3/4开口式汽车风洞喷口射流剪切层试验研究

摘要：以1∶15的3/4开口式整车模型风洞为研究平台，对此类风洞的喷口射流剪切层的流动结构展开研究，采用热线风速仪针对3种收集口角度和两种不同喷口速度的工况，对射流剪切层内的流场进行了瞬时速度的测量。通过对平均速度及速度脉动的分析，得到了各种工况下射流剪切层的结构特征、厚度发展特征及其中的脉动分布情况，明确了该风洞射流剪切层所特有的非定常流动结构。

关键词：模型风洞；射流剪切层；试验

中图分类号：U467.5+25文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.06.08

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进行研究对于风洞本身性能的提高，能量的节省以及风机效率的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   试验设施及方法

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。

模型风洞最大喷口风速为45 m/s。喷口面积为433 mm×283 mm，试验段尺寸为1 517 mm（长）×1 185 mm（宽）×818 mm（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。

1.2  试验方法介绍

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

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7个测量面，分别为x=50 mm，150 mm，250 mm，350 mm，450 mm，550 mm，650 mm。沿试验段高度方向（z方向）以距地面130 mm为零点，在试验段宽度中

心面上（y=0 mm），沿z方向每隔5 mm向上取

1个测量点。在x=50 mm，150 mm，250 mm 3处距喷口较近的位置，每处测点由z=0 mm至z=270 mm共54个。在x=350 mm，450 mm两处试验段中间

位置，每处测点由z=0 mm至z=290 mm共58个。在x=550 mm，650 mm两处靠近收集口的位置，每处测点由z=0 mm至z=310 mm共62个。测点分布如图2所示。

2    结果分析

选取距喷口较近的x=50 mm，试验模型通常摆放位置x=350 mm及距喷口较远的x=650 mm这3个具有代表性的沿流动方向的测量面进行分析。

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。

（i=1,2,…,N），

式中：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=283 mm。

图3为x=50 mm处4种工况下的x方向速度随高度变化的分布图。

对比工况1和工况2得出U0 =25 m/s时，两种工况射流初始段速度随高度的变化基本相同。从z方向零点（距地面130 mm）向上增加0.5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0.6倍喷口高度以上的区域，气流重新以一个比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=0.5到Z/Hnozzle=0.6之间，速度有较大的变化，可判断此处位于射流剪切层内。

观察工况3得出，同样在喷口速度为25 m/s时，工况3中剪切层下边缘和上边缘位置分别为0.55倍和0.65倍喷口高度处，其气流均匀区域的范围较之另外两种工况有所增大，剪切层位置向上移动。

对比工况3和工况4得出，虽然喷口速度不同，但射流段速度分布在此截面处几乎完全相同。

图4为x=350 mm处4种工况下的x方向速度随高度变化的分布图。

由图4可知，随着气流向下游的发展，此时的速度梯度与图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。

对比图4中工况1、工况2、工况3得出，在工况2中剪切层的下边缘较之工况1明显下移，导致均匀速度区范围减小。而在工况3中，剪切层较之工况1有略微的上移，均匀速度区增大。

对比工况3和工况4得出，在两种不同喷口速度下，射流段结构在此截面处仍然没有太大变化。

图5为x=650 mm处4种工况下的x方向速度随高度变化的分布图。

从图5工况1、工况2、工况3中得出，在距离收集口较近的位置，3种工况下的剪切层都位于Z/Hnozzle=0.4到Z/Hnozzle=0.9的区间内，上下边缘没有随收集口角度变化而上移或下移。但相比图4剪切层的厚度有所增长，导致均匀速度区继续减小。

对比工况3和工况4得出剪切层的结构依然没有随不同的喷口速度发生改变。结合图3、图4、图5得出结论，试验段射流剪切层上下边界位置及结构并不会随两种常用测试速度的变化而发生改变。

2.2 湍流强度

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。湍流强度由式（2）、式（3）给出。

，

，

式中：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=50 mm处4种工况下x方向湍流强度Tu随高度变化的分布图。

