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风洞脉动及其主动抑制
2019-08-29 12:24:42· 来源：AutoAero 作者：蒋永欣
在许多开放射流风洞中，一定流速下发生的低频压力波动是一个不受欢迎的特性。这就是所谓的风洞泵送，它影响气流的气动质量，从而影响测量数据的质量。本文提出了
在许多开放射流风洞中，一定流速下发生的低频压力波动是一个不受欢迎的特性。这就是所谓的“风洞泵送”，它影响气流的气动质量，从而影响测量数据的质量。本文提出了一种利用风洞电路声谐振模态的主动阻尼控制脉动现象的新方法。采用1/20比例的先导风洞，对共振效应的声学机理进行了研究。新设计的主动共振控制(ARC)系统主要由一个麦克风、一个安装在隧道壁上的扬声器和一个时间延迟来调整麦克风信号和扬声器输出之间的相位关系的静压腔内的压力波动麦克风。电弧系统降低了20 dB的周期压力波动，完全消除了周期速度波动。根据试验风洞的经验，在奥迪新风洞中采用了电弧系统。电弧系统消除了低频流动波动，而不会给风洞带来额外的噪音，因此可以在整个速度范围内进行高质量的气动和声学测量。在风速范围不同的情况下，压力和速度的低频波动是许多开口射流风洞存在的问题。
似于冯卡门涡街，不稳定波可以观察到任何自由射流从喷嘴排出。在射流出口附近，不稳定波的频谱以高频小尺度结构为主。随着下游距离的增加，能量由小尺度不稳定性向大尺度不稳定性转移，不稳定波的主频随射流长度的增加而减小(见图1)。
流动不稳定性表现为射流周围剪切层的涡结构。单个涡在射流周围呈轴对称环状，在喷嘴出口处形成，在射流附近的剪切层中向下游移动，位置约为65%的射流速度(见图2)。对于一个给定的轴向距离x / Dn从喷气出口的首选频率f涡旋脱落速度成正比的U射流核心和喷嘴的水力直径Dn又可以表达——类似于卡门旋涡——斯特劳哈尔数。
为远下游位置的开式射流德荷风洞Michel和Froebel在St≈0.48[6]处发现了一个理想的旋涡脱落频率。
在汽车风洞中，射流一侧的剪切层被试验段底板(3/4开式射流)所取代。为了获得正确的频率，必须采用一种成像方法，其中地平面被用作一个对称面，从而产生具有双截面的开口射流。在原始截面上，用水力直径Dh计算的斯特劳哈尔数要比完全开放射流小一倍。这使得Strouhal数St≈0.34。如果存在反馈机制，则St≈0.34附近的宽最大值可以发展为一个尖锐的峰值。Wehrmann[7]已经证明了这一点，它采用电子反馈，利用射流中的热线探头来获取流速波动，并使用扬声器来激发射流。可能的反馈机制开放喷气式汽车风洞(i)声学共振模式的风洞管或充气室,(2)所谓edgetone-type反馈压力波产生的漩涡侵犯收集器旅行上游和触发涡旋脱落,当他们到达喷嘴。
在本文所述实验之前，在1/8尺度的先导风洞[5]中，对试验段的作用进行了广泛的研究。试验段几何形状和集电极设计表明，没有迹象表明由集电极声波引起的共振。然而，在这些试验中，由于将试验段模型纳入开环艾菲尔隧道中，因此无法研究整个风洞的声共振模态的影响。
采用1/20比例的先导风洞对[12]、[13]、[14]进行了第二次调查，该风洞完整、详细地展示了试验断面、导管、转向叶片和风机。试验段几何形状和集热器设计采用1/8尺度先导风洞。为了防止墙壁振动，先导隧道由2.4厘米厚的胶合板制成。测试段的墙壁覆盖了吸收内衬。最大流速为180公里/小时。压力脉动由位于测试段的反流位置的麦克风观察(图3)。试验风洞的预测共振-式(2)、(3)和(4)可用于预测试验风洞的脉动频率。模型风道长度约为6.0 m(从集热器进口平面经风机到喷嘴出口测量)，风道特征频率为28.3 Hz，为其整数倍。静压室的最低谐振频率为143.4 Hz (y= 0.45 m, ly = 0.75 m, lz = 0.80 m, nx =ny=n2=1)对于给定的几何结构，要为控制亥姆霍兹型谐振的参数假定切合实际的值是极其困难的(如果不是不可能的话)。如果收集器的影响被忽视和谐振器被认为只有全会体积和喷嘴与一个有效的脖子的长度0.05米(对应于喷嘴的脖子的长度与常数截面)方程(4)收益率43.4赫兹的本征频率。如果假设喷嘴和收集器形成一个有效长度为0.05 m的单颈，则产生的共振频率为80 Hz。实验结果与标准条件下的先导隧道-图4显示了三维表示的声压级谱vs。在1/20比例尺先导隧道的静压箱中，用麦克风测量风速(图3)。在隧道的速度范围内，可以识别出三个不同的共振实例。共振频率随流速的增加而略有增加。