58個(gè)。在x=550"mm，650"mm兩處靠近收集口的位置，每處測(cè)點(diǎn)由z=0"mm至z=310"mm共62個(gè)。測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。2" "結(jié)果分析選取距噴口較近的x=50"mm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ[放位置x=350"mm及距噴口較遠(yuǎn)的x=650"mm這3個(gè)具有代表性的沿流動(dòng)方向的測(cè)量面進(jìn)行分析。2.1 速度分布將各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的沿x方向的瞬時(shí)速度進(jìn)行平均，得到各測(cè)點(diǎn)在該方向的平均速度，計(jì)算公式如下。（i=1,2,n），式中：ui"為某測(cè)點(diǎn)采樣一次得到的x方向速度；n為采樣總

7、次數(shù)；umean為該測(cè)點(diǎn)的平均x方向速度。為了描述普適機(jī)理，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了無量綱處理6。橫軸取當(dāng)?shù)仄骄俣扰c噴口處來流速度之比（umean/u0），縱軸取測(cè)點(diǎn)所處高度與噴口高度之比（z/hnozzle）。其中u0為噴口風(fēng)速，hnozzle=283"mm。圖3為x=50"mm處4種工況下的x方向速度隨高度變化的分布圖。對(duì)比工況1和工況2得出u0"=25"m/s時(shí)，兩種工況射流初始段速度隨高度的變化基本相同。從z方向零點(diǎn)（距地面130"mm）向上增加0.5倍噴口高度時(shí)，速度由基本保持和噴口速度相等到突然開始變化。在增量為0.6倍噴口高度以上的區(qū)域

8、，氣流重新以一個(gè)比較小的速度穩(wěn)定下來，并且分布比較均勻。這兩部分氣流位于射流剪切層外。在z/hnozzle=0.5到z/hnozzle=0.6之間，速度有較大的變化，可判斷此處位于射流剪切層內(nèi)。觀察工況3得出，同樣在噴口速度為25"m/s時(shí)，工況3中剪切層下邊緣和上邊緣位置分別為0.55倍和0.65倍噴口高度處，其氣流均勻區(qū)域的X圍較之另外兩種工況有所增大，剪切層位置向上移動(dòng)。對(duì)比工況3和工況4得出，雖然噴口速度不同，但射流段速度分布在此截面處幾乎完全相同。圖4為x=350"mm處4種工況下的x方向速度隨高度變化的分布圖。由圖4可知，隨著氣流向下游的發(fā)展，此時(shí)的速度梯度與圖

9、3中的相比小了許多，剪切層的厚度明顯增大。這是由于周圍更多流體被卷入射流并獲得動(dòng)量隨原射流向前流動(dòng)，原來的流體動(dòng)量減小而失去速度，形成一定的速度梯度，射流斷面不斷擴(kuò)大，流量沿程增加。對(duì)比圖4中工況1、工況2、工況3得出，在工況2中剪切層的下邊緣較之工況1明顯下移，導(dǎo)致均勻速度區(qū)X圍減小。而在工況3中，剪切層較之工況1有略微的上移，均勻速度區(qū)增大。對(duì)比工況3和工況4得出，在兩種不同噴口速度下，射流段結(jié)構(gòu)在此截面處仍然沒有太大變化。圖5為x=650"mm處4種工況下的x方向速度隨高度變化的分布圖。從圖5工況1、工況2、工況3中得出，在距離收集口較近的位置，3種工況下的剪切層都位于z/hn

10、ozzle=0.4到z/hnozzle=0.9的區(qū)間內(nèi)，上下邊緣沒有隨收集口角度變化而上移或下移。但相比圖4剪切層的厚度有所增長(zhǎng)，導(dǎo)致均勻速度區(qū)繼續(xù)減小。對(duì)比工況3和工況4得出剪切層的結(jié)構(gòu)依然沒有隨不同的噴口速度發(fā)生改變。結(jié)合圖3、圖4、圖5得出結(jié)論，試驗(yàn)段射流剪切層上下邊界位置及結(jié)構(gòu)并不會(huì)隨兩種常用測(cè)試速度的變化而發(fā)生改變。2.2 湍流強(qiáng)度為研究流場(chǎng)的非定常特性，從湍流強(qiáng)度入手分析試驗(yàn)段內(nèi)流場(chǎng)的脈動(dòng)分布情況。湍流強(qiáng)度由式（2）、式（3）給出。，式中：uref為參考速度，即噴口處平均速度u0。此時(shí)湍流強(qiáng)度tu表示試驗(yàn)段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)x方向脈動(dòng)速度相對(duì)噴口速度的變化量。圖6為x=50"mm處

