一种基于仿生海豹胡须的风洞喷口结构

1.本发明涉及风洞喷口设计技术领域，尤其是涉及一种基于仿生海豹胡须的风洞喷口结构。


背景技术：

2.现代的汽车工业水平随着科学技术的飞速进步而得到了很大的提升，同时，消费者对于汽车的例如燃油经济性、汽车噪声水平等相关舒适性的要求也越来越高，而这些性能均与汽车空气动力学密切相关。目前，推动汽车相关舒适性能的提升的一个重要试验研究方法就是风洞试验。
3.传统汽车风洞采用的是3/4开口式的设计，即在风洞收缩段末尾处延伸出一个矩形的喷口到驻室内。如图1所示，喷口四个表面中的底面与驻室地面重合，另外三个表面则直接与驻室的空气相接触。由于风洞驻室相当于一个矩形空腔，在喷口与收集口之间的这部分驻室空间将会出现类似于空腔共振的问题，这些共振与风洞的相关响应模态作用，并产生汽车风洞中常见的低频颤振现象，而低频颤振的现象发生会伴随着周期性的速度与压力脉动，这些压力与速度的脉动最终会导致风洞试验段的流场品质变坏：一方面影响到风洞测试中各种气动力学参数的测量以及非定常气动力特性的研究，使得测试结果准确性降低；另一方面，低频颤振现象的压力脉动可能会对风洞结构造成不利的附加载荷，损坏风洞的结构。
4.针对低频颤振的产生机理，目前大多数学者认为有两种：一是喷口处的自然涡脱落频率与风洞结构的相关固有模态频率接近时，在流场以及驻室中会产生共振现象，从而导致大幅度的压力脉动现象；其二是在喷口处脱落的涡环下行到收集口处，产生压力波逆流传播到喷口处并影响和激励喷口的涡脱落，当这个反馈与风洞的相关响应模态相近时，压力反馈会加剧从而导致压力脉动大幅增大。
5.现有常见的抑制风洞低频颤振的方法是通过安装涡流发生器或者导流装置，这些装置通过在喷口处产生与喷口自然脱落的涡轴线相垂直的涡结构，从而破坏低频颤振时的喷口射流剪切层的共振涡环结构、降低低频压力脉动的大小。但在实际应用中，现有的许多涡流发生装置，其低频颤振的压力脉动效果不甚理想，同时还会造成测试段速度的不均匀以及产生一些高频噪声，影响实验的结果。此外，涡流发生器延伸到喷口外端，也影响了风洞喷口结构的美观性。