频率与流速不成正比，斯特劳哈尔数也不是常数。图4所示的值(45 Hz、53 Hz和81 Hz)分别识别出与各自共振的最高声压级相关的频率。风扇转子的不平衡以与风扇转速相对应的频率产生音调声音。在图5中，声压级值和共振频率随风速绘制。当流速为137km /h时，esonance (81 Hz)达到最大声压级110db;在较低和较高的流速下，振幅逐渐减小到90分贝以下。共振频率分别为45赫兹和53赫兹。在166公里/小时和115公里/小时的流速下，最大流速分别为99 dB和102 dB。它们的SPL值在速度范围内仅相差10db。共振频率(即最大声压级在频率轴上的位置)随着流速的增加而增加。对于45赫兹的谐振，其频移要小于81赫兹和53赫兹的谐振。最大声压级值、各谐振的对应频率以及谐振达到最大声压级时的风速如表1所示。
在“最佳”风速下测量的频谱如图6所示。在81赫兹和53赫兹的共振峰比较尖锐，而在45赫兹的共振峰则表现为一个较宽的峰。在81hz时，共振比宽带背景噪声高30db;其他共振的对应值分别为53赫兹时的17分贝和45赫兹时的10分贝。当风速高于或低于“最佳”风速时，al共振峰变得更宽。
由于在[5]试验段的1/ 8尺度模型中没有观察到这种共振效应，所以假设在1/20模型中发现的整个隧道的共振一定是由隧道电路的声共振模态引起的。为了识别声共振模态的形状，采用位于沉降室固定位置的基准麦克风和沿管道轴线穿过的第二麦克风对隧道轴线上的声场进行采样。两个麦克风都配有一个鼻锥。图7为扫描麦克风所观察到的声压级，以及相对于参考麦克风在81 Hz频率下的相位。声场表现出典型的驻波模式，在驻波节点处存在交变压力峰值和-1800相位位移。在管道长度的1/3和2/3处可观察到两个压力节点，分别。相邻两个节点之间的距离对应一个半波长(用无平均流量空气的声速计算，c-340 m/s)。喷嘴和集尘器上的压力节点表示喷嘴和集尘器构成隧道管道的“开口端”。式(2)的谐振频率为f， =84.9 Hz。考虑到声波的传播速度对于随流而行(c'=c +U)和逆流而行(c'=c-U)的波是不同的，因此声波与所观测到的81赫兹共振频率的对应关系是惊人的高。4hz的差异可以用式(2)中没有考虑的端部校正来解释。由此证明，在81赫兹处的共振是由n=3的隧道管道的声共振模式引起的
图8为位于混流层(金刚石)内的采样麦克风和安装在吸声衬砌(正方形)后与测试段壁齐平的采样麦克风所测得的测试段声压级和81 Hz相位。参考麦克风位于喷嘴出口。相位梯度dp/dx表示的是流体的传播速度，它对流入和流出的测量显示了不同的行为。当传声器位于剪切层时，所观测到的压力波动主要受流动不稳定性的影响。当麦克风被测试段壁上的吸收衬里保护起来不受气流影响时，它只接收声压波动。(内衬由2厘米的开孔泡沫塑料组成，在低频下几乎对声波透明。)在靠近喷嘴出口处，剪切层中测得的相梯度dp/dx随距离喷嘴的距离增大而增大，压力水平相对较低。再往下游(x>- 8cm)，相位梯度几乎不变，压力水平增加15db。这可以用涡旋的不断增大来解释强度随射流出口距离的增大而增大。在靠近喷管的位置，内流传声器观察到声波与流动不稳定性的结合。再往下游，传声器信号受气流不稳定性的控制。这一解释得到了热线测量的支持，它产生了沿射流剪切层速度波动几乎线性增加;集电极处的振幅是喷嘴处的20倍。由曲线的线性部分(Fiq中的菱形)导出的相位梯度。底部，从x=-3 cm到x= 14 cm)表示波长为29 cm。在81赫兹的频率，这导致传播速度为84.6公里/小时。这相当于平均流速的62%，这是对流速度涡在剪切层的分布。
文章选自：
Wind Tunnel Pulsations and Their Active Suppression
Gerhard Wickern
Audi AG
Wilhelm von Heesen
Müller-BBM Schalltechnisches Beratungsbüro
Steffen Wallmann
WBI Wallner u. Brand Ingenieurgesellschaft mbH
Reprinted From: Vehicle Aerodynamics
(SP–1524)
SAE 2000 World Congress
Detroit, Michigan
March 6-9, 2000
如有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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