CN115541167A - 一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，包括水平抽吸系统、第一垂直抽吸系统、第二垂直抽吸系统、切向射流系统和控制模块；水平抽吸装置的抽吸口位于喷口内，第一垂直抽吸装置的抽吸口位于喷口出口与天平转盘之间的地面上，第二垂直抽吸装置的抽吸口位于天平转盘上，切向射流装置的射流口位于第二垂直抽吸装置的抽吸口与移动带之间。与现有技术相比，本发明提出了采用水平抽吸、垂直抽吸与切向射流三级连续组合的边界层控制系统，在喷口出口处布置水平抽吸装置，在喷口和测试模型前端采用弱垂直抽吸装置，在移动带前采用切向射流，最终实现对试验区域边界层的控制，同时不对轴向静压梯度产生影响。

Description

一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统

技术领域

本发明涉及汽车风洞技术领域，尤其是涉及一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，通过三级连续组合水平抽吸、垂直抽吸和切向射流，用于控制汽车风洞试验段的地面边界层，且不产生附加的轴向静压梯度或气流攻角等诱发实验误差的负面效应。

背景技术

流体与固体壁面相对运动时，固体壁面附近的薄层中，粘性力的影响则不能忽略，沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这就是流体力学中所谓边界层。

在理想条件下，由于气流与真实道路之间无相对运动，真实行驶汽车前方的气流在地面附近是没有边界层的。而风洞试验采用汽车静止，气流流动，因粘性摩擦使气流附着地面，不可避免会形成边界层。大量试验证明随着边界层厚度的增加，阻力系数测量值减小，且在一定范围内存在线性递减的关系，可以进行修正，而边界层对升力及力矩的影响更为复杂，很难用经验公式进行修正。

为了模拟汽车在真实道路上行驶时的气流特征，汽车风洞须通过适当的技术措施消除边界层，其中边界层控制是汽车风洞特有的技术，既要消除边界层引起的垂直速度梯度变化，实现风洞中均匀来流，又必须控制干扰，避免产生轴向静压梯度或气流攻角之类影响风洞实验误差的负面效应。

目前汽车风洞常见的边界层控制技术有垂直抽吸和切向射流。垂直抽吸又可分为完全地面垂直或部分倾斜有高差的垂直抽吸，其目的是抽吸掉低动能的边界层气流；切向射流通过窄缝产生与地板平行的射流来增加边界层内气流的动能。但垂直抽吸往往会产生附加的轴向静压力梯度，导致测试模型产生“水平浮力”误差，而切向射流容易产生气流偏角。

同济大学上海地面交通工具风洞中心首次采用了一种更有效且合理的水平抽吸边界层控制方法，试验结果显示，通过在试验段前端抬升地板，根据试验风速和模型阻塞度调节抽吸流量，可使得边界层厚度近似为零，且对轴向压力梯度没有影响。

另外，水平抽吸、垂直抽吸和切向射流的流量控制也至关重要，流量过大或偏小会引起气流偏角或附加边界层，导致试验段来流与真实情况不符。同时，垂直抽吸分布区域的设置如延伸至测试模型区域，也会影响测试模型周边气流，对测试结果产生不确定性的影响。最后，为气流偏角测试，天平转盘是可以在一定角度范围内自由偏转的，加之集成了复杂的“五带”系统，转盘内抽吸管道的布置也受到一定的限制。

综上，现有技术中，尚无法有效去除风洞边界层对汽车空气动力学试验的影响，因此，有必要对边界层消除方案进行进一步研究，实现对试验区域边界层的控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，在喷口出口处布置水平抽吸装置，消除喷口出来气流的边界层；在喷口和测试模型前端采用弱垂直抽吸装置，维持边界层厚度基本不变；在移动带前采用切向射流，对边界层内气流的动能进行补充；最终实现对试验区域边界层的控制，同时不对轴向静压梯度产生影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，用于驻室和流道组成的汽车风洞，包括水平抽吸系统、第一垂直抽吸系统、第二垂直抽吸系统、切向射流系统和控制模块；

所述流道的两端分别为喷口和收集口，所述喷口用于喷出气流，所述收集口用于回收气流，喷口和收集口位于驻室的两端，所述驻室的地面上设有可旋转的天平转盘，测试模型放置于天平转盘上，所述天平转盘上设有移动带，移动带位于测试模型的底部；

