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風(fēng)洞脈動及其主動抑制

2019-08-29 12:24:42·  來源：AutoAero  作者：蔣永欣  
　
在許多開放射流風(fēng)洞中，一定流速下發(fā)生的低頻壓力波動是一個不受歡迎的特性。這就是所謂的風(fēng)洞泵送，它影響氣流的氣動質(zhì)量，從而影響測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本文提出了
在許多開放射流風(fēng)洞中，一定流速下發(fā)生的低頻壓力波動是一個不受歡迎的特性。這就是所謂的“風(fēng)洞泵送”，它影響氣流的氣動質(zhì)量，從而影響測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本文提出了一種利用風(fēng)洞電路聲諧振模態(tài)的主動阻尼控制脈動現(xiàn)象的新方法。采用1/20比例的先導(dǎo)風(fēng)洞，對共振效應(yīng)的聲學(xué)機理進行了研究。新設(shè)計的主動共振控制(ARC)系統(tǒng)主要由一個麥克風(fēng)、一個安裝在隧道壁上的揚聲器和一個時間延遲來調(diào)整麥克風(fēng)信號和揚聲器輸出之間的相位關(guān)系的靜壓腔內(nèi)的壓力波動麥克風(fēng)。電弧系統(tǒng)降低了20 dB的周期壓力波動，完全消除了周期速度波動。根據(jù)試驗風(fēng)洞的經(jīng)驗，在奧迪新風(fēng)洞中采用了電弧系統(tǒng)。電弧系統(tǒng)消除了低頻流動波動，而不會給風(fēng)洞帶來額外的噪音，因此可以在整個速度范圍內(nèi)進行高質(zhì)量的氣動和聲學(xué)測量。在風(fēng)速范圍不同的情況下，壓力和速度的低頻波動是許多開口射流風(fēng)洞存在的問題。
 
似于馮卡門渦街，不穩(wěn)定波可以觀察到任何自由射流從噴嘴排出。在射流出口附近，不穩(wěn)定波的頻譜以高頻小尺度結(jié)構(gòu)為主。隨著下游距離的增加，能量由小尺度不穩(wěn)定性向大尺度不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)移，不穩(wěn)定波的主頻隨射流長度的增加而減小(見圖1)。


 


流動不穩(wěn)定性表現(xiàn)為射流周圍剪切層的渦結(jié)構(gòu)。單個渦在射流周圍呈軸對稱環(huán)狀，在噴嘴出口處形成，在射流附近的剪切層中向下游移動，位置約為65%的射流速度(見圖2)。對于一個給定的軸向距離x / Dn從噴氣出口的首選頻率f渦旋脫落速度成正比的U射流核心和噴嘴的水力直徑Dn又可以表達——類似于卡門旋渦——斯特勞哈爾數(shù)。
為遠下游位置的開式射流德荷風(fēng)洞Michel和Froebel在St≈0.48[6]處發(fā)現(xiàn)了一個理想的旋渦脫落頻率。


在汽車風(fēng)洞中，射流一側(cè)的剪切層被試驗段底板(3/4開式射流)所取代。為了獲得正確的頻率，必須采用一種成像方法，其中地平面被用作一個對稱面，從而產(chǎn)生具有雙截面的開口射流。在原始截面上，用水力直徑Dh計算的斯特勞哈爾數(shù)要比完全開放射流小一倍。這使得Strouhal數(shù)St≈0.34。如果存在反饋機制，則St≈0.34附近的寬最大值可以發(fā)展為一個尖銳的峰值。Wehrmann[7]已經(jīng)證明了這一點，它采用電子反饋，利用射流中的熱線探頭來獲取流速波動，并使用揚聲器來激發(fā)射流?？赡艿姆答仚C制開放噴氣式汽車風(fēng)洞(i)聲學(xué)共振模式的風(fēng)洞管或充氣室,(2)所謂edgetone-type反饋壓力波產(chǎn)生的漩渦侵犯收集器旅行上游和觸發(fā)渦旋脫落,當他們到達噴嘴。
 
