汽车模型风洞射流剪切层的非定常结构特性①

吴 桐， 贾 青， 杨志刚

(同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海201804)

0 引言

整车风洞是汽车空气动力学研究不可缺少的试验设施.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］.

传统的航空风洞通常都是闭口式风洞，汽车风洞通常采用3/4开口式.该类风洞的特点是，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，部分气流以压缩波的形式从收集口上或两侧返回喷口，激发新的大涡旋产生，从而形成尖劈反馈效应，其它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.一方面这些非定常现象不仅会对流场的品质有所影响，还是产生噪声的根源，另一方面由于涡间的互相转化造成能量大量损失.所以对试验段内非定常剪切层流场研究对于风洞本身性能的提高，能量的节省以及风机效率地高效使用都具有举足轻重的作用.

通过以往的研究［2－5］，对试验段内的定常流场品质有了较深入的了解.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.而激发这种非定常特性的根源在于喷口处的射流结构，因此首先要对喷口射流剪切层的流动结构进行深入的研究.

1 试验方法

1.1 试验设备

研究平台为上海地面交通工具风洞中心1:15汽车模型风洞，具体结构如图1所示:

图1 模型风洞

图2 测点分布

模型风洞最大喷口风速为45 m/s.喷口面积为433mm×283mm，试验段尺寸为1517mm(长)×1185mm(宽)×818mm(高).

基于热线风速仪的方便性及高分辨率，本文采用Dantec公司55R91型三维热线探头对模型风洞试验段内喷口射流剪切层内的流场进行了瞬时速度的测量.

图3 工况3，X=50mm截面处速度分布

图4 工况3，X=350mm截面处速度分布

1.2 试验方案

以往的研究发现［2］在开口式风洞中，收集口角度和喷口速度对流场品质的影响很大，收集口角度为15度时，射流剪切层中的湍流度比较明显.为了更加详细的对比研究收集口角度和喷口风速对剪切层的影响，选取三种收集口角度和 U0=25m/s，30m/s这两种常用喷口风速共组成4种工况:工况1，U0=25m/s，收集口三个盖板都为0度;工况2，U0=25m/s，收集口上盖板为0度，两侧板为15度;工况3，U0=25m/s，收集口三个板均为15度;工况4，U0=30m/s，收集口三个板均为15度.

参考以往的定常研究结果，确定了几个测量平面.具体如下:

沿试验段长度方向(X方向)取三个测量面，分别为X=50mm，350mm，650mm.沿试验段宽度方向(Y方向)取五个测量面分别为Y=0mm，50mm，100mm，140mm，180mm.沿试验段高度方向(Z方向)以距地面130mm为零点，每隔5mm向上取一个测量点:在X=50mm处距喷口较近的位置，每处测点由Z=0mm至Z=270mm共54个;在X=350mm处试验段的中间位置，每处测点由Z=0mm至Z=290mm共58个;在X=650mm处靠近收集口的位置，每处测点由Z=0mm至Z=310mm共62个.测点分布如图2所示.

图6 工况3，X=50mm截面湍流强度分布

2 试验结果分析

2.1 速度分布

将各测点所测得的沿X方向的瞬时速度进行平均，得到各测点在该方向的平均速度，计算公式如下:

其中，Ui为某测点采样一次得到的X方向速度，N为采样总次数，Umean为该测点的平均X方向速度.

为了描述普适机理，对所得数据进行了无量纲处理［6］.横轴取当地平均速度与喷口处来流速度之比(Umean/U0)，纵轴取测点所处高度与喷口高度之比(Z/Hnozzle).其中 U0为喷口风速，Hnozzle=283mm.

图3为工况3情况下，X=50mm截面上不同的5个Y的位置处的X方向速度随高度变化的分布图.

观察 Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm这四个位置处的速度分布，射流速度分布随高度的变化基本相同.从Z方向零点(距地面130mm)向上增加0.55倍喷口高度时，速度由基本保持和喷口速度相等到突然开始变化.在增量为0.65倍喷口高度以上的区域，气流重新以一个较小的速度稳定下来，并且分布比较均匀.这两部分气流位于射流剪切层外.在 Z/Hnozzle=0.55到Z/Hnozzle=0.65之间，速度有较大的变化，可判断此处位于射流剪切层内.

