3/4開口式汽車風洞噴口射流剪切層試驗研究

吳 桐，賈 青，楊志剛

（同濟大學 上海地面交通工具風洞中心，上海 201804）

整車風洞是汽車空氣動力學研究不可缺少的試驗設施。為了滿足中國汽車工業的需要，包括全尺寸氣動—聲學風洞和熱環境風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]。

傳統的航空風洞通常都是閉口式風洞，汽車風洞通常采用3/4開口式。該類風洞的特點是，氣流會在噴口邊緣處形成具有較大脈動量的射流剪切層。射流剪切層所圍內部區域通常稱為射流核心區，該處氣流較均勻，具有較低的湍流度，是模型的測試區域。具有較大脈動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返回噴口，激發新的大渦旋產生，從而形成尖劈反饋效應，其它部分氣流沿著收集口進入擴散段。可見該處流動具有典型的非定常流動特性。一方面這些非定常現象不僅會對流場的品質有所影響，還是產生噪聲的根源，另一方面由于渦間的互相轉化造成能量大量損失。所以對試驗段內非定常剪切層流場進行研究對于風洞本身性能的提高，能量的節省以及風機效率的高效使用都具有舉足輕重的作用。

通過以往的研究[2-5]，對試驗段內的定常流場品質有了較深入的了解。但對于試驗段內氣流的非定常流動特性還沒完全掌握，因此需要深入研究。而激發這種非定常特性的根源在于噴口處的射流結構，因此首先要對噴口射流剪切層的流動結構進行深入的研究。

1 試驗設施及方法

1.1 試驗設備

研究平臺為上海地面交通工具風洞中心1∶15汽車模型風洞，具體結構如圖1所示。

模型風洞最大噴口風速為45 m/s。噴口面積為433 mm×283 mm，試驗段尺寸為1 517 mm（長）×1 185 mm（寬）×818 mm（高）。

基于熱線風速儀的方便性及高分辨率，本文采用Dantec公司55R91型三維熱線探頭對模型風洞試驗段內噴口射流剪切層內的流場進行了瞬時速度的測量。

1.2 試驗方法介紹

以往的研究發現［2］，在開口式風洞中，收集口的角度和噴口速度對流場品質的影響很大，收集口角度為15°時，試驗段射流剪切層中的湍流度比較明顯。為了更加詳細地對比研究收集口角度和噴口風速對剪切層的影響，選取3種收集口角度和U0=25 m/s，30 m/s這兩種常用噴口風速共組成4種工況：工況1，U0=25 m/s，收集口3個蓋板都為0°；工況2，U0=25 m/s，收集口上蓋板為0°，兩側板為15°；工況3，U0=25 m/s，收集口3個板均為15°；工況4，U0=30 m/s，收集口3個板均為15°。

參考以往的定常研究結果，確定了幾個測量平面，具體如下。

沿試驗段長度方向（x方向）取7個測量面，分別為x=50 mm，150 mm，250 mm，350 mm，450 mm，550 mm，650 mm。沿試驗段高度方向（z方向）以距地面130 mm為零點，在試驗段寬度中心面上（y=0 mm），沿z方向每隔5 mm向上取1個測量點。在x=50 mm，150 mm，250 mm 3處距噴口較近的位置，每處測點由z=0 mm至z=270 mm共54個。在x=350 mm，450 mm兩處試驗段中間位置，每處測點由z=0 mm至z=290 mm共58個。在x=550 mm，650 mm兩處靠近收集口的位置，每處測點由z=0 mm至z=310 mm共62個。測點分布如圖2所示。

2 結果分析

選取距噴口較近的x=50 mm，試驗模型通常擺放位置x=350 mm及距噴口較遠的x=650 mm這3個具有代表性的沿流動方向的測量面進行分析。

2.1 速度分布

將各測點所測得的沿x方向的瞬時速度進行平均，得到各測點在該方向的平均速度，計算公式如下。

式中：Ui為某測點采樣一次得到的x方向速度；N為采樣總次數；Umean為該測點的平均x方向速度。

為了描述普適機理，對所得數據進行了無量綱處理［6］。橫軸取當地平均速度與噴口處來流速度之比（Umean/U0），縱軸取測點所處高度與噴口高度之比（Z/Hnozzle）。其中U0為噴口風速，Hnozzle=283 mm。