在本文所述實驗之前，在1/8尺度的先導(dǎo)風(fēng)洞[5]中，對試驗段的作用進行了廣泛的研究。試驗段幾何形狀和集電極設(shè)計表明，沒有跡象表明由集電極聲波引起的共振。然而，在這些試驗中，由于將試驗段模型納入開環(huán)艾菲爾隧道中，因此無法研究整個風(fēng)洞的聲共振模態(tài)的影響。


采用1/20比例的先導(dǎo)風(fēng)洞對[12]、[13]、[14]進行了第二次調(diào)查，該風(fēng)洞完整、詳細地展示了試驗斷面、導(dǎo)管、轉(zhuǎn)向葉片和風(fēng)機。試驗段幾何形狀和集熱器設(shè)計采用1/8尺度先導(dǎo)風(fēng)洞。為了防止墻壁振動，先導(dǎo)隧道由2.4厘米厚的膠合板制成。測試段的墻壁覆蓋了吸收內(nèi)襯。最大流速為180公里/小時。壓力脈動由位于測試段的反流位置的麥克風(fēng)觀察(圖3)。試驗風(fēng)洞的預(yù)測共振-式(2)、(3)和(4)可用于預(yù)測試驗風(fēng)洞的脈動頻率。模型風(fēng)道長度約為6.0 m(從集熱器進口平面經(jīng)風(fēng)機到噴嘴出口測量)，風(fēng)道特征頻率為28.3 Hz，為其整數(shù)倍。靜壓室的最低諧振頻率為143.4 Hz (y= 0.45 m, ly = 0.75 m, lz = 0.80 m, nx =ny=n2=1)對于給定的幾何結(jié)構(gòu)，要為控制亥姆霍茲型諧振的參數(shù)假定切合實際的值是極其困難的(如果不是不可能的話)。如果收集器的影響被忽視和諧振器被認為只有全會體積和噴嘴與一個有效的脖子的長度0.05米(對應(yīng)于噴嘴的脖子的長度與常數(shù)截面)方程(4)收益率43.4赫茲的本征頻率。如果假設(shè)噴嘴和收集器形成一個有效長度為0.05 m的單頸，則產(chǎn)生的共振頻率為80 Hz。實驗結(jié)果與標準條件下的先導(dǎo)隧道-圖4顯示了三維表示的聲壓級譜vs。在1/20比例尺先導(dǎo)隧道的靜壓箱中，用麥克風(fēng)測量風(fēng)速(圖3)。在隧道的速度范圍內(nèi)，可以識別出三個不同的共振實例。共振頻率隨流速的增加而略有增加。頻率與流速不成正比，斯特勞哈爾數(shù)也不是常數(shù)。圖4所示的值(45 Hz、53 Hz和81 Hz)分別識別出與各自共振的最高聲壓級相關(guān)的頻率。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的不平衡以與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的頻率產(chǎn)生音調(diào)聲音。在圖5中，聲壓級值和共振頻率隨風(fēng)速繪制。當流速為137km /h時，esonance (81 Hz)達到最大聲壓級110db;在較低和較高的流速下，振幅逐漸減小到90分貝以下。共振頻率分別為45赫茲和53赫茲。在166公里/小時和115公里/小時的流速下，最大流速分別為99 dB和102 dB。它們的SPL值在速度范圍內(nèi)僅相差10db。共振頻率(即最大聲壓級在頻率軸上的位置)隨著流速的增加而增加。對于45赫茲的諧振，其頻移要小于81赫茲和53赫茲的諧振。最大聲壓級值、各諧振的對應(yīng)頻率以及諧振達到最大聲壓級時的風(fēng)速如表1所示。


 




在“最佳”風(fēng)速下測量的頻譜如圖6所示。在81赫茲和53赫茲的共振峰比較尖銳，而在45赫茲的共振峰則表現(xiàn)為一個較寬的峰。在81hz時，共振比寬帶背景噪聲高30db;其他共振的對應(yīng)值分別為53赫茲時的17分貝和45赫茲時的10分貝。當風(fēng)速高于或低于“最佳”風(fēng)速時，al共振峰變得更寬。