所述水平抽吸系统包括水平抽吸装置、水平抽吸管道、水平抽吸流量计、水平抽吸电动风阀和水平抽吸变频风机；

所述第一垂直抽吸系统包括第一垂直抽吸装置、第一垂直抽吸管道、第一垂直抽吸流量计、第一垂直抽吸电动风阀和第一垂直抽吸变频风机；

所述第二垂直抽吸系统包括第二垂直抽吸装置、第二垂直抽吸管道、第二垂直抽吸流量计、第二垂直抽吸电动风阀和第二垂直抽吸变频风机；

所述切向射流系统包括切向射流装置、切向射流管道、切向射流流量计、切向射流电动风阀和切向射流变频风机；

所述控制模块连接水平抽吸流量计、水平抽吸电动风阀、水平抽吸变频风机、第一垂直抽吸流量计、第一垂直抽吸电动风阀、第一垂直抽吸变频风机、第二垂直抽吸流量计、第二垂直抽吸电动风阀、第二垂直抽吸变频风机、切向射流流量计、切向射流电动风阀和切向射流变频风机；

所述水平抽吸装置的抽吸口位于喷口内，所述第一垂直抽吸装置的抽吸口位于喷口出口与天平转盘之间的地面上，所述第二垂直抽吸装置的抽吸口位于天平转盘上，所述切向射流装置的射流口位于第二垂直抽吸装置的抽吸口与移动带之间。

进一步地，所述水平抽吸装置上的抽吸口通过水平抽吸腔体与水平抽吸管道相连，所述水平抽吸管道汇入总回风管道，所述总回风管道通入流道，所述水平抽吸腔体为圆弧渐扩腔体。

进一步地，所述第一垂直抽吸装置上的抽吸口包括多个分布在喷口出口与天平转盘之间地面上的抽吸小孔，所述抽吸小孔通过第一垂直抽吸腔体与第一垂直抽吸管道相连，所述第一垂直抽吸管道汇入总回风管道，所述总回风管道通入流道。

进一步地，所述第二垂直抽吸装置上的抽吸口包括多个分布在天平转盘上的抽吸小孔，所述抽吸小孔通过第二垂直抽吸腔体与第二垂直抽吸管道相连，所述第二垂直抽吸管道汇入总回风管道，所述总回风管道通入流道。

进一步地，所述收集口连接扩散段，所述扩散段与连接段相连，所述连接段与喷口相连，所述总回风管道通入连接段。

进一步地，所述切向射流装置的射流口为一条窄缝，所述射流口喷出的射流与喷口来流方向一致且紧贴天平转盘表面，所述射流口通过切向射流腔体与切向射流管道相连，所述切向射流管道与大气相连。

进一步地，所述切向射流管道分为转盘上切向射流管道和转盘外切向射流管道，所述转盘上切向射流管道和转盘外切向射流管道之间通过第二旋转管接头连接。

进一步地，所述第二垂直抽吸管道分为转盘上第二垂直抽吸管道和转盘外第二垂直抽吸管道，所述转盘上第二垂直抽吸管道和转盘外第二垂直抽吸管道之间通过第一旋转管接头连接。

进一步地，预先标定试验风速U₀和水平抽吸流量Q_SC以及水平抽吸变频风机转速的关系，所述控制模块基于水平抽吸流量计信号以及试验风速U₀控制水平抽吸变频风机以调节水平抽吸流量至预设置的水平抽吸流量，水平抽吸流量Q_SC的计算公式如下：

Q_SC＝η_SC·U₀·A_SC

其中，η_SC表示水平抽吸装置的抽吸口的抽吸率，A_SC表示水平抽吸装置的抽吸口的入口面积，U₀表示试验风速，η_SC的计算公式为：

其中，U_SC表示水平抽吸装置的抽吸口的抽吸气流速度。

进一步地，预先标定试验风速U₀和第一垂直抽吸流量Q_SUC1以及第一垂直抽吸变频风机转速的关系，所述控制模块基于第一垂直抽吸流量计信号以及试验风速U₀控制第一垂直抽吸变频风机以调节第一垂直抽吸流量至预设置的第一垂直抽吸流量，第一抽吸流量Q_SUC1的计算公式如下：

Q_SUC1＝η_SUC1·U₀·A_SUC1

其中，η_SUC1表示第一抽吸装置的抽吸口的抽吸率，A_SUC1表示第一抽吸装置的抽吸口的入口面积，U₀表示试验风速，η_SUC1的计算公式为：

其中，U_SUC1表示第一垂直抽吸装置的抽吸口的抽吸气流速度。

进一步地，预先标定试验风速U₀和第二垂直抽吸流量Q_SUC2以及第二垂直抽吸变频风机转速的关系，所述控制模块基于第二垂直抽吸流量计信号以及试验风速U₀控制第二垂直抽吸变频风机以调节第二垂直抽吸流量至预设置的第二垂直抽吸流量，第二抽吸流量Q_SUC2的计算公式如下：

