汽车风洞低频振动的产生与控制

为原始的渴望

　　汽车风洞在特定风速范围内可能会产生不同强弱程度的低频振动现象，这种现象会对试验结果和风洞结构安全产生显著影响。本期由中国汽研汽车风洞中心王庆洋博士聚焦汽车风洞低频振动现象的产生机理和控制方法，深度探究汽车风洞实验技术。

　　汽车风洞低频振动的产生

　　汽车风洞的实验区域主要由喷口、驻室和收集口组成，射流从喷口处产生，在收集口处汇聚，在驻室的中央区域形成稳定的主流区，待测对象位于主流区，在此可完成相应风洞试验测试，如图1所示。

　　气流流出喷口后，会在喷口的自由边缘处形成剪切层，随着剪切层的增长，形成旋涡，旋涡脱离喷口并向下游运动，如图2所示。

　　喷口处涡脱频率fs与喷口速度U∞和特征直径dh = 4AN/LN(AN为喷口面积，LN为喷口周长)有关，表达式为：

　　其中，St为无量纲常数，即斯特罗哈数，对于图2 所示的喷口形式，St = 0.34。

　　当喷口涡脱频率和风洞固有模态的特征频率重叠时，即可能发生风洞结构的低频振动(buffeting)，并伴随着较大的流场压力脉动。若只考虑流向方向，此时喷口和驻室可以简化成单自由度弹簧质量系统，如图3所示，喷口流体部分可等效成质量块，驻室腔体部分可等效成弹簧，这种振动形式也称为驻室-亥姆霍兹共振(Helmholtz resonance)。

　　对于全尺寸汽车风洞，这种振动的频率范围为2Hz～15Hz，声压级一般在110dB~130dB，会带来较大的结构振动和风噪，对气动力和噪声的测试结果造成影响，甚至损坏风洞结构。

　　汽车风洞低频振动的控制

　　如上所述，汽车风洞的低频振动对于风洞实验结果和结构安全都存在着重大的隐患，需对其进行控制，常用的控制方法分为被动控制和主动控制两种。被动控制不需对风洞系统中引入能量，只需改变风洞结构，调整气流流动，从而起到调节压力脉动的作用，抑制低频振动。主动控制需要在风洞系统中输入能量，改变气流流动，控制压力脉动，从而抑制低频振动。

　　汽车风洞低频振动的被动控制
　　被动控制方法主要在适当程度下(不影响流场特征)改变风洞结构，如在风洞喷口洞壁内侧增加整流装置，减弱喷口处涡脱落强度，或改变涡脱落频率，从而起到控制风洞低频振动的效果。或者在风洞收集口和第一转角之间增加压力调节装置，起到调节压力脉动的作用，从而控制风洞低频振动。

　　喷口整流装置
　　常用的喷口整流装置有Seiferth翼型，可以有效的控制涡脱强度，抑制压力脉动。但Seiferth翼型产生附加的轴向压力梯度，影响风洞实验结果，这是其重要缺点。

　　德国FKFS则基于同样原理，自主设计了一种喷口整流装置FKFS besst® (Beland Silent Stabilizer)，可以有效的抑制压力脉动以及风洞的低频振动，对于压力脉动的控制效果如图4 所示。

　　压力补偿装置
　　另一种被动控制方法如图5所示，在收集口和第一转角之间增加压力补偿装置，并在上洞壁处留有多处调压孔，可以起到调节气流压力脉动，控制风洞低频振动的效果。目前同济大学汽车风洞、戴姆勒汽车风洞和保时捷汽车风洞都采用此种控制方法。

　　汽车风洞低频振动的主动控制
　　主动控制方法需要在流场中输入主动能量，如奥迪汽车风洞，图6所示，在第一转角和第二转角处，增加了主动谐振腔，该腔体内布置扬声器，通过控制谐振腔内扬声器的振幅和频率，对风洞主流的压力脉动进行抑制，起到控制风洞低频振动的效果。该风洞可以实现在风速160km/h时，背景噪音仅61dB(A)。

　　总结分析

　　对于任何汽车风洞，均有可能在特定的风速范围内产生低频振动，只是振动的强弱不同，这对于风洞试验结果和风洞结构安全性有着重要的影响。因此，在风洞的早期设计阶段，就需考虑风洞低频振动的控制方法，并在风洞调试阶段不断尝试、调整，优化控制效果，才可以在最大程度上减小风洞低频振动对于试验结果和结构安全性的影响。

　　中国汽研汽车空气动力学-声学风洞通过增加压力补偿装置来控制风洞压力脉动(如图5)，并抑制低频振动的产生。通过此方法，实现了风速140km/h时，背景噪音仅为58dB(A)，可为风噪测试提供优异的测试环境。

　　参考文献

　　[1] Wickern G, Lindener N. The audi aeroacoustic wind tunnel: Final design and first operational experience[R]. SAE Technical Paper, 2000.
　　[2] Schuetz T. Aerodynamics of Road Vehicles[M]. SAE, 2016.