專利名稱：汽車風洞的水平抽吸系統及抽吸控制方法
技術領域：
本發明屬于空氣動力學和車輛工程技術領域，具體涉及一種汽車風洞的水平抽吸系統及抽吸控制方法。
背景技術：
汽車在道路上行駛的過程中，空氣與汽車之間存在相對運動，氣流速度U0等于汽車的行駛速度，在汽車頭部前方的氣流速度在高度方向等于常數，即所謂的“均勻風速剖面”。然而在風洞中，由于存在固體壁面邊界層，被試驗車輛前方的風速剖面不均勻，風洞中邊界層的存在使氣流的模擬失真，特別是汽車底部的氣流特征與實際又較大不同，進而影響氣動力測量的準確性。為了消除或者減弱汽車風洞中的邊界層效應，有必要在汽車前方盡可能建立起均勻的平均風速剖面，為此國際上已經發展了基礎抽吸(Basic suction)和切向射流(Tangential blowing)兩類系統。基礎抽吸和切向射流度能夠減小邊界層厚度，形成接近于均勻的風速剖面，但是它們各自具有明顯的缺點(1)基礎抽吸的缺點垂直抽吸氣流在整個試驗段產生明顯的靜壓力梯度，影響氣動力測量；(2)切向射流的缺點切向射流的容易產生氣流偏角。
這說明兩種傳統的邊界層控制系統都會降低試驗段流場的品質。因此，研究一種能減小汽車風洞地面邊界層、但不影響試驗段流場品質和靜壓梯度分布的汽車風洞水平抽吸系統是本領域人員的研究目標。
發明內容
本發明的目的在于提出一種減小汽車風洞地面邊界層、不影響試驗段流場品質和靜壓梯度分布的汽車風洞的水平抽吸系統及抽吸方法。
本發明提出的汽車風洞的水平抽吸系統，由風洞噴口1、抽吸口密封5、水平抽吸槽6、抽吸氣流管道7、流量計8、抽吸風機9、差壓傳感器12、PLC控制器13和變頻調速器14組成，其中，風洞噴口1出口下方設置水平抽吸槽6，形成抽吸口15，抽吸口15的前緣連接抽吸口密封5，抽吸口15的前緣上、下端設有測壓孔11，測壓孔11通過測壓管連接差壓傳感器12；流量計8的一端通過抽吸氣流管道7連接抽吸口15，另一端通過管道連接抽吸風機9，抽吸風機9通過動力電纜連接變頻調速器14；變頻調速器14、差壓傳感器12、流量計8分別通過信號電纜連接PLC控制器13。
本發明中，抽吸口15的前緣為半橢圓弧或銳緣之一種。
本發明提出的汽車風洞的水平抽吸系統的抽吸控制方法，其具體步驟如下(1)被測氣流進入風洞試驗段前形成的邊界層，通過水平抽吸系統進入試驗段下游的第一擴散段內，在實驗車輛前方形成均勻的垂直風速剖面，在車輛風洞噴口出口下方開設水平抽吸槽，形成抽吸口，抽吸口位于噴口出口內側Lex，抽吸口的高度為Hsc；選擇不同抽吸口密封，調節抽吸口開度；抽吸口的高度Hsc為邊界層厚度的0～1倍，對于整車風洞，Lex在0～200mm范圍內；如可選擇Hsc＝0，0.25，0.50，0.75和1.0倍等抽吸口最大高度，即抽吸口全閉、25％、50％、75％到100％開度等狀態。
(2)標定壓差-試驗風速、流量-試驗風速和轉速-試驗風速三條抽吸系統運行控制曲線對每一個抽吸口開度，制定試驗風速點，風速從5m/s到Umax，各點試驗風速步差為2～5m/s，對于整車風洞，Umax約在60～70m/s范圍內；對每個試驗風速點，分別調節抽吸風機的轉速和流量計的流量，并通過差壓傳感器檢測抽吸口前緣上、下測壓孔的壓差ΔP12，ΔP12＝P1-P2，至ΔP12為某一證明氣流平行的基準值(如為零)，記錄ΔP12某一證明氣流平行的基準值(如為零)時的抽吸風機轉速n、流量Q，ΔP12為上下測壓孔的壓差，P1為上測壓孔的壓力，P2為下測壓孔的壓力；對選取的不同試驗風速點的壓差、轉速和流量測量，建立壓差-試驗風速、流量-試驗風速和轉速-試驗風速三條抽吸系統運行控制曲線；不同開度的運行曲線數據用表格數據庫形式存于PLC控制器內，供運行控制調用；(3)運行控制安裝需要的抽吸口密封，固定水平抽吸口開度；調用相應的開度抽吸風機轉速-風洞試驗風速曲線數據表，采用變頻調速器設定抽吸風機轉速，并運行水平抽吸系統；如果風洞試驗風速不在標定風速點上，采用前后標定點插值確定；測量實際抽吸流量和實際抽吸口前緣上、下表面壓差，將其與步驟(2)中得到的標定曲線數據比較，在＜1％誤差允許范圍內系統正常運行；超出1％允許誤差時，通過增大或者減小抽吸風機轉速修正，直到抽吸口前緣上、下表面壓差和流量誤差均在允許范圍內。