Q_SUC2＝η_SUC2·U₀·A_SUC2

其中，η_SUC2表示第二抽吸装置的抽吸口的抽吸率，A_SUC2表示第二抽吸装置的抽吸口的入口面积，U₀表示试验风速，η_SUC2的计算公式为：

其中，U_SUC2表示第二垂直抽吸装置的抽吸口的抽吸气流速度。

进一步地，预先标定试验风速U₀和切向射流流量Q_TB以及切向射流变频风机转速的关系，所述控制模块基于切向射流流量计信号以及试验风速U₀控制切向射流变频风机以调节切向射流流量至预设置的切向射流流量，切向射流流量Q_TB的计算公式如下：

Q_TB＝η_TB·U₀·A_TB

其中，η_TB表示切向射流装置的射流口的射流率，A_TB表示切向射流装置的射流口的出口面积，U₀表示试验风速，η_TB的计算公式为：

其中，U_TB表示切向射流装置的射流口的射流气流速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)可有效地去除风洞边界层对汽车空气动力学试验的影响，同时克服了完全采用垂直抽吸或切向射流等传统边界层控制方法产生的试验段气流偏角或轴向静压梯度变化等负面影响。

(2)采用水平抽吸、垂直抽吸与切向射流三级连续控制，抽吸系统覆盖喷口出口至移动带前缘的区域，移动带前无再生边界层；水平抽吸完全消除风洞喷口内边界层，垂直抽吸负担大幅减轻，采用弱垂直抽吸控制边界层再生，系统本身产生的噪声水平较低；切向射流辅助移动带运动，使得移动带便面气流完全均匀，即零厚度边界层。

(3)回风口设置于连接段，更接近风机，回风背压低，系统所需功率小，消耗的能量更低。

(4)对于需要随天平转盘转动的第二垂直抽吸管道和切向射流管道，设计了第一旋转管接头和第二旋转管接头，且可将切向射流管道的第二旋转管接头内置于第二垂直抽吸管道中，减小管道所占空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为水平抽吸装置、垂直抽吸装置和切向射流装置的分布位置示意图；

图3为水平抽吸装置、垂直抽吸装置和切向射流装置的分布位置示意图；

图4为第一旋转管接头与第二旋转管接头的示意图；

图5为本发明的水平抽吸效果示意图；

图6为本发明的垂直抽吸效果示意图；

图7为本发明的切向射流结构示意图；

图8为本发明的切向射流效果示意图；

图9为本发明的应用示意图；

图10为整车气动与声学风洞试验段轴向静压梯度示意图；

图11为整车气动与声学风洞试验段边界层测量结果示意图；

附图标记：1、水平抽吸装置，2、第一垂直抽吸装置，3、第二垂直抽吸装置，4、切向射流装置，5、喷口，6、移动带，7、测试模型，8、驻室地面，9、收集口，10、驻室，11、扩散段，12、连接段，13、水平抽吸管道，14、第一垂直抽吸管道，15、第二垂直抽吸管道，16、切向射流管道，17、水平抽吸流量计，18、第一垂直抽吸流量计，19、第二垂直抽吸流量计，20、切向射流流量计，21、水平抽吸电动风阀，22、第一垂直抽吸电动风阀，23、第二垂直抽吸电动风阀，24、切向射流电动风阀，25、水平抽吸变频风机，26、第一垂直抽吸变频风机，27、第二垂直抽吸变频风机，28、切向射流变频风机，29、总回风管，30、控制模块，31、第一旋转管接头，32、第二旋转管接头，33、天平转盘，34、边界层；

1-1、水平抽吸装置的抽吸口，1-2、水平抽吸装置的水平抽吸腔体，2-1、第一垂直抽吸装置的抽吸口，2-2、第一垂直抽吸装置的第一垂直抽吸腔体，3-1、第二垂直抽吸装置的抽吸口，3-2、第二垂直抽吸装置的第二垂直抽吸腔体，4-1、切向射流装置的射流口，4-2、切向射流装置的切向射流腔体；5-1、喷口出口平面，5-2、喷口壁面，6-1、移动带滚筒，6-2、移动带本体；15-1、第二垂直抽吸管道的转盘上部分，15-2、第二垂直抽吸管道的转盘外部分，16-1、切向射流管道的转盘上部分，16-2、切向射流管道的转盘外部分；33-1、天平转盘的转轴，34-1、34-2、34-3、边界层的不同位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，整体结构如图1所示，用于驻室10和流道组成的汽车风洞，包括水平抽吸系统、第一垂直抽吸系统、第二垂直抽吸系统、切向射流系统和控制模块30；