图7 工况3，X=350mm截面湍流强度分布

图8 工况3，X=650mm截面湍流强度分布

在Y=180mm处，均匀气流区的速度明显小于喷口速度，并且剪切层的上边缘位置移动到了接近Z/Hnozzle=0.7处.这是由于Y=180mm处已经非常接近喷口宽度方向的边沿，因此均匀射流区的气流受到了喷口侧面的射流剪切层的影响，导致速度下降，剪切层变厚并上移.

图4为工况3情况下，X=350mm截面上不同5个Y的位置处的X方向速度随高度变化的分布图.

随着气流向下游的发展，各Y位置的速度分布梯度与图3中的相比小了许多，剪切层的厚度明显增大.这是由于周围更多流体被卷入射流并获得动量随原射流向前流动，原来的流体动量减小而失去速度，形成一定的速度梯度，射流断面不断扩大，流量沿程增加.

图9 剪切层整体结构图

观察图4中Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm处的速度分布，在X=350mm的截面上射流速度分布随高度的变化仍然基本相同.

观察Y=180mm处，均匀速度区的气流速度在继续减小，约为0.85倍的喷口速度.这是由于喷口侧面剪切层随着向下游的发展，厚度逐渐变大，因此对X=350mm截面处的影响，要大于X=50mm截面处.但此时剪切层的上下边缘与其他四个Y位置处并无很大差异.

图5为工况3情况下，X=650mm截面上不同5个Y的位置处的X方向速度随高度变化的分布图.

可以看到在距离收集口较近的位置，不同Y位置处的剪切层都基本位于 Z/Hnozzle=0.4到Z/Hnozzle=0.9的区间内，相比图4剪切层的厚度继续有所增长，均匀速度区继续减小.

对比5个不同的Y位置处，在X=650mm的截面处，喷口射流剪切层厚度随着喷口宽度方向出现了差异.越靠近喷口宽度方向的边沿，剪切层厚度越大.而之前X=50mm和X=350mm截面处的剪切层厚度基本不随Y位置的变化而变化.这是由于越靠近收集口，射流剪切层受到收集口三个盖板影响越明显导致的.

随着气流向下游的发展，侧向的剪切层对气流均匀区的影响也越来越大.观察Y=180mm处，均匀气流区速度继续减小到0.8倍的喷口速度.

2.2 湍流强度分布

为研究流场的非定常特性，从湍流强度入手分析试验段内流场的脉动分布情况.湍流强度由公式(2)、(3)给出:

Uref为参考速度，即喷口处平均速度U0.此时湍流强度Tu表示试验段内各测点X方向脉动速度相对喷口速度的变化量.

图6为X=50mm截面上不同的5个Y的位置处的X方向湍流强度Tu随高度变化的分布图.

由图6得出湍流强度较高的部位集中在射流剪切层内，说明这里的脉动量较大，其中位于剪切层中心部位的湍流强度达到最大值Tumax.而在射流的核心区虽然速度较高，但湍流强度很低，说明这里的流场分布均匀，没有太大的脉动.

观察 Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm四个位置的射流剪切层区都在Z/Hnozzle≈0.6处达到Tumax，即剪切层中心.而在射流均匀速度区，四个位置的湍流强度值出现了微小的差异，越靠近喷口宽度方向边沿，均匀速度区内的湍流强度Tu越大.

观察 Y=180处，剪切层中心 Tumax位于Z/Hnozzle=0.6的上方，说明在X=50截面上，随着宽度方向的发展，剪切层逐渐上移变厚.并且在射流均匀速度区内，湍流强度值明显大于其他四个Y方向的位置处.同样是由于Y=180mm处已经非常靠近喷口侧面的剪切层，因此湍流强度值受到了很大影响.

图7为X=350mm截面上不同的5个Y的位置处的X方向湍流强度Tu随高度变化的分布图.

对比图6和图7得出在气流向下游发展的过程中，湍流度较大的区域范围增加，这和射流剪切层的发展趋势相一致.Tumax的值也相应增大，说明剪切层内的脉动量随射流的发展而增大.

图中 Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm四个位置处的射流均匀速度区，湍流强度值出现了较明显的差异，仍然是越靠近喷口宽度方向边沿Tu越大.这是受到侧面射流剪切层的影响.而四个位置处的射流剪切层区的湍流强度分布情况几乎相同.