技术实现要素：

6.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基于仿生海豹胡须的风洞喷口结构，能够高效地抑制低频颤振现象的发生，降低压力脉动的幅值，同时减少喷口结构本身给流场带来的干扰以及高频噪声。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于仿生海豹胡须的风洞喷口结构，包括设置在驻室内部一端的喷口，所述喷口的内壁上安装有海豹胡须条，所述驻室内
部的另一端设置有与喷口相对应的收集口。
8.进一步地，所述海豹胡须条安装于喷口的出口内壁上。
9.进一步地，所述海豹胡须条贴合安装于喷口的左右侧内壁以及顶部内壁。
10.进一步地，所述海豹胡须条的表面和两侧边均为凹凸波浪结构。
11.进一步地，所述海豹胡须条的侧边包围框与喷口的边缘齐平。
12.进一步地，所述喷口的左右侧内壁上安装的海豹胡须条长度与喷口的高度相一致。
13.进一步地，所述喷口的顶部内壁上安装的海豹胡须条长度与喷口的宽度相一致。
14.进一步地，所述海豹胡须条采用刚性材料制成。
15.进一步地，所述喷口的入口与驻室的墙面相贴合。
16.进一步地，所述喷口的底部即为驻室地面。
17.与现有技术相比，本发明通过在喷口内壁末端的左右两侧及顶部壁面上安装海豹胡须条，利用海豹胡须条的特殊表面几何形状来有效抑制涡激振动。在喷口有气流喷出时，在海豹胡须条凹凸变化的表面之间，由于其表面变化而产生垂直于喷口涡自然脱落的小涡结构，这些小涡结构的随机性高，同时蕴含的涡旋能量很高，以此能够破坏喷口出口处的脱落大涡结构，从而抑制低频颤振的出现，使得驻室内的压力脉动大幅降低。与现有的涡流发生器不一样，本发明中，安装有海豹胡须条的喷口采用仿生学技术，使得喷口表面光滑连续，在降低高频噪声出现的同时能够产生更强的涡结构来破坏喷口处诱发低频颤振现象的脱落大涡，从而起到更好的低频颤振抑制效果，获得更平稳的风洞流场。
附图说明
18.图1为传统风洞喷口结构示意图；
19.图2为本发明的结构示意图；
20.图3为本发明中海豹胡须条的外形示意图；
21.图4为实施例中传统喷口驻室与本发明的压力脉动快速傅里叶变换对比图；
22.图5为实施例中传统喷口驻室与本发明的正向截面平均流向速度分布对比图；
23.图6为实施例中传统喷口与本发明的中截面平均流向速度分布对比图；
24.图中标记说明：1、喷口，2、驻室，3、收集口，4、海豹胡须条。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
26.实施例
27.如图2所示，一种基于仿生海豹胡须的风洞喷口结构，包括设置在驻室2内部一端的喷口1，喷口1的入口与驻室2的墙面相贴合，喷口1的底部即为驻室2地面。喷口1的内壁上安装有海豹胡须条4，驻室2内部的另一端设置有与喷口1相对应的收集口3，其中，海豹胡须条4安装于喷口1的出口内壁上，且贴合安装于喷口1的左右侧内壁以及顶部内壁；
28.如图3所示，海豹胡须条4的表面和两侧边均为凹凸波浪结构，海豹胡须条4的侧边包围框与喷口1的边缘齐平。
29.在实际应用中，喷口1的左右侧内壁上安装的海豹胡须条4长度与喷口1的高度相
一致，喷口1的顶部内壁上安装的海豹胡须条4长度与喷口1的宽度相一致。
30.此外，海豹胡须条4采用刚性材料制成。
31.本实施例应用上述技术方案，并与传统喷口进行对比试验。对于低频颤振的抑制效果，本实施例通过快速傅里叶变换(fft)来衡量其低频颤振所导致的压力脉动大小。通过对时间离散的流场空间的压力数据进行快速傅里叶变换，即可获取采样空间内的该采样时段的压力波动的频率以及其功率谱密度。在快速傅里叶变换的结果中，横轴为采样空间的压力脉动频率，纵轴则是其功率谱密度。功率谱密度的大小用于确定压力脉动的主频率范围，以及表征该单位频带压力脉动的大小。
32.以原有风洞喷口结构和本技术方案提出的海豹胡须喷口结构进行对比研究，测量其驻室内压力脉动数据并进行快速傅里叶变换。原始喷口以及海豹胡须喷口风速均采用原始风洞低频颤振常见风速25m/s，采集风洞驻室中截面压力随时间变化的数据，并进行快速傅里叶变换得到图4，曲线为两个喷口结构压力脉动的主要模态。在图4中，海豹胡须喷口的测试段流场中的压力模态功率谱密度远比原始喷口小：原始喷口压力脉动主要模态的发生共振的峰值频率为21hz，功率谱密度约为2.1
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107pa2/hz，本技术方案提出的海豹胡须喷口的主要压力脉动模态的峰值功率谱密度为2.9
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105pa2/hz，仅为原始喷口功率谱密度的1.3％，峰值功率谱密度降幅达98.7％，且其频率相较于原始喷口的21hz峰值频率要更为分散，在17～40hz之间。从抑制低频颤振的压力脉动角度来说，海豹胡须喷口能够很有效地抑制低频颤振的振幅。
33.同时，对于喷口设计来说，风洞测试段的流场品质也需要保证不会受到大的影响。测试段的速度分布就是一个重要的指标，为此本实施例对两种喷口出口截面以及中截面进行流向速度的测量与计算平均，速度的采样频率为1000hz，采样总时长1s，并对平均后的速度除以入口速度25m/s进行无量纲化，得到如图5与图6所示的结果，其中，喷口的等效水力直径为dh＝0.342m。图5中，原始喷口出口截面处的核心势流区(u》＝0.95的区域)速度分布基本与喷口的形状一致；而本技术方案提出的海豹胡须喷口在达到高效抑制低频颤振的同时，其核心势流区所受到的影响并不大，分布基本与原始喷口的速度分布类似，只是在喷口角落处以及喷口边缘处由于海豹胡须喷口产生的涡流而导致的速度衰减。在风洞测试中，测试车辆往往在正中间，因此边缘处的速度变化对测试段的影响不大，只需要保证中间大部分区域的速度分布的均匀性即可，因此海豹胡须喷口仍保持着较好的喷口截面速度分布。在图6中，原始喷口的核心势流区(v》＝0.95的区域)尺寸为6.2倍的水力直径位置，对于本技术方案提出的海豹胡须喷口来说，核心势流区从6.2倍水力直径处提升至了8倍处，核心势流区尺寸的变大，有利于测试段流场的均匀性，保证测试段能够保持与喷口出口处相近的速度。
34.综上可知，本技术方案从干扰喷口大涡脱落从而抑制低频颤振的原理出发，采用海豹胡须形状的仿生学喷口设计，利用海豹胡须表面形状的特点，能够产生高能量且利用随机的涡结构来破坏导致低频颤振的大涡脱落现象。从实施例实验的结果来看，海豹胡须喷口的压力功率谱密度相较于原始喷口有了大幅降低，以及其峰值对应频率更为分散。从抑制低频颤振的角度来说，海豹胡须喷口能够大幅地降低低频颤振现象的发生。同时，海豹胡须喷口其通过破坏射流剪切层大涡结构的生成，减少对测试段的气流速度影响，能够使得测试段的气流核心势流区更大，同时保证了喷口处速度分布的均匀性，保证了测试段的
流场品质。