流道的两端分别为喷口5和收集口9，喷口5用于喷出气流，收集口9用于回收气流，喷口5和收集口9位于驻室10的两端，驻室10的地面上设有可旋转的天平转盘33，应用本申请进行测试时，待测试的汽车(即测试模型7)放置在天平转盘33上，天平转盘33上设有移动带6，移动带6用于模拟地面和车辆之间的相对运动，移动带6位于测试模型7底部，从而通过天平转盘33下的天平测出其所受的气动力，利用水平抽吸系统、第一垂直抽吸系统、第二垂直抽吸系统、切向射流系统和控制模块30实现对试验区域边界层的控制，同时不对轴向静压梯度产生影响；

其中，水平抽吸系统包括水平抽吸装置1、水平抽吸管道13、水平抽吸流量计17、水平抽吸电动风阀21和水平抽吸变频风机25；第一垂直抽吸系统包括第一垂直抽吸装置2、第一垂直抽吸管道14、第一垂直抽吸流量计18、第一垂直抽吸电动风阀22和第一垂直抽吸变频风机26；第二垂直抽吸系统包括第二垂直抽吸装置3、第二垂直抽吸管道15、第二垂直抽吸流量计19、第二垂直抽吸电动风阀23和第二垂直抽吸变频风机27；切向射流系统包括切向射流装置4、切向射流管道16、切向射流流量计20、切向射流电动风阀24和切向射流变频风机28；控制模块30(也称边界层控制模块)连接水平抽吸流量计17、水平抽吸电动风阀21、水平抽吸变频风机25、第一垂直抽吸流量计18、第一垂直抽吸电动风阀22、第一垂直抽吸变频风机26、第二垂直抽吸流量计19、第二垂直抽吸电动风阀23、第二垂直抽吸变频风机27、切向射流流量计20、切向射流电动风阀24和切向射流变频风机28；

水平抽吸装置1、垂直抽吸装置和切向射流装置4的分布位置如图2和图3所示，水平抽吸装置1的抽吸口位于喷口5内，第一垂直抽吸装置2的抽吸口位于喷口5出口与天平转盘33之间的驻室地面8上，第二垂直抽吸装置3的抽吸口位于天平转盘33上，切向射流装置4的射流口位于第二垂直抽吸装置3的抽吸口与移动带6之间。

事实上，三级连续边界层控制包含水平抽吸部分、垂直抽吸部分和切向射流部分，其中，垂直抽吸部分的抽吸区域因天平转盘33的原因分成了两部分，因此分离为第一垂直抽吸系统和第二垂直抽吸系统。在实际应用中，考虑到管道的尺寸较大，而且风机难以实现长截面的均匀抽吸和射流，往往会将管道分离为多个管道，由多个风机实现，如可以将水平垂直抽吸管道分为两根管道，分别安装风机，两根风机协同控制实现水平抽吸，本领域技术人员可以理解，在此不再赘述。

流道的两端分别为喷口5和收集口9，收集口9连接扩散段11，扩散段11与连接段12相连，连接段12与喷口5相连。

移动带6包括移动带滚筒6-1以及移动带本体6-2，类似传送带结构，移动带本体6-2随移动带滚筒6-1的转动而移动。

如图4所示，与第一垂直抽吸管道14不同的是，由于第二垂直抽吸管道15需要随天平转盘33一起旋转，所以第二垂直抽吸管道15分为转盘上第二垂直抽吸管道15-1和转盘外第二垂直抽吸管道15-2，转盘上第二垂直抽吸管道15-1和转盘外第二垂直抽吸管道15-2之间通过第一旋转管接头31连接。类似第二垂直抽吸管道15，切向射流管道16需要随天平转盘33一起旋转，所以切向射流管道16分为转盘上切向射流管道16-1和转盘外切向射流管道16-2，转盘上切向射流管道16-1和转盘外切向射流管道16-2之间通过第二旋转管接头32连接。

其中，第一旋转管接头31和第二旋转管接头32的轴线与天平转盘的转轴33-1相合，由于切向射流管道16直径较小，可将切向射流管道16的第二旋转管接头32内置于第二垂直抽吸管道15中，减小管道所占空间。

