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汽车风洞声学控制研究进展.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.15M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    Abstract
    http://www.paper.edu.cn 汽车风洞声学控制研究进展 郑志强 彭为 靳晓雄 （同济大学 汽车学院， 上海 201804） 摘要：随着我国汽车工业的发展，在国内建造全尺寸汽车风洞已经成为汽车行业发展的重要 组成部分。本文结合上海地面交通工具－风洞中心的自主设计项目，提出了风洞设计中气动 －声学噪声的研究和控制路线，既包括了国外一些成功的经验，也提到了自行设计试验的方 案的思路，以及自主开发所需要涉及的一些难点。 关键词：汽车风洞 自主设计 气动－声学噪声 控制 The progress of studying at Automotive Wind Tunnel Acoustic control Zheng Zhiqiang Peng Wei Jin Xiaoxiong (College of automotive engineering, Tongji University, Shanghai, 201804,China) Abstract With the development of domestic automotive industry, it will become a more important component to build the full scale automotive wind tunnels in our country. Combined with the self-designed project of ShangHai Ground Transportation Center-Wind Tunnel Center, we bring out some methods to study and control Aero-Acoustic noise accompanying with wind tunnel experiments, these conclude some successful experiences of foreign countries and we also developed some self-designed ways to supervise our experiments, and especially we point out some difficulties during the experiments. Key words: Automotive wind tunnel, self-design, Aero-Acoustic noise, control 1.前言 众所周知，开放式喷口风洞易于产生由于压力或者速度带来的低频颤振。这样总体来说， 不稳定的测试环境就是在气动——声学以及空气动力学测试中最不愿意碰到的，因为这种环 境会产生空气动力学的能量或者风力，以及气动——声学噪声，并最终可能使维持稳定速度 的控制系统变得更加难以实现。因为一旦没有避开低频颤振，那么就很难加以控制了，这也 是风洞设计中很重要的研究子课题。 如何避免低频压力颤振，建立合理的轴向压力分布是开放式喷口风洞所需要面对的主要 问题。从国内外各个风洞进行的试验结果证明：喷口试验段长度，收集口几何尺寸以及气室 整体尺寸对于声压均有影响，特别是气室空间尺寸变量对于振动级别的影响。可以看出，随 作者简介：郑志强（1980－），男，内蒙古巴彦淖尔市人，博士研究生， 主要研究方向：噪声与振动控制
    http://www.paper.edu.cn 着喷口试验段长度的增加和收集口喉部面积的减小振动级别是增加的。尽管低频喘振的实际 物理内因还没有完全明确，但可以肯定这样的振动是由于喷口剪切层声压分布以及风洞部分 （test leg）或者整体结构（plenum chamber）声学模态的相互耦合而产生，另外还有气流的 尖劈反馈效应[1]（Edgetone feedback）。 2.低频颤振的理论预测方法 风洞的设计阶段，需要依靠大量的试验来找到实际风洞试验风速范围内可能产生低频颤 振的各个频率，这样就不能盲目的进行试验，需要找到能够提高预估产生颤振频率的可能风 速从而大大减少试验时间，国外的设计者依靠经验公式提出了两种预估共振频率的方法。 2.1 针对结构固有声学模态与风速产生的共振进行预测[2] 测试支路或者气室内的平面气流波动行为以及围绕喷口周围产生的占有主要作用的不 稳定平面剪切层气流（已经证明是涡流形式）之间的耦合产生声学共振。