圖3為x=50 mm處4種工況下的x方向速度隨高度變化的分布圖。

對比工況1和工況2得出U0=25 m/s時，兩種工況射流初始段速度隨高度的變化基本相同。從z方向零點（距地面130 mm）向上增加0.5倍噴口高度時，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0.6倍噴口高度以上的區域，氣流重新以一個比較小的速度穩定下來，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=0.5到Z/Hnozzle=0.6之間，速度有較大的變化，可判斷此處位于射流剪切層內。

觀察工況3得出，同樣在噴口速度為25 m/s時，工況3中剪切層下邊緣和上邊緣位置分別為0.55倍和0.65倍噴口高度處，其氣流均勻區域的范圍較之另外兩種工況有所增大，剪切層位置向上移動。

對比工況3和工況4得出，雖然噴口速度不同，但射流段速度分布在此截面處幾乎完全相同。

圖4為x=350 mm處4種工況下的x方向速度隨高度變化的分布圖。

由圖4可知，隨著氣流向下游的發展，此時的速度梯度與圖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量隨原射流向前流動，原來的流體動量減小而失去速度，形成一定的速度梯度，射流斷面不斷擴大，流量沿程增加。

對比圖4中工況1、工況2、工況3得出，在工況2中剪切層的下邊緣較之工況1明顯下移，導致均勻速度區范圍減小。而在工況3中，剪切層較之工況1有略微的上移，均勻速度區增大。

對比工況3和工況4得出，在兩種不同噴口速度下，射流段結構在此截面處仍然沒有太大變化。

圖5為x=650 mm處4種工況下的x方向速度隨高度變化的分布圖。

從圖5工況1、工況2、工況3中得出，在距離收集口較近的位置，3種工況下的剪切層都位于Z/Hnozzle=0.4到Z/Hnozzle=0.9的區間內，上下邊緣沒有隨收集口角度變化而上移或下移。但相比圖4剪切層的厚度有所增長，導致均勻速度區繼續減小。

對比工況3和工況4得出剪切層的結構依然沒有隨不同的噴口速度發生改變。結合圖3、圖4、圖5得出結論，試驗段射流剪切層上下邊界位置及結構并不會隨兩種常用測試速度的變化而發生改變。

2.2 湍流強度

為研究流場的非定常特性，從湍流強度入手分析試驗段內流場的脈動分布情況。湍流強度由式（2）、式（3）給出。

式中：Uref為參考速度，即噴口處平均速度U0。此時湍流強度Tu表示試驗段內各測點x方向脈動速度相對噴口速度的變化量。

圖6為x=50 mm處4種工況下x方向湍流強度Tu隨高度變化的分布圖。

由圖6得出在流場寬度中心截面上，湍流強度較高的部位集中在射流剪切層內，說明這里的脈動量較大，其中位于剪切層中心部位的湍流強度達到最大值Tumax。而在射流的核心區雖然速度較高，但湍流強度很低，說明這里的流場分布均勻，沒有太大的脈動。

對比圖6工況1、工況2、工況3得出，工況1和工況2都在Z/Hnozzle≈0.55處達到Tumax，即剪切層中心。而工況3則在Z/Hnozzle≈0.6處才達到Tumax，這與圖3中得出的關于工況3的剪切層位置向上移動的結論相一致。但3種工況下Tumax相差不大，基本都在0.1左右，工況3略大于另外兩種工況。

對比工況3和工況4得出在不同噴口速度下，雖然剪切層結構未發生變化，但Tumax卻不同。U0=25 m/s時，Tumax≈0.1，而U0=30 m/s時，Tumax≈ 0.14。