下面对水平抽吸部分、垂直抽吸部分和切向射流部分进行详细说明。

(1)水平抽吸装置1上的抽吸口1-1通过水平抽吸腔体1-2与水平抽吸管道13相连，水平抽吸管道13汇入总回风管29，总回风管29通入流道，水平抽吸腔体1-2为圆弧渐扩腔体。

如图5所示，水平抽吸系统中的水平抽吸装置1位于喷口5内部，其关键设计在于抽吸口1-1离驻室地面8的高度H_SC和深入喷口5内距离L_SC(即抽吸口1-1与喷口出口平面5-1距离)。抽吸口高度H_SC与风洞喷口5的曲面长度有关，喷口5曲面越长，喷口壁面5-1处的边界层34-1厚度越厚，原则上需保证抽吸口1-1高度大于喷口出口处的边界层厚度；水平抽吸口1-1位于喷口5内，且L_SC≥100mm，以避免出现端部三维流动效应；由于抽吸口1-1高度比较小(整车风洞不会超过100mm)，抽吸口1-1后紧接着圆弧渐扩腔体(即水平抽吸腔体1-2)，以减小抽吸气流的动量损失。水平抽吸装置1加上水平抽吸管道13、水平抽吸流量计17、水平抽吸电动风阀21以及水平抽吸变频风机25组成水平抽吸系统Ⅰ。水平抽吸流量计17用于监测水平抽吸流量，水平抽吸电动风阀21用于对水平抽吸管道13进行开闭控制，水平抽吸管道13最终汇入总回风管29，水平抽吸气流由总回风管29引导至回风背压较低的连接段12的回风口回到流道内部。

(2)第一垂直抽吸装置2上的抽吸口2-1包括多个分布在喷口5出口与天平转盘33之间驻室地面8上的抽吸小孔，抽吸小孔通过第一垂直抽吸腔体2-2与第一垂直抽吸管道14相连，第一垂直抽吸管道14汇入总回风管29，总回风管29通入流道。第二垂直抽吸装置3上的抽吸口3-1包括多个分布在天平转盘33上的抽吸小孔，抽吸小孔通过第二垂直抽吸腔体3-2与第二垂直抽吸管道15相连，第二垂直抽吸管道15汇入总回风管29，总回风管29通入流道。

如图6所示，垂直抽吸区域的边界层34-2的厚度为δ(x)＝(5x)/Re_x，垂直抽吸区域的边界层34-3的厚度为δ(x-x₂)，垂直抽吸分转盘外部分和转盘上部分，驻室地面8和天平转盘33处于同一平面，为实现第一垂直抽吸装置2和第二垂直抽吸装置3所需的多个抽吸小孔，关键设计在于地面抽吸多孔板，以及多孔板下方的抽吸腔2-2及3-2，抽吸孔板在机械加工技术允许的条件下应最大程度接近于均匀多孔介质，抽吸腔(即第一垂直抽吸腔体2-2与第二垂直抽吸腔体3-2)均匀分布并在风洞喷口5和天平转盘33空间限制内空间最大，如此实现抽吸气流的平面均匀性。第一垂直抽吸装置2和第一垂直抽吸管道14、第一垂直抽吸流量计18、第一垂直抽吸电动风阀22、第一垂直抽吸变频风机26组成第一垂直抽吸系统Ⅱ(转盘外垂直抽吸部分)；第二垂直抽吸装置3和第二垂直抽吸管道15、第二垂直抽吸流量计19、第二垂直抽吸电动风阀23、第二垂直抽吸变频风机27组成第二垂直抽吸系统Ⅲ(转盘上垂直抽吸部分)。

第一垂直抽吸流量计18用于监测第一垂直抽吸流量(转盘外)，第二垂直抽吸流量计19用于监测第二垂直抽吸流量(转盘上)，第一垂直抽吸电动风阀22用于对第一垂直抽吸管道14进行开闭控制，第二垂直抽吸电动风阀23用于对第二垂直抽吸管道15进行开闭控制，第一垂直抽吸管道14和第二垂直抽吸管道15最终汇入总回风管29，垂直抽吸气流与水平抽吸气流一起汇入总回风管29，最终引导至回风背压较低的连接段12的回风口回到流道内部。

(3)切向射流装置4的射流口4-1为一条窄缝，射流口4-1喷出的射流与喷口5来流方向一致且紧贴天平转盘33表面，射流口4-1通过切向射流腔体4-2与切向射流管道16相连，切向射流管道16与大气相连。

