CN101071091A - 开口回流式气动－声学风洞的低频颤振抑制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开口回流式气动—声学风洞的低频颤振抑制结构，所述风洞依次由风机、风机扩散段、第三拐角、换热器、第四拐角、蜂窝器、阻尼网、收缩段、喷口、射流段、收集口、扩散段、第一拐角、第一过渡段、第二拐角及风机进风段组成，其中喷口、射流段和收集口均包含于风洞驻室内，在与收集口相连的扩散段、第一拐角、第一过渡段及第二拐角的上方设有空腔结构，所述空腔结构上设有多个通风孔与风洞流道、驻室相通。本发明降低了低频颤振，改善试验段流场和声场的试验测量环境。

Description

开口回流式气动-声学风洞的低频颤振抑制结构

技术领域

本发明涉及一种开口回流式气动-声学风洞，特别是涉及这种风洞的低频颤振抑制结构。

背景技术

高速公路、高速轨道交通发展速度日新月异，除汽车之外，其它高速轨道交通工具(如高速列车、磁悬浮列车等)也不断涌现。这样，设计空气动力特性良好的轻量化轿车和高速轨道交通机车车辆，提高高速交通工具的空气动力稳定性，改善它们的动力性和经济性以及驾驶室的内流特性，提高发动机、制动系统的效能，降低空气动力噪声成为这类汽车和高速轨道交通工具的重点研究开发内容。汽车整车风洞试验设备在这些研究工作中起到不可替代的作用。但汽车风洞设计和建设中仍然存在许多技术难点，其中，低频颤振问题直接影响到测试段的气流品质，影响试验件的气动和声学(在声学风洞中)性能测量，使风洞的实验能力受到限制，历来是开口式风洞研究领域的世界难题，迄今为止还没有有效的解决方法。

上世纪70年代以来，人们逐渐认识到汽车风洞中普遍存在着低频颤振现象，即在全尺寸风洞中，低于20Hz的频率范围内会出现几个明显的共振峰值，而且这些峰值出现的频率和风速相关，最高峰值出现的风速也是不可预测的，其峰值的大小更是难以预测，因而如何降低低频颤振幅值的研究在汽车风洞的设计过程中也逐渐成为必需的科研攻关项目之一。国外的风洞建设经验表明，如果不能有效抑制低频颤振现象，不仅会给相关的风洞实验带来严重的影响，甚至有可能破坏风洞本身的结构。由于人们对产生这样的颤振机理不是很清楚，因而出现了各式各样的控制方法，然而不同的控制方法对于不同的风洞来讲效果也不尽相同，各有其优缺点。以往低频颤振的控制技术有如下几种：

1)喷口处加扰流片：这种技术是在喷口出口处的两个侧面和一个顶面上均匀对称布置一些一定尺寸大小薄片，以此来破坏风洞喷口处剪切层内大范围的涡流，从而达到抑制低频噪声的效果；

2)扰流沟槽：这种技术是在收集口前部布置不同的沟槽，使得气流到达收集口的时候能够被分散开，从而减小气流碰撞收集口而产生的气动噪声；

3)改变收集口的开口角度，从而使得喷口和收集口的面积比改变；

4)在覆盖了弹性材料的试验支路管道内加工孔隙，从而改变该支路管道的声学模态，使其共振频率提高；

5)采用主动共振控制技术(例如AUDI汽车公司的风洞)，通过使用扬声器系统来抑制风洞回路中的声共振；

6)使驻室与大气相通，改变驻室的声学模态。

这些控制方法都有其自身的局限性。如喷口处加扰流片的方法容易产生高频的噪声；在收集口前布置沟槽或者改变收集口开口角度需要多次反复实验来进行修改，而且非常耗时；奥迪汽车公司所采用的利用扬声器的方法则成本昂贵，同时需要严格的控制流程表才能达到预期的效果，等等。共同的缺点是针对性强、通用性差，而且降低低频颤振的效果因不同的风洞而异。

所以，目前还需要不断试验研究新的抑制低频颤振的技术，使汽车风洞获得良好的实验测量环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能有效抑制风洞中低频颤振现象的开口回流式气动-声学风洞结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种开口回流式气动-声学风洞的低频颤振抑制结构，所述风洞依次由风机、风机扩散段、第三拐角、换热器、第四拐角、蜂窝器、阻尼网、收缩段、喷口、射流段、收集口、扩散段、第一拐角、第一过渡段、第二拐角及风机进风段组成，其中喷口、射流段和收集口均包含于风洞驻室内，在与收集口相连的扩散段、第一拐角、第一过渡段及第二拐角的上方设有空腔结构，所述空腔结构上设有多个通风孔与风洞流道、驻室相通。

优选地，所述空腔结构与驻室相通的通风孔位于收集口的上方。

优选地，所述空腔结构与风洞流道相通的通风孔位于扩散段的顶部和第二拐角的顶部。

优选地，所述通风孔的大小可调。

本发明从研究驻室内发生低频颤振现象的诱导因素出发，附加和驻室及流道相通的空腔结构，吸收了共振频率下的低频颤振能量，也改变了管道中的共振声模态，改变了驻室内的流场分布，进而改变了收集口的反馈机制，从而降低了低频颤振，改善试验段流场和声场的试验测量环境。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为原有风洞结构的俯视图(剖视)。