11、4種工況下x方向湍流強(qiáng)度tu隨高度變化的分布圖。由圖6得出在流場(chǎng)寬度中心截面上，湍流強(qiáng)度較高的部位集中在射流剪切層內(nèi)，說明這里的脈動(dòng)量較大，其中位于剪切層中心部位的湍流強(qiáng)度達(dá)到最大值tumax。而在射流的核心區(qū)雖然速度較高，但湍流強(qiáng)度很低，說明這里的流場(chǎng)分布均勻，沒有太大的脈動(dòng)。對(duì)比圖6工況1、工況2、工況3得出，工況1和工況2都在z/hnozzle0.55處達(dá)到tumax，即剪切層中心。而工況3則在z/hnozzle0.6處才達(dá)到tumax，這與圖3中得出的關(guān)于工況3的剪切層位置向上移動(dòng)的結(jié)論相一致。但3種工況下tumax相差不大，基本都在0.1左右，工況3略大于另外兩種工況。對(duì)比工況3和工

12、況4得出在不同噴口速度下，雖然剪切層結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，但tumax卻不同。u0=25"m/s時(shí)，tumax0.1，而u0=30"m/s時(shí)，tumax0.14。對(duì)比圖6和圖7得出在氣流向下游發(fā)展的過程中，湍流度較大的區(qū)域X圍增加，這和射流剪切層的發(fā)展趨勢(shì)相一致。tumax的值也相應(yīng)增大，說明剪切層內(nèi)的脈動(dòng)量隨射流的發(fā)展而增大。對(duì)比圖7工況1、工況2、工況3得出在工況1中tumax出現(xiàn)在z/hnozzle0.6處，在工況2中tumax出現(xiàn)在z/hnozzle0.5處，而在工況3中tumax出現(xiàn)在z/hnozzle0.65處。這與此截面處的速度分布特征相一致，即工況2時(shí)此處的剪切層

13、整體下移，而工況3時(shí)此處的剪切層略微上移。通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)tumax在工況2時(shí)達(dá)到了0.15，略大于其它兩種工況的0.14左右。對(duì)比工況3和工況4發(fā)現(xiàn)，u0=25"m/s時(shí)，tumax0.14，而u0"=30"m/s時(shí)tumax0.17。剪切層中心位置不變。對(duì)比圖7和圖8得出在氣流向下游發(fā)展的過程中，湍流度較大的區(qū)域X圍繼續(xù)增加，tumax的值也繼續(xù)增大。對(duì)比圖8中工況1、工況2、工況3得出3種收集口工況下剪切層的中心位置都在z/hnozzle0.6處，說明從x=350"mm到x=650"mm，3種收集口工況下不同的剪切層中心位置逐漸發(fā)展到了相同

14、位置。并且3種工況下tumax基本相同，都在0.15左右。對(duì)比工況3和工況4發(fā)現(xiàn)，u0"=25"m/s時(shí)，tumax0.15，而u0"=30"m/s時(shí)tumax0.19。結(jié)合圖6、圖7、圖8得出結(jié)論：盡管在這兩種常用噴口速度下，射流剪切層的結(jié)構(gòu)保持不變，但剪切層中的湍流強(qiáng)度值tu卻隨著噴口速度的增大而增大。2.3 剪切層結(jié)構(gòu)及厚度分布為了更直觀地了解射流剪切層結(jié)構(gòu)，圖9以工況3的情況為例，給出了y=0"mm截面上，收集口角度為15°，u0"=25"m/s時(shí)的剪切層整體結(jié)構(gòu)圖。由圖9得出隨著射流的發(fā)展，剪切層下邊緣向

15、下擴(kuò)散的程度小于上邊緣向上擴(kuò)散的程度，導(dǎo)致剪切層中心位置不斷上移。還可得出射流剪切層厚度隨流向的分布以及厚度的變化率，如圖10所示。其中z為該處剪切層厚度，z和x為相應(yīng)的變化量。由圖10得出剪切層厚度沿流向是不斷增長(zhǎng)的。在射流的初始段，增長(zhǎng)速率較慢，隨著氣流向下游的流動(dòng)，剪切層厚度增長(zhǎng)速度越來越快，這體現(xiàn)了空間無限射流的特點(diǎn)，即射流從出口開始沿流程不斷地向外擴(kuò)散，不斷帶動(dòng)周圍介質(zhì)進(jìn)入剪切層，使剪切層加速擴(kuò)X。大概在x=450"mm處增長(zhǎng)速度達(dá)到了最大，然后開始減小。這體現(xiàn)了空間有限射流的特點(diǎn)，即對(duì)于有限空間射流結(jié)構(gòu)，空間邊壁會(huì)限制射流剪切層的發(fā)展擴(kuò)散7。3 結(jié)論（1）在射流初始段即噴口處，剪切層厚度較薄，均勻流速區(qū)的X圍相對(duì)較大。隨著射流向下游發(fā)展，射流剪切層厚度增加，均勻流速區(qū)的X圍減小。（2）收集口角度的變化對(duì)射流剪切層的結(jié)構(gòu)影響較大，對(duì)湍流度影響相對(duì)較小。與工況1相比，距噴口較近處，工況3的剪切層位置上移；試驗(yàn)段中心處，工況2的剪切層下移，工況3的剪切層仍