由图6得出在流场宽度中心截面上，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。

对比图6工况1、工况2、工况3得出，工况1和工况2都在Z/Hnozzle≈0.55处达到Tumax，即剪切层中心。而工况3则在Z/Hnozzle≈0.6处才达到Tumax，这与图3中得出的关于工况3的剪切层位置向上移动的结论相一致。但3种工况下Tumax相差不大，基本都在0.1左右，工况3略大于另外两种工况。

对比工况3和工况4得出在不同喷口速度下，虽然剪切层结构未发生变化，但Tumax却不

同。U0=25 m/s时，Tumax≈0.1，而U0=30 m/s时，Tumax≈0.14。

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。

对比图7工况1、工况2、工况3得出在工况1中Tumax出现在Z/Hnozzle≈0.6处，在工况2中Tumax出现在Z/Hnozzle≈0.5处，而在工况3中Tumax出现在Z/Hnozzle≈0.65处。这与此截面处的速度分布特征相一致，即工况2时此处的剪切层整体下移，而工况3时此处的剪切层略微上移。通过对比还发现Tumax在工况2时达到了0.15，略大于其它两种工况的0.14左右。

对比工况3和工况4发现，U0=25 m/s时，Tumax≈0.14，而U0 =30 m/s时Tumax≈0.17。剪切层中心位置不变。

对比图7和图8得出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的值也继续增大。

对比图8中工况1、工况2、工况3得出3种收集口工况下剪切层的中心位置都在Z/Hnozzle≈0.6处，说明从x=350 mm到x=650 mm，3种收集口工况下不同的剪切层中心位置逐渐发展到了相同位置。并且3种工况下Tumax基本相同，都在0.15左右。

对比工况3和工况4发现，U0 =25 m/s时，Tumax≈0.15，而U0 =30 m/s时Tumax≈0.19。结合图6、图7、图8得出结论：尽管在这两种常用喷口速度下，射流剪切层的结构保持不变，但剪切层中的湍流强度值Tu却随着喷口速度的增大而增大。

2.3 剪切层结构及厚度分布

为了更直观地了解射流剪切层结构，图9以工况3的情况为例，给出了y=0 mm截面上，收集口角度为15°，U0 =25 m/s时的剪切层整体结构图。

由图9得出随着射流的发展，剪切层下边缘向下扩散的程度小于上边缘向上扩散的程度，导致剪切层中心位置不断上移。还可得出射流剪切层厚度随流向的分布以及厚度的变化率，如图10所示。其中Zλ为该处剪切层厚度，ΔZλ和ΔX为相应的变化量。

由图10得出剪切层厚度沿流向是不断增长的。在射流的初始段，增长速率较慢，随着气流向下游的流动，剪切层厚度增长速度越来越快，这体现了空间无限射流的特点，即射流从出口开始沿流程不断地向外扩散，不断带动周围介质进入剪切层，使剪切层加速扩张。大概在x=450 mm处增长速度达到了最大，然后开始减小。这体现了空间有限射流的特点，即对于有限空间射流结构，空间边壁会限制射流剪切层的发展扩散［7］。

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）收集口角度的变化对射流剪切层的结构影响较大，对湍流度影响相对较小。与工况1相比，距喷口较近处，工况3的剪切层位置上移；试验段中心处，工况2的剪切层下移，工况3的剪切层仍然上移；距收集口较近处，3种工况的剪切层位置相一致。

（3）喷口速度的变化对于剪切层结构的影响非常微小，但对于剪切层内湍流度的影响十分显著。湍流度强度随着喷口速度的增加而增大。

（4）射流剪切层内的湍流强度比剪切层外的要高，并且在射流剪切层中心区域其值达到最大。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。

（5）随着射流发展，剪切层下边缘向下扩散的程度小于上边缘向上扩散的程度，使剪切层中心位置不断上移。剪切层厚度沿流向不断增大，但增长率先增加后减小。