图2为原有风洞结构的主视图。

图3为原有风洞结构的右视图。

图4为本发明风洞结构的俯视图(剖视)。

图5为本发明风洞结构的主视图。

图6为本发明风洞结构的右视图。

图7为原有结构在标准测点处不同风速下压力脉动系数的变化情况。

图8为采用本发明结构后的压力脉动系数图。

图9为采用本发明结构后的另一种压力脉动系数图。

图中：1为喷口，2为射流段，3为收集口，4为扩散段，5为第一拐角，6为第一过渡段，7为第二拐角，8为驻室，9、10、12为通风孔，11为空腔结构、cp range1～3表示了三个不同频率段，cp OA表示一个较宽频率段，cp peak max较宽频率段内的最大值。

具体实施方式

沿着顺流的方向，开口回流式低速风洞依次由风机、风机扩散段、第三拐角、换热器、第四拐角、蜂窝器、阻尼网、收缩段、喷口、射流段、收集口、扩散段、第一拐角、第一过渡段、第二拐角及风机进风段组成。图1、图2和图3示出了其中的一段，其中喷口1、射流段2和收集口3均包含于风洞驻室8内，而扩散段4、第一拐角5、第一过渡段6和第二拐角7构成了风洞的一段流道。

本发明的结构如图4、图5和图6所示，在与收集口3相连的扩散段4、第一拐角5、第一过渡段6及第二拐角7的上方增加了一个空腔结构11，在收集口3的上方设有一个通风孔12，使空腔结构11与驻室8相通，在扩散段4的顶部设有一个通风孔9与空腔结构11相通，在第二拐角7的顶部设有一个通风孔10与空腔结构相通。

本发明附加了和驻室及流道相通的空腔结构，在抑制低频颤振、改善驻室声学环境和流场品质方面进行应用。使用本发明对于低频颤振幅值产生不同的抑制效果，可以通过计算压力脉动系数Cp，peak来衡量降低低频颤振的效果，计算方法如下：

$\mathrm{Cp},\mathrm{peak}=\frac{{\tilde{p}}_{\max }}{p_{\mathrm{dyn}}}=\frac{{10}^{(\frac{L_{p,\mathrm{peak}}}{20}+{\mathrm{lgp}}_0)}}{p_{\mathrm{dyn}}}$

Cp，peak——某一频率段下峰值处压力脉动系数；

——最大脉动压力值；

p_dyn——测点动压；

p₀——参考压力(20μPa)

Lp，peak——某一频率段下峰值处声压级。

用原有结构和本发明的结构来进行对比实验，通过绘制压力脉动系数图可以看出本发明结构在抑制低频颤振方面的效果。

实验1，首先用原有不带空腔的风洞结构进行实验，在标准测点处不同风速下压力脉动系数图如图7所示。然后采用本发明的风洞结构进行实验，收集口导流板转角0度、喉部无缝隙、第一扩散段起始段无缝隙、喷口上方开口全打开、收集口上方开口面积为喷口面积的35％，第二拐角顶部的通风孔开2/3，扩散段顶部的通风孔全开。通过不同风速的实验测量，压力脉动系数如图8所示，可以看出，其最大的压力脉动系数为2.1％。与原结构的低频颤振最大幅值相比(约7％)，降幅达到了70.0％。

实验2：采用本发明的风洞结构，收集口导流板转角0度、喉部无缝隙、第一扩散段起始段无缝隙、喷口上方开口面积为喷口面积的25％、收集口上方开口面积为喷口面积的30％，扩散段顶部的通风孔开1/3。通过不同风速的实验测量，压力脉动系数如图9所示，可以看出，其最大的压力脉动系数为1.5％。与原结构的低频颤振最大幅值相比(约7％)，降幅达到了78.6％。

从实验的结果来看，本发明取得了很好的效果，驻室中轴线处标准测点的低频颤振幅值最大降幅可达78.6％，特别是针对不同风速段出现的颤振峰值，可以由不同的通风孔及不同的开孔面积连接空腔来进行控制，这些都有利于风洞中进行空气动力学及噪声分析实验，从而取得可信的实验数据。

Claims (4)

1.一种开口回流式气动-声学风洞的低频颤振抑制结构，所述风洞依次由风机、风机扩散段、第三拐角、换热器、第四拐角、蜂窝器、阻尼网、收缩段、喷口、射流段、收集口、扩散段、第一拐角、第一过渡段、第二拐角及风机进风段组成，其中喷口、射流段和收集口均包含于风洞驻室内，其特征是：在与收集口相连的扩散段、第一拐角、第一过渡段及第二拐角的上方设有空腔结构，所述空腔结构上设有多个通风孔与风洞流道、驻室相通。

2.根据权利要求1所述的开口回流式气动-声学风洞的低频颤振抑制结构，其特征是：所述空腔结构与驻室相通的通风孔位于收集口的上方。

3.根据权利要求1所述的开口回流式气动-声学风洞的低频颤振抑制结构，其特征是：所述空腔结构与风洞流道相通的通风孔位于扩散段的顶部和第二拐角的顶部。

4.根据权利要求1、2或3所述的开口回流式气动-声学风洞的低频颤振抑制结构，其特征是：所述通风孔的大小可调。

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