由于在[5]試驗段的1/ 8尺度模型中沒有觀察到這種共振效應(yīng)，所以假設(shè)在1/20模型中發(fā)現(xiàn)的整個隧道的共振一定是由隧道電路的聲共振模態(tài)引起的。為了識別聲共振模態(tài)的形狀，采用位于沉降室固定位置的基準麥克風(fēng)和沿管道軸線穿過的第二麥克風(fēng)對隧道軸線上的聲場進行采樣。兩個麥克風(fēng)都配有一個鼻錐。圖7為掃描麥克風(fēng)所觀察到的聲壓級，以及相對于參考麥克風(fēng)在81 Hz頻率下的相位。聲場表現(xiàn)出典型的駐波模式，在駐波節(jié)點處存在交變壓力峰值和-1800相位位移。在管道長度的1/3和2/3處可觀察到兩個壓力節(jié)點，分別。相鄰兩個節(jié)點之間的距離對應(yīng)一個半波長(用無平均流量空氣的聲速計算，c-340 m/s)。噴嘴和集塵器上的壓力節(jié)點表示噴嘴和集塵器構(gòu)成隧道管道的“開口端”。式(2)的諧振頻率為f， =84.9 Hz?？紤]到聲波的傳播速度對于隨流而行(c'=c +U)和逆流而行(c'=c-U)的波是不同的，因此聲波與所觀測到的81赫茲共振頻率的對應(yīng)關(guān)系是驚人的高。4hz的差異可以用式(2)中沒有考慮的端部校正來解釋。由此證明，在81赫茲處的共振是由n=3的隧道管道的聲共振模式引起的


圖8為位于混流層(金剛石)內(nèi)的采樣麥克風(fēng)和安裝在吸聲襯砌(正方形)后與測試段壁齊平的采樣麥克風(fēng)所測得的測試段聲壓級和81 Hz相位。參考麥克風(fēng)位于噴嘴出口。相位梯度dp/dx表示的是流體的傳播速度，它對流入和流出的測量顯示了不同的行為。當傳聲器位于剪切層時，所觀測到的壓力波動主要受流動不穩(wěn)定性的影響。當麥克風(fēng)被測試段壁上的吸收襯里保護起來不受氣流影響時，它只接收聲壓波動。(內(nèi)襯由2厘米的開孔泡沫塑料組成，在低頻下幾乎對聲波透明。)在靠近噴嘴出口處，剪切層中測得的相梯度dp/dx隨距離噴嘴的距離增大而增大，壓力水平相對較低。再往下游(x>- 8cm)，相位梯度幾乎不變，壓力水平增加15db。這可以用渦旋的不斷增大來解釋強度隨射流出口距離的增大而增大。在靠近噴管的位置，內(nèi)流傳聲器觀察到聲波與流動不穩(wěn)定性的結(jié)合。再往下游，傳聲器信號受氣流不穩(wěn)定性的控制。這一解釋得到了熱線測量的支持，它產(chǎn)生了沿射流剪切層速度波動幾乎線性增加;集電極處的振幅是噴嘴處的20倍。由曲線的線性部分(Fiq中的菱形)導(dǎo)出的相位梯度。底部，從x=-3 cm到x= 14 cm)表示波長為29 cm。在81赫茲的頻率，這導(dǎo)致傳播速度為84.6公里/小時。這相當于平均流速的62%，這是對流速度渦在剪切層的分布。
 
文章選自： 
Wind Tunnel Pulsations and Their Active Suppression
Gerhard Wickern
Audi AG
Wilhelm von Heesen
Müller-BBM Schalltechnisches Beratungsbüro
Steffen Wallmann
WBI Wallner u. Brand Ingenieurgesellschaft mbH
Reprinted From: Vehicle Aerodynamics
(SP–1524)
SAE 2000 World Congress
Detroit, Michigan
March 6-9, 2000
 
如有意相關(guān)技術(shù)合作，請聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！ 
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