如图7、图8所示，切向射流装置4的关键设计在于射流口4-1的位置、倾斜度和尺寸。射流口4-1为与驻室10轴线方向垂直的一条窄缝，保证射流方向与喷口5来流方向一致，且紧贴天平转盘表面。射流口4-1的位置尽可能靠近移动带6前缘，倾斜度约为1°，射流口4-1宽度约1mm，窄缝与高压腔体(即切向射流腔体4-2)相通，高压腔体4-2底部连通切向射流管道16。切向射流装置4、切向射流管道16、切向射流流量计20切向射流电动风阀24以及切向射流变频风机28组成切向射流系统Ⅳ。在切向射流管道16内安装有切向射流流量计20，射流由切向射流变频风机28提供，在切向射流变频风机28入口安装有切向射流电动风阀24。由于切向射流流量小，相对于风洞气流而言可忽略不急，切向射流的空气从大气环境中吸入，切向射流管道16入口无需延长到风洞内。

由于连接段12的回风背压较低，故将垂直抽吸气流与水平抽吸气流引导至连接段12处以回到流道内，连接段12更接近风机，回风背压较低，系统所需功率小，消耗的能量更低。

(4)控制模块30对水平抽吸系统I、第一垂直抽吸系统II、第二垂直抽吸系统III和切向射流系统IV的抽吸或射流流量进行实时调节和闭环控制。

水平抽吸流量的控制通过调节与水平抽吸管道13相接的水平抽吸变频风机25的转速来实现。水平抽吸流量计17的流量信号、水平抽吸电动风阀21的开闭信号以及水平抽吸变频风机25的转速信号均通过信号线缆接入控制模块30。控制模块30的具体控制逻辑由风洞标定阶段所得的试验风速、水平抽吸流量与水平抽吸变频风机25转速的关系来决定。

第一垂直抽吸流量的控制通过调节与第一垂直抽吸管道14(转盘外)相接的第一垂直抽吸变频风机26的转速来实现。第一垂直抽吸流量计18的流量信号、第一垂直抽吸电动风阀22的开闭信号以及第一垂直抽吸变频风机26的转速信号均通过信号线缆接入控制模块30。控制模块30的具体控制逻辑由风洞标定阶段所得的试验风速、第一垂直抽吸流量与第一垂直抽吸变频风机26转速的关系来决定。

第二垂直抽吸流量的控制通过调节与第二垂直抽吸管道15(转盘上)相接的第二垂直抽吸变频风机27的转速来实现。第二垂直抽吸流量计19的流量信号、第二垂直抽吸电动风阀23的开闭信号以及第二垂直抽吸变频风机27的转速信号均通过信号线缆接入控制模块30。控制模块30的具体控制逻辑由风洞标定阶段所得的试验风速、第二垂直抽吸流量与第二垂直抽吸变频风机27转速的关系来决定。

切向射流流量的控制通过调节与切向射流管道16相接的切向射流变频风机28的转速来实现，切向射流流量计20的流量信号、切向射流电动风阀24的开闭信号以及切向射流变频风机28的转速信号均通过信号线缆接入控制模块30。控制模块30的具体控制逻辑由风洞标定阶段所得的试验风速、切向射流流量与切向射流风机转速的关系来决定。

具体原理如下：

在风洞调试阶段，需要标定出试验风速U₀和水平抽吸流量Q_SC、第一垂直抽吸抽吸流量Q_SUC1(转盘外)、第二垂直抽吸抽吸流量Q_SUC2(转盘上)和切向射流流量Q_TB，以及各系统的变频风机转速的关系曲线。当空气动力学测试试验正式运行前，控制模块30首先发出指令打开各系统的电动风阀；试验开始后，控制模块30根据试验风速实时调整变频风机转速，并根据流量计测得的信号来判断是否达到所需的抽吸或射流流量，若实时流量信号与标定的目标流量信号不一致，则通过控制变频风机转速来调整抽吸或射流流量，实现边界层控制系统的闭环控制，使得水平抽吸、垂直抽吸和切向射流三级连续组合边界层控制系统在消除风洞试验段边界层34的同时，不对试验段的流场品质和轴向静压梯度产生影响。

