汽車模型風(fēng)洞射流剪切層的非定常結(jié)構(gòu)特性①

吳 桐， 賈 青， 楊志剛

(同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804)

0 引言

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)洞的上海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.可見該處流動(dòng)具有典型的非定常流動(dòng)特性.一方面這些非定常現(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)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)效率地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)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

研究平臺(tái)為上海地面交通工具風(fēng)洞中心1:15汽車模型風(fēng)洞，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 模型風(fēng)洞

圖2 測(cè)點(diǎn)分布

模型風(fēng)洞最大噴口風(fēng)速為45 m/s.噴口面積為433mm×283mm，試驗(yàn)段尺寸為1517mm(長(zhǎng))×1185mm(寬)×818mm(高).

基于熱線風(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.

圖3 工況3，X=50mm截面處速度分布

圖4 工況3，X=350mm截面處速度分布

1.2 試驗(yàn)方案

以往的研究發(fā)現(xiàn)［2］在開口式風(fēng)洞中，收集口角度和噴口速度對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)的影響很大，收集口角度為15度時(shí)，射流剪切層中的湍流度比較明顯.為了更加詳細(xì)的對(duì)比研究收集口角度和噴口風(fēng)速對(duì)剪切層的影響，選取三種收集口角度和 U0=25m/s，30m/s這兩種常用噴口風(fēng)速共組成4種工況:工況1，U0=25m/s，收集口三個(gè)蓋板都為0度;工況2，U0=25m/s，收集口上蓋板為0度，兩側(cè)板為15度;工況3，U0=25m/s，收集口三個(gè)板均為15度;工況4，U0=30m/s，收集口三個(gè)板均為15度.

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)取三個(gè)測(cè)量面，分別為X=50mm，350mm，650mm.沿試驗(yàn)段寬度方向(Y方向)取五個(gè)測(cè)量面分別為Y=0mm，50mm，100mm，140mm，180mm.沿試驗(yàn)段高度方向(Z方向)以距地面130mm為零點(diǎn)，每隔5mm向上取一個(gè)測(cè)量點(diǎn):在X=50mm處距噴口較近的位置，每處測(cè)點(diǎn)由Z=0mm至Z=270mm共54個(gè);在X=350mm處試驗(yàn)段的中間位置，每處測(cè)點(diǎn)由Z=0mm至Z=290mm共58個(gè);在X=650mm處靠近收集口的位置，每處測(cè)點(diǎn)由Z=0mm至Z=310mm共62個(gè).測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示.

圖6 工況3，X=50mm截面湍流強(qiáng)度分布

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

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:

其中，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=283mm.

圖3為工況3情況下，X=50mm截面上不同的5個(gè)Y的位置處的X方向速度隨高度變化的分布圖.

觀察 Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm這四個(gè)位置處的速度分布，射流速度分布隨高度的變化基本相同.從Z方向零點(diǎn)(距地面130mm)向上增加0.55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0.65倍噴口高度以上的區(qū)域，氣流重新以一個(gè)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=0.55到Z/Hnozzle=0.65之間，速度有較大的變化，可判斷此處位于射流剪切層內(nèi).

圖7 工況3，X=350mm截面湍流強(qiáng)度分布

圖8 工況3，X=650mm截面湍流強(qiáng)度分布

在Y=180mm處，均勻氣流區(qū)的速度明顯小于噴口速度，并且剪切層的上邊緣位置移動(dòng)到了接近Z/Hnozzle=0.7處.這是由于Y=180mm處已經(jīng)非常接近噴口寬度方向的邊沿，因此均勻射流區(qū)的氣流受到了噴口側(cè)面的射流剪切層的影響，導(dǎo)致速度下降，剪切層變厚并上移.

圖4為工況3情況下，X=350mm截面上不同5個(gè)Y的位置處的X方向速度隨高度變化的分布圖.

隨著氣流向下游的發(fā)展，各Y位置的速度分布梯度與圖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.

圖9 剪切層整體結(jié)構(gòu)圖

觀察圖4中Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm處的速度分布，在X=350mm的截面上射流速度分布隨高度的變化仍然基本相同.

觀察Y=180mm處，均勻速度區(qū)的氣流速度在繼續(xù)減小，約為0.85倍的噴口速度.這是由于噴口側(cè)面剪切層隨著向下游的發(fā)展，厚度逐漸變大，因此對(duì)X=350mm截面處的影響，要大于X=50mm截面處.但此時(shí)剪切層的上下邊緣與其他四個(gè)Y位置處并無很大差異.

圖5為工況3情況下，X=650mm截面上不同5個(gè)Y的位置處的X方向速度隨高度變化的分布圖.

可以看到在距離收集口較近的位置，不同Y位置處的剪切層都基本位于 Z/Hnozzle=0.4到Z/Hnozzle=0.9的區(qū)間內(nèi)，相比圖4剪切層的厚度繼續(xù)有所增長(zhǎng)，均勻速度區(qū)繼續(xù)減小.

對(duì)比5個(gè)不同的Y位置處，在X=650mm的截面處，噴口射流剪切層厚度隨著噴口寬度方向出現(xiàn)了差異.越靠近噴口寬度方向的邊沿，剪切層厚度越大.而之前X=50mm和X=350mm截面處的剪切層厚度基本不隨Y位置的變化而變化.這是由于越靠近收集口，射流剪切層受到收集口三個(gè)蓋板影響越明顯導(dǎo)致的.

隨著氣流向下游的發(fā)展，側(cè)向的剪切層對(duì)氣流均勻區(qū)的影響也越來越大.觀察Y=180mm處，均勻氣流區(qū)速度繼續(xù)減小到0.8倍的噴口速度.