而Y=180mm处，均匀速度区的湍流强度值有明显增大，已经超过了射流剪切层区的Tu值，此时Tumax值没有出现在剪切层的中心部位，而是出现在剪切层的下边缘Z/Hnozzle≈0.45的位置处.

图8为X=650mm截面上不同的5个Y的位置处的X方向湍流强度Tu随高度变化的分布图.

对比图7和图8，在气流向下游发展的过程中，湍流度较大的区域范围继续增加，Tumax值继续增大.

观察到射流均匀速度区，湍流强度值出现更为明显的差异.由于受侧面的剪切层影响不大，Y=0mm处与Y=50mm处的湍流强度值相差不大.而Y=100mm、Y=140mm、Y=180mm处，由于受到侧面剪切层的影响越来越大，湍流强度值也越来越大，差异扩大.

在射流剪切层区，随着喷口宽度方向的发展，剪切层厚度增加，上边缘位置上移.Y=180mm处的Tumax值仍然出现在剪切层的下边缘处，而其他四种Y位置处的Tumax值则出现在射流剪切层中心处.

2.3 剪切层厚度的Y方向分布

为了更深一步的了解射流剪切层厚度发展，图9综合四种工况，给出了三处X截面上，剪切层厚度随Y方向变化的分布图.

由a图得出在X=50mm截面处，四种工况剪切层厚度大小的排序依次为:工况1＞工况2＞工况3＞工况4.但厚度相差非常小.可以看到随着Y=0mm的位置到Y=180mm的位置，剪切层厚度在增加，但此时增加的程度也非常的小.

观察图b得出，在X=350mm处，四种工况的剪切层厚度都增大了，并且排序发生了改变:工况3≈工况4＞工况1＞工况2.这是由于随着射流向下游的发展，收集口对射流剪切层的影响越来越显著.15度收集口的工况3和工况4的剪切层厚度开始大于0度收集口上盖板的工况1和工况2.同时可以看到，随着Y位置的逐渐靠近喷口侧向边缘，剪切层厚度增加程度在此时逐渐增大.

由图c得出，在X=650mm处，射流已经非常靠近收集口，此处剪切层厚度排序仍然为:工况3＞工况4＞工况1＞工况2.并且此时随Y位置的剪切层厚度增加比较显著，程度较大.

3 结 论

(1)在射流初始段即喷口处，剪切层厚度较薄，均匀流速区的范围相对较大;随着射流向下游发展，射流剪切层厚度增加，均匀流速区的范围减小.

(2)射流剪切层内的湍流强度比剪切层外的要高.随着气流向下游的发展，湍流强度较大的区域范围有所增加，最大湍流度值也有所增大.

(3)随着Y方向的发展，射流剪切层越靠近喷口侧边沿，受到侧向剪切层的影响越大.均匀射流区的气流速度会逐渐减小，剪切层厚度逐渐变大，位置上移，湍流强度值增大.

(4)在非常靠近喷口边沿的Y=180mm截面上，最大湍流强度值Tumax不再出现在射流剪切层中心位置，而是出现在射流剪切层的下边缘位置.

(5)四种工况下的射流剪切层厚度各不相同，并且随着射流向收集口的发展会发生排序的变化.越靠近喷口，剪切层厚度随Y向的变化越小;越靠近收集口，剪切层厚度随Y向的变化越大.

［1］YANG Zhi gang，JIA Qing，Assessment of Wind Tunnel Test Section Dimensions Using CFD［R］.AIAA:2008－0352.

［2］贾青，杨志刚.不同收集口角度下模型风洞试验段流场的数值模拟与试验研究［J］.试验流体力学，2007，12(1):93－96.

［3］贾青，杨志刚.压力平衡口对开口式汽车模型风洞驻室流场影响的数值仿真［J］.计算机辅助工程，2007，16(3):92－95.

［4］李启良，郑志强，贾青等.两种改善汽车风洞轴向静压系数的方法［J］.同济大学学报，2010，3(38):422－426.

［5］石碧青，刘帅，谢壮宁.大缩尺比模型风洞试验的流场模拟［C］.第十四届全国结构风工程学术会议论文集.

［6］周廷美，基于虚拟现实环境的汽车风洞模型的理论与试验研究［J］.武汉理工大学学报，2001.

［7］刘沛清.自由紊动射流理论［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.