①如图5所示，定义水平抽吸口的入口面积为A_SC，则水平抽吸流量Q_SC根据水平抽吸率η_SC计算：

Q_SC＝η_SC·U₀·A_SC

定义水平抽吸口出的抽吸气流速度为U_SC,水平抽吸率η_SC的计算公式如下：

依据工程经验，水平抽吸率η_SC应控制在0.9左右。

②如图6所示，定义第一垂直抽吸装置2的抽吸口面积(转盘外)为A_SUC1(多个抽吸小孔的总面积)，第二垂直抽吸装置3的抽吸口面积(转盘上)为A_SUC1(多个抽吸小孔的总面积)，则第一垂直抽吸装置2的抽吸流量Q_SUC1以及第二垂直抽吸装置3的抽吸流量Q_SUC2分别根据垂直抽吸率η_SUC计算：

Q_SUC1＝η_SUC·U₀·A_SUC1

Q_SUC2＝η_SUC·U₀·A_SUC2

可以理解的是，垂直抽吸区域虽然因天平转盘33的原因分成了两部分，但第一垂直抽吸系统和第二垂直抽吸系统实际都属于垂直抽吸部分，因而抽吸口的抽吸气流速度是一样的，故抽吸率是一样的。

定义垂直抽吸多孔板平面的抽吸气流速度为U_SUC,则垂直抽吸率η_SUC的计算公式如下：

依据工程经验，垂直抽吸率η_SUC应控制在小于等于0.03。

③如图7、图8所示，定义切向射流出口面积为A_TB，则切向射流流量Q_TB根据切向射流率η_TB计算：

Q_TB＝η_TB·U₀·A_TB

定义切向射流口的射流气流速度为U_TB，切向射流率η_TB的计算公式如下：

依据工程经验，切向射流率η_TB应控制在大于1。

本实施例中，三级连续组合边界层控制系统如图9所示，使用三级连续组合边界层控制系统进行了整车风洞试验，水平抽吸管道13的流量约24960m³/h，第一垂直抽吸管道14的流量约7934m³/h，第二垂直抽吸管道15的流量约3297m³/h，切向射流管道16的流量约600m³/h。图10为测量所得风洞试验段轴向静压梯度结果，图中纵轴表示压力系数Cp，横轴表示测点距离天平中心的距离，AAWT的含义是气动与气动声学风洞(aerodynamic andaero-acoustic wind tunnel)，BLRS On表示边界层移除系统开启(boundary layerremove system on)，即启动本申请，Scoop Open表示水平抽吸为主动抽吸方式。图11为测量所得转盘中心，及左右两侧不同位置的边界层测量结果，图中纵轴表示测点距离转盘表面的高度，横轴表示压力系数Cp，U表示测量风速，Y表示侧向方向距离，BLRS Off表示边界层移除系统关闭(boundary layer remove system off)，即关闭本申请。由图可以看到，三级连续组合边界层控制系统关闭状态下，所测量位置边界层厚度约55mm，当三级连续组合边界层控制系统开启后，边界层厚度基本为零；而试验段轴向静压梯度在转盘中心前后4m区域内不超过0.005。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，用于驻室和流道组成的汽车风洞，包括水平抽吸系统、第一垂直抽吸系统、第二垂直抽吸系统、切向射流系统和控制模块；

所述流道的两端分别为喷口和收集口，所述喷口用于喷出气流，所述收集口用于回收气流，喷口和收集口位于驻室的两端，所述驻室的地面上设有可旋转的天平转盘，测试模型放置于天平转盘上，所述天平转盘上设有移动带，移动带位于测试模型的底部；

所述水平抽吸系统包括水平抽吸装置、水平抽吸管道、水平抽吸流量计、水平抽吸电动风阀和水平抽吸变频风机；

所述第一垂直抽吸系统包括第一垂直抽吸装置、第一垂直抽吸管道、第一垂直抽吸流量计、第一垂直抽吸电动风阀和第一垂直抽吸变频风机；

所述第二垂直抽吸系统包括第二垂直抽吸装置、第二垂直抽吸管道、第二垂直抽吸流量计、第二垂直抽吸电动风阀和第二垂直抽吸变频风机；

所述切向射流系统包括切向射流装置、切向射流管道、切向射流流量计、切向射流电动风阀和切向射流变频风机；

所述控制模块连接水平抽吸流量计、水平抽吸电动风阀、水平抽吸变频风机、第一垂直抽吸流量计、第一垂直抽吸电动风阀、第一垂直抽吸变频风机、第二垂直抽吸流量计、第二垂直抽吸电动风阀、第二垂直抽吸变频风机、切向射流流量计、切向射流电动风阀和切向射流变频风机；