显然要在设计风洞 的时候考虑避免这样的共振，那么就需要试验或者理论计算来找到这一共振频率，Barel 和 McAvoy 得到了一组预测试验段气室以及试验支路声学共振频率的公式，这样就能在给定气 室尺寸的情况下预测发生共振的频率，并且能够得到这种情况下的风速。 气室内剪切层共振频率与风速之间的关系表示为： f s = R − + ( ) n a DKM   β  ) 5.02 。 V M 式中， a = ,25.0 K V = ,75.1 β 试验支路共振频率为          x    U L D ( 2.01 −=    N       N （1） ftl = Cn 02L （2） 上式是针对埃弗尔（Eiffel）型风洞的，L 表示从喷口出口到收集口反射壁之间的距离； 0 封闭式回路风洞哥廷根型（Gottingen）的共振频率为： ( nC 2 − L 02 ftl = 试验段气室作为一个空腔，其共振频率可以表示为： ) 1 （3） f = 2 ×    L n P x 2  +  C     W n P y （4） 2   +  2    H n P z    其中， nnn , x , y 表示模态数， z HWL P , , P 分别表示气室的长度，宽度以及高度。 P 2.2 针对尖劈反馈效应进行共振预测[3][4]
    http://www.paper.edu.cn 尖劈反馈循环是从喷口出口开始，在此处产生了涡流剪切层，而当气流碰到收集口的时 候就会产生逆向对流形式，这样就会使内部压力紊乱，当涡流再次返回喷口的时候循环结束， 同时也使喷口处生成新的涡流剪切层。因此，这种反馈效应的频率可以由反馈循环发生一次 所需要的时间来进行简单的预测分析。 收集口叶片（可调角度） 外围气流（速度为 0.65U） 涡流 喷口 反馈气流（速度为 c-U） 收集口 与收集口碰撞后产生反馈 图 1 风洞气室内部气流趋势 如图所示，开口风洞外围涡流的速度大概是中心风速的 65％，由于可以得到涡流到达 收集口的时间[5]为： T V = L l ∆+ jet U 65.0 （5） 其中，方程中的 表示不能确定在收集口处涡流与收集口壁碰撞从而产生压力紊乱的 l∆ 具体位置，所以需要在喷射段长度 增加一个增量。事实上该增量的数值需要由试验数据 jetL 来推算，而且相对于喷射段长度来讲，该值是很小的。 当气流与收集口壁发生碰撞后返回的时间为： T d = l L ∆+ jet UC − （6） 这样就可以得到完成一个反馈循环所需要的总的时间，从而得到该反馈的频率为： f = 1 + T d T V = 1 + l L ∆+ jet UC − L l ∆+ jet U 65.0 （7） 3.气动——声学的试验方法 从图 1 中可以看出，在实际风洞的气室中，实际上存在着很复杂的气体紊流，不仅气 流本身的不同剪切面之间会产生声学干涉，同时又和结构本身的声学模态相互作用，因而很 难从理论上分析清楚气体颤振的物理机理，这就需要从模型风洞开始，以大量的试验数据找 出影响颤振的因素，从而提出相应的解决方案。
    基于图 1 所示的流场分布，我们设计了下图所示的一些位置，并需要进行相应的声学 试验，测量其中几个特殊位置点的噪声声压。具体测量位置如图 2，A 为喷口出测点，B 为 中间段测点，C 为收集口处测点，另外在风机出口处设置了测点 D。 http://www.paper.edu.cn B1 A A0 B C B0 C1 O C0 图 2 实验测点分布图（气室） 在试验前除了前述需要进行声学模态预估以外，还需要对影响气室声压的因素进行分 析，如喷口试验段长度，收集口面积，试验气室几何尺寸等等，注意到以上各种影响因素之 后才能在试验中有目的的进行测试，找出相应各个因素对应带来的声压变化，最终可能形成 优化方案指导风洞设计；对于测点位置变化的测试则能找到气室内声压最大的区域，并在该 区域采取消声处理，这样就可以在满足风洞噪声环境要求的情况下，尽可能的节省消声材料 所需成本，降低风洞设计预算。 4.抑制低频颤振的控制方法[6] 目前国外建造的大型风洞比较多，因而也积累了很多经验，找到了一些控制气动噪声的 方法，综合来看有以下几种： 第一， Seiferth 扇翅：这种方法是在喷口出口处布置一些类似小叶片的物体来产生不同 方向的气流从而破坏出口处剪切层大范围的涡流。 第二， 扰流沟槽：这种方法是在收集口处布置不同的沟槽，使得气流碰撞到收集口的 时候能量分散开，从而减小碰撞气动噪声。 第三， 在覆盖着弹性材料的试验支路管道内加工孔隙，从而改变该支路的声学模态， 使其共振频率提高。 第四， 采用大功率的扬声器来改变结构的声学共振频率。 事实上，以上所提到的各种控制方法都有其不利之处。如涡流发生器会产生高频噪声； 在收集口布置沟槽或者改变收集口开度需要多次反复试验来进行修改，而奥迪公司所采用的 利用扬声器的方法成本昂贵，同时需要严格的控制流程表才能达到预期的效果。 5.气动声学设计阶段需要注意的问题
