汽車風(fēng)洞在特定風(fēng)速范圍內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)弱程度的低頻振動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)洞結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生顯著影響。本期聚焦汽車風(fēng)洞低頻振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和控制方法，深度探究汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
01.汽車風(fēng)洞低頻振動(dòng)的產(chǎn)生
汽車風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)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(cè)對(duì)象位于主流區(qū)，在此可完成相應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，如圖1所示。
圖1 汽車風(fēng)洞噴口、駐室、收集口
氣流流出噴口后，會(huì)在噴口的自由邊緣處形成剪切層，隨著剪切層的增長(zhǎng)，形成旋渦，旋渦脫離噴口并向下游運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)）有關(guān)，表達(dá)式為：
其中，St為無(wú)量綱常數(shù)，即斯特羅哈數(shù)，對(duì)于圖2 所示的噴口形式，St = 0.34。
當(dāng)噴口渦脫頻率和風(fēng)洞固有模態(tài)的特征頻率重疊時(shí)，即可能發(fā)生風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)（buffeting），并伴隨著較大的流場(chǎng)壓力脈動(dòng)。若只考慮流向方向，此時(shí)噴口和駐室可以簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)于全尺寸汽車風(fēng)洞，這種振動(dòng)的頻率范圍為2Hz～15Hz，聲壓級(jí)一般在110dB~130dB，會(huì)帶來(lái)較大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和風(fēng)噪，對(duì)氣動(dòng)力和噪聲的測(cè)試結(jié)果造成影響，甚至損壞風(fēng)洞結(jié)構(gòu)。
02.汽車風(fēng)洞低頻振動(dòng)的控制
如上所述，汽車風(fēng)洞的低頻振動(dòng)對(duì)于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)安全都存在著重大的隱患，需對(duì)其進(jìn)行控制，常用的控制方法分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩種。被動(dòng)控制不需對(duì)風(fēng)洞系統(tǒng)中引入能量，只需改變風(fēng)洞結(jié)構(gòu)，調(diào)整氣流流動(dòng)，從而起到調(diào)節(jié)壓力脈動(dòng)的作用，抑制低頻振動(dòng)。主動(dòng)控制需要在風(fēng)洞系統(tǒng)中輸入能量，改變氣流流動(dòng)，控制壓力脈動(dòng)，從而抑制低頻振動(dòng)。
汽車風(fēng)洞低頻振動(dòng)的被動(dòng)控制
被動(dòng)控制方法主要在適當(dāng)程度下（不影響流場(chǎng)特征）改變風(fēng)洞結(jié)構(gòu)，如在風(fēng)洞噴口洞壁內(nèi)側(cè)增加整流裝置，減弱噴口處渦脫落強(qiáng)度，或改變渦脫落頻率，從而起到控制風(fēng)洞低頻振動(dòng)的效果。或者在風(fēng)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(dòng)的作用，從而控制風(fēng)洞低頻振動(dòng)。
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(qiáng)度，抑制壓力脈動(dòng)。但Seiferth翼型產(chǎn)生附加的軸向壓力梯度，影響風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是其重要缺點(diǎn)。
圖4 噴口整流裝置及被動(dòng)控制效果
德國(guó)FKFS則基于同樣原理，自主設(shè)計(jì)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(dòng)以及風(fēng)洞的低頻振動(dòng)，對(duì)于壓力脈動(dòng)的控制效果如圖4 所示。
壓力補(bǔ)償裝置
另一種被動(dòng)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(bǔ)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(dòng)，控制風(fēng)洞低頻振動(dòng)的效果。目前同濟(jì)大學(xué)汽車風(fēng)洞、戴姆勒汽車風(fēng)洞和保時(shí)捷汽車風(fēng)洞都采用此種控制方法。
圖5 壓力補(bǔ)償裝置
汽車風(fēng)洞低頻振動(dòng)的主動(dòng)控制
主動(dòng)控制方法需要在流場(chǎng)中輸入主動(dòng)能量，如奧迪汽車風(fēng)洞，圖6所示，在第一轉(zhuǎn)角和第二轉(zhuǎn)角處，增加了主動(dòng)諧振腔，該腔體內(nèi)布置揚(yáng)聲器，通過(guò)控制諧振腔內(nèi)揚(yáng)聲器的振幅和頻率，對(duì)風(fēng)洞主流的壓力脈動(dòng)進(jìn)行抑制，起到控制風(fēng)洞低頻振動(dòng)的效果。該風(fēng)洞可以實(shí)現(xiàn)在風(fēng)速160km/h時(shí)，背景噪音僅61dB(A)。
圖6 奧迪風(fēng)洞的主動(dòng)控制方法
03.總結(jié)分析
對(duì)于任何汽車風(fēng)洞，均有可能在特定的風(fēng)速范圍內(nèi)產(chǎn)生低頻振動(dòng)，只是振動(dòng)的強(qiáng)弱不同，這對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)洞結(jié)構(gòu)安全性有著重要的影響。因此，在風(fēng)洞的早期設(shè)計(jì)階段，就需考慮風(fēng)洞低頻振動(dòng)的控制方法，并在風(fēng)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(fēng)洞低頻振動(dòng)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)安全性的影響。
聲明：本平臺(tái)只提供分享和交流不作商業(yè)用途，如侵權(quán)請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們刪除！