所述水平抽吸装置的抽吸口位于喷口内，所述第一垂直抽吸装置的抽吸口位于喷口出口与天平转盘之间的地面上，所述第二垂直抽吸装置的抽吸口位于天平转盘上，所述切向射流装置的射流口位于第二垂直抽吸装置的抽吸口与移动带之间。

2.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，所述水平抽吸装置上的抽吸口通过水平抽吸腔体与水平抽吸管道相连，所述水平抽吸管道汇入总回风管道，所述总回风管道通入流道，所述水平抽吸腔体为圆弧渐扩腔体。

3.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，所述第一垂直抽吸装置上的抽吸口包括多个分布在喷口出口与天平转盘之间地面上的抽吸小孔，所述抽吸小孔通过第一垂直抽吸腔体与第一垂直抽吸管道相连，所述第一垂直抽吸管道汇入总回风管道，所述总回风管道通入流道。

4.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，所述第二垂直抽吸装置上的抽吸口包括多个分布在天平转盘上的抽吸小孔，所述抽吸小孔通过第二垂直抽吸腔体与第二垂直抽吸管道相连，所述第二垂直抽吸管道汇入总回风管道，所述总回风管道通入流道。

5.根据权利要求2-4任一所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，所述收集口连接扩散段，所述扩散段与连接段相连，所述连接段与喷口相连，所述总回风管道通入连接段。

6.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，所述切向射流装置的射流口为一条窄缝，所述射流口喷出的射流与喷口来流方向一致且紧贴天平转盘表面，所述射流口通过切向射流腔体与切向射流管道相连，所述切向射流管道与大气相连。

7.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，预先标定试验风速U₀和水平抽吸流量Q_SC以及水平抽吸变频风机转速的关系，所述控制模块基于水平抽吸流量计信号以及试验风速U₀控制水平抽吸变频风机以调节水平抽吸流量至预设置的水平抽吸流量，水平抽吸流量Q_SC的计算公式如下：

Q_SC＝η_SC·U₀·A_SC

其中，η_SC表示水平抽吸装置的抽吸口的抽吸率，A_SC表示水平抽吸装置的抽吸口的入口面积，U₀表示试验风速，η_SC的计算公式为：

其中，U_SC表示水平抽吸装置的抽吸口的抽吸气流速度。

8.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，预先标定试验风速U₀和第一垂直抽吸流量Q_SUC1以及第一垂直抽吸变频风机转速的关系，所述控制模块基于第一垂直抽吸流量计信号以及试验风速U₀控制第一垂直抽吸变频风机以调节第一垂直抽吸流量至预设置的第一垂直抽吸流量，第一抽吸流量Q_SUC1的计算公式如下：

Q_SUC1＝η_SUC1·U₀·A_SUC1

其中，η_SUC1表示第一抽吸装置的抽吸口的抽吸率，A_SUC1表示第一抽吸装置的抽吸口的入口面积，U₀表示试验风速，η_SUC1的计算公式为：

其中，U_SUC1表示第一垂直抽吸装置的抽吸口的抽吸气流速度。

9.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，预先标定试验风速U₀和第二垂直抽吸流量Q_SUC2以及第二垂直抽吸变频风机转速的关系，所述控制模块基于第二垂直抽吸流量计信号以及试验风速U₀控制第二垂直抽吸变频风机以调节第二垂直抽吸流量至预设置的第二垂直抽吸流量，第二抽吸流量Q_SUC2的计算公式如下：

Q_SUC2＝η_SUC2·U₀·A_SUC2

其中，η_SUC2表示第二抽吸装置的抽吸口的抽吸率，A_SUC2表示第二抽吸装置的抽吸口的入口面积，U₀表示试验风速，η_SUC2的计算公式为：

其中，U_SUC2表示第二垂直抽吸装置的抽吸口的抽吸气流速度。

10.根据权利要求1所述的一种汽车风洞三级连续组合边界层控制系统，其特征在于，预先标定试验风速U₀和切向射流流量Q_TB以及切向射流变频风机转速的关系，所述控制模块基于切向射流流量计信号以及试验风速U₀控制切向射流变频风机以调节切向射流流量至预设置的切向射流流量，切向射流流量Q_TB的计算公式如下：

Q_TB＝η_TB·U₀·A_TB

其中，η_TB表示切向射流装置的射流口的射流率，A_TB表示切向射流装置的射流口的出口面积，U₀表示试验风速，η_TB的计算公式为：

其中，U_TB表示切向射流装置的射流口的射流气流速度。

Images