    http://www.paper.edu.cn 第一，试验模型风洞到真实风洞的还原性 任何一个风洞在设计阶段都需要试验来支持，这就需要制造相应的模型风洞，从节省成 本的角度来讲，模型不能太大，但是从设计要求来讲，模型越大试验结果才能越接近真实风 洞，这是一个矛盾的方面，因而国外的风洞一般都是设计之后模型风洞也同样能满足小型的 试验要求，如克莱斯勒汽车气动声学风洞（AAWT）的模型风洞为 1/3.6。 那么对于较小的风洞模型试验来讲，就需要注意到其试验结果与真实风洞的相似性，从 式（2）、（3）、（7）几个预估公式来看，真实风洞的声学共振频率和风洞尺寸成反比例的线 性关系，而其中气室的声学模态较为复杂，涉及到三维变量，那么在试验准备阶段进行初步 预估声学共振频率的时候同时也应当考虑这些变量对真实风洞气室声学模态的影响。 第二，风洞中放置试验对象（车辆）之后对其内部声压的影响[7] 随着汽车工业的发展，大型的专用车辆，SUV 等都对风洞的试验能力提出了更高的要求， 当需要做整车试验的时候，大型车辆的正向投影面积过大，势必影响到气室气流的分布，显 而易见，面积越大对于声压的影响也将更大，这就需要采取相应的措施来进行导流，或者采 用易于拆卸的装置（如槽行栅栏导流装置），当进行大型车辆试验的时候安装这些辅助设备， 而当小型车辆试验时可以取消，对于不同的风洞是否需要采取特殊装置需要进行试验验证， 找到合适的阻塞比（车辆正向投影面积与喷口面积之比），再决定具体解决这一影响的方案。 6.结束语 对于全尺寸汽车风洞的设计来讲，如何在设计阶段就能通过模型风洞试验的方法找到实 际风洞可能存在的声学共振频率，并设计控制方案降低风洞内部噪声已经成为风洞设计必不 可少的一个环节，面对国内风洞自主开发经验缺乏的情况，本文通过总结国外先进的设计方 法，找到适合本次上海地面交通工具－风洞中心的试验方案，以次来进行试验做出主动控制 噪声的方法，今后将继续对试验方案进行改进，确定风洞设计的优化方案，达到设计目的要 求的低噪声水平。 参考文献 [1] Holthusen,H. and Kooi,J.W., “Model and Full Scale Investigations of the Low Frequency Vibraton Phenomena of the DNW Open Jet”, 1997, AGARD-CP-585 [2] Stephen A. Arnette and Tony D. Buchanan, and Michael Zabat, “On Low-Frequency Pressure Pulsations and Static Pressure Distribution in Open Jet Automotive Wind Tunnels”, 1999,Vehicle Aerogynamics and Wind Noise-SP-1441 [3] Dr. Mark Rennie , “Effect of Jet Length on Pressure Fluctuations in 3/4 Open-Jet Wind Tunnels”, 2001,AAEG Aiolos Engineering Corporation [4] Gerhand Wickern ,Wilhelm von Heesen and Steppen wallmann, “Wind Tunnel Pulsation and Theie Active Suppression”, 2000, SAE paper 2000-01-0869 [5] King, J.L, Boyle, P., Ogle, J.B., “Instability in Slotted Wall Tunnels”, Journal of Fluid Mechanics, 1958, Vol.4, pp 283-305 [6] Wilhelm von Heesen and Matthias Hopfer, “Suppression of Wind Tunnel Buffeting by Active
    Flow Control”, 2004,SAE paper 2004-01-0805 [7] Jeffrey Hoffman,Bill Martindale and Stephen Arnette, “Effectof Test Section Configuration on Aerodynamic Drag Measurements ”, 2001, SAE paper 2001-01-0631 http://www.paper.edu.cn
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