2.2 湍流強(qiáng)度分布

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)度由公式(2)、(3)給出:

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=50mm截面上不同的5個(gè)Y的位置處的X方向湍流強(qiáng)度Tu隨高度變化的分布圖.

由圖6得出湍流強(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).

觀察 Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm四個(gè)位置的射流剪切層區(qū)都在Z/Hnozzle≈0.6處達(dá)到Tumax，即剪切層中心.而在射流均勻速度區(qū)，四個(gè)位置的湍流強(qiáng)度值出現(xiàn)了微小的差異，越靠近噴口寬度方向邊沿，均勻速度區(qū)內(nèi)的湍流強(qiáng)度Tu越大.

觀察 Y=180處，剪切層中心 Tumax位于Z/Hnozzle=0.6的上方，說明在X=50截面上，隨著寬度方向的發(fā)展，剪切層逐漸上移變厚.并且在射流均勻速度區(qū)內(nèi)，湍流強(qiáng)度值明顯大于其他四個(gè)Y方向的位置處.同樣是由于Y=180mm處已經(jīng)非?？拷鼑娍趥?cè)面的剪切層，因此湍流強(qiáng)度值受到了很大影響.

圖7為X=350mm截面上不同的5個(gè)Y的位置處的X方向湍流強(qiáng)度Tu隨高度變化的分布圖.

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)域范圍增加，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.

圖中 Y=0mm，Y=50mm，Y=100mm，Y=140mm四個(gè)位置處的射流均勻速度區(qū)，湍流強(qiáng)度值出現(xiàn)了較明顯的差異，仍然是越靠近噴口寬度方向邊沿Tu越大.這是受到側(cè)面射流剪切層的影響.而四個(gè)位置處的射流剪切層區(qū)的湍流強(qiáng)度分布情況幾乎相同.

而Y=180mm處，均勻速度區(qū)的湍流強(qiáng)度值有明顯增大，已經(jīng)超過了射流剪切層區(qū)的Tu值，此時(shí)Tumax值沒有出現(xiàn)在剪切層的中心部位，而是出現(xiàn)在剪切層的下邊緣Z/Hnozzle≈0.45的位置處.

圖8為X=650mm截面上不同的5個(gè)Y的位置處的X方向湍流強(qiáng)度Tu隨高度變化的分布圖.

對(duì)比圖7和圖8，在氣流向下游發(fā)展的過程中，湍流度較大的區(qū)域范圍繼續(xù)增加，Tumax值繼續(xù)增大.

觀察到射流均勻速度區(qū)，湍流強(qiáng)度值出現(xiàn)更為明顯的差異.由于受側(cè)面的剪切層影響不大，Y=0mm處與Y=50mm處的湍流強(qiáng)度值相差不大.而Y=100mm、Y=140mm、Y=180mm處，由于受到側(cè)面剪切層的影響越來越大，湍流強(qiáng)度值也越來越大，差異擴(kuò)大.

在射流剪切層區(qū)，隨著噴口寬度方向的發(fā)展，剪切層厚度增加，上邊緣位置上移.Y=180mm處的Tumax值仍然出現(xiàn)在剪切層的下邊緣處，而其他四種Y位置處的Tumax值則出現(xiàn)在射流剪切層中心處.

2.3 剪切層厚度的Y方向分布

為了更深一步的了解射流剪切層厚度發(fā)展，圖9綜合四種工況，給出了三處X截面上，剪切層厚度隨Y方向變化的分布圖.

由a圖得出在X=50mm截面處，四種工況剪切層厚度大小的排序依次為:工況1＞工況2＞工況3＞工況4.但厚度相差非常小.可以看到隨著Y=0mm的位置到Y(jié)=180mm的位置，剪切層厚度在增加，但此時(shí)增加的程度也非常的小.

觀察圖b得出，在X=350mm處，四種工況的剪切層厚度都增大了，并且排序發(fā)生了改變:工況3≈工況4＞工況1＞工況2.這是由于隨著射流向下游的發(fā)展，收集口對(duì)射流剪切層的影響越來越顯著.15度收集口的工況3和工況4的剪切層厚度開始大于0度收集口上蓋板的工況1和工況2.同時(shí)可以看到，隨著Y位置的逐漸靠近噴口側(cè)向邊緣，剪切層厚度增加程度在此時(shí)逐漸增大.

由圖c得出，在X=650mm處，射流已經(jīng)非?？拷占?，此處剪切層厚度排序仍然為:工況3＞工況4＞工況1＞工況2.并且此時(shí)隨Y位置的剪切層厚度增加比較顯著，程度較大.

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)的范圍相對(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)的范圍減小.

(2)射流剪切層內(nèi)的湍流強(qiáng)度比剪切層外的要高.隨著氣流向下游的發(fā)展，湍流強(qiáng)度較大的區(qū)域范圍有所增加，最大湍流度值也有所增大.

(3)隨著Y方向的發(fā)展，射流剪切層越靠近噴口側(cè)邊沿，受到側(cè)向剪切層的影響越大.均勻射流區(qū)的氣流速度會(huì)逐漸減小，剪切層厚度逐漸變大，位置上移，湍流強(qiáng)度值增大.

(4)在非?？拷鼑娍谶呇氐腨=180mm截面上，最大湍流強(qiáng)度值Tumax不再出現(xiàn)在射流剪切層中心位置，而是出現(xiàn)在射流剪切層的下邊緣位置.

(5)四種工況下的射流剪切層厚度各不相同，并且隨著射流向收集口的發(fā)展會(huì)發(fā)生排序的變化.越靠近噴口，剪切層厚度隨Y向的變化越小;越靠近收集口，剪切層厚度隨Y向的變化越大.

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