對比圖6和圖7得出在氣流向下游發展的過程中，湍流度較大的區域范圍增加，這和射流剪切層的發展趨勢相一致。Tumax的值也相應增大，說明剪切層內的脈動量隨射流的發展而增大。

對比圖7工況1、工況2、工況3得出在工況1中Tumax出現在Z/Hnozzle≈0.6處，在工況2中Tumax出現在Z/Hnozzle≈0.5處，而在工況3中Tumax出現在Z/Hnozzle≈0.65處。這與此截面處的速度分布特征相一致，即工況2時此處的剪切層整體下移，而工況3時此處的剪切層略微上移。通過對比還發現Tumax在工況2時達到了0.15，略大于其它兩種工況的0.14左右。

對比工況3和工況4發現，U0=25 m/s時，Tumax≈0.14，而U0=30 m/s時Tumax≈0.17。剪切層中心位置不變。

對比圖7和圖8得出在氣流向下游發展的過程中，湍流度較大的區域范圍繼續增加，Tumax的值也繼續增大。

對比圖8中工況1、工況2、工況3得出3種收集口工況下剪切層的中心位置都在Z/Hnozzle≈0.6處，說明從x=350 mm到x=650 mm，3種收集口工況下不同的剪切層中心位置逐漸發展到了相同位置。并且3種工況下Tumax基本相同，都在0.15左右。

對比工況3和工況4發現，U0=25 m/s時，Tumax≈0.15，而U0=30 m/s時Tumax≈0.19。結合圖6、圖7、圖8得出結論：盡管在這兩種常用噴口速度下，射流剪切層的結構保持不變，但剪切層中的湍流強度值Tu卻隨著噴口速度的增大而增大。

2.3 剪切層結構及厚度分布

為了更直觀地了解射流剪切層結構，圖9以工況3的情況為例，給出了y=0 mm截面上，收集口角度為15°，U0=25 m/s時的剪切層整體結構圖。

由圖9得出隨著射流的發展，剪切層下邊緣向下擴散的程度小于上邊緣向上擴散的程度，導致剪切層中心位置不斷上移。還可得出射流剪切層厚度隨流向的分布以及厚度的變化率，如圖10所示。其中Zλ為該處剪切層厚度，ΔZλ和ΔX為相應的變化量。

由圖10得出剪切層厚度沿流向是不斷增長的。在射流的初始段，增長速率較慢，隨著氣流向下游的流動，剪切層厚度增長速度越來越快，這體現了空間無限射流的特點，即射流從出口開始沿流程不斷地向外擴散，不斷帶動周圍介質進入剪切層，使剪切層加速擴張。大概在x=450 mm處增長速度達到了最大，然后開始減小。這體現了空間有限射流的特點，即對于有限空間射流結構，空間邊壁會限制射流剪切層的發展擴散［7］。

3 結論

（1）在射流初始段即噴口處，剪切層厚度較薄，均勻流速區的范圍相對較大。隨著射流向下游發展，射流剪切層厚度增加，均勻流速區的范圍減小。

（2）收集口角度的變化對射流剪切層的結構影響較大，對湍流度影響相對較小。與工況1相比，距噴口較近處，工況3的剪切層位置上移；試驗段中心處，工況2的剪切層下移，工況3的剪切層仍然上移；距收集口較近處，3種工況的剪切層位置相一致。

（3）噴口速度的變化對于剪切層結構的影響非常微小，但對于剪切層內湍流度的影響十分顯著。湍流度強度隨著噴口速度的增加而增大。

（4）射流剪切層內的湍流強度比剪切層外的要高，并且在射流剪切層中心區域其值達到最大。隨著氣流向下游的發展，湍流強度較大的區域范圍有所增加，最大湍流度值也有所增大。

（5）隨著射流發展，剪切層下邊緣向下擴散的程度小于上邊緣向上擴散的程度，使剪切層中心位置不斷上移。剪切層厚度沿流向不斷增大，但增長率先增加后減小。

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