本發明中，在風洞中消除或者減小汽車前方的邊界層，同時對流場品質和氣動聲學試驗背景噪聲影響非常小。為此，在噴口出口(略深入噴口內部)設計水平槽口，將邊界層的低速氣流通過抽吸系統排出試驗段，避免附近較低速度的氣流抽吸到試驗段下游，從而在汽車前方形成均勻的風速剖面；在抽吸口前方設計流線型密封裝置，用于調節抽吸口開度，當需要進行氣動聲學試驗時，抽吸口完全封閉，此處不會產生任何附加背景噪聲。
本發明中，抽吸口高度Hsc取決于此處邊界層的厚度。對于整車風洞而言，在噴口底部避免形成的邊界層厚度與噴口的長度有關。抽吸口前有流線型設計的密封，在汽車風洞進行空氣動力學實驗室，密封打開，抽吸系統工作；當需要進行噪聲測量實驗時，可以用密封將抽吸系統關閉，以免槽口產生附加噪聲。
本發明采用半橢圓弧和銳緣兩種抽吸口前緣，前緣上下表面設置測壓孔P1和P2用于檢測氣流是否平行。這兩點的差壓系數(用試驗段平均風速無量綱化)與最佳抽吸流量有明確的對應關系，特別是在更換模型時，最佳抽吸流量往往也需要調整，其調整的基準正式通過這兩點的壓力測量而實現的。
本發明中，最大試驗風速抽吸流量Qsc，max≈Wnozzle·Hsc·Umax，其中Wnozzle為風洞噴口的寬度，Umax為風洞運行最大試驗風速。
本發明中，抽吸流道的總壓力損失ΔPmax=ξsc·12ρUmax2,]]>其中ξsc為利用風洞試驗風速無量綱化的抽吸流道壓力損失系數，ρ表示空氣密度。
本發明中，抽吸風機和變頻驅動電額定功率Pfan＝ΔPmaxQmax/ηfan，Pdrive＝Pfan/ηdrive，其中ηfan等于抽吸風機效率，ηdrive等于電機和變頻驅動的綜合效率。
本發明中，抽吸系統調節范圍抽吸流量從0～100％Qsc，max。
抽吸系統作為風洞的一個子系統，它有自己的PLC控制，同時整個風洞的運行由風洞測控系統操作，風洞測控系統和子系統PLC之間的通訊采用TCP/IP協議。如果采用傳統控制模式沒有獨立PLC控制，而是全部采用風洞測控系統直接操作，系統的穩定性和可擴展性差。而本發明擁有獨立PLC控制系統，同時預留與風洞測控系統接口(TCP/IP)，所有標定、測量和控制可以通過風洞測控系統遠程操作。
為了驗證系統的有效性，發明人進行了風洞模型試驗。在模型風洞試驗段地板之上設計安裝一整塊抬高地板，把抬高地板的前部與基礎抽吸系統連接，模擬水平抽吸系統，后部作為新的試驗段地板。實驗結果顯示水平抽吸系統模擬均勻風速剖面的效果，與沒有任何抽吸相比，汽車前部的氣流速度均勻性有非常明顯的改善；并且水平抽吸系統工作時試驗段靜壓力梯度曲線，水平抽吸系統對試驗段靜壓分布幾乎沒有影響，而基礎抽吸系統產生非常明顯的靜壓力梯度。試驗證明，水平抽吸系統完全能夠達到預想的目的。
本發明的有益效果本發明可以有效地模擬均勻風速剖面，去除風洞邊界層對汽車空氣動力學實驗的影響，同時克服了基礎抽吸或切向射流等傳統的邊界層控制方法產生的試驗段靜壓力梯度或者氣流偏角等負面影響。
圖1為本發明的結構圖示。
圖2為本發明抽吸口密封開關狀態圖，其中(A)為抽吸口密封開，(B)為抽吸口密封關。
圖3為水平抽吸后的平均風速剖面(與無抽吸狀態比較)。
圖4為前端水平抽吸后的靜壓梯度(與無抽吸和基礎抽吸比較)。
圖中標號1為風洞噴口，2為風洞試驗段，3為風洞收集段，4為風洞擴散段，5為抽吸口密封，6為水平抽吸槽，7為抽吸氣流管道，8為流量計，9為抽吸風機，10為抽吸回風口，11為抽吸口前緣測壓孔，12為壓差傳感器，13為PLC控制器，14為變頻調速器，15為抽吸口。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發明。
實施例1將下列部件按圖1所示方式，該領域的技術人員均能順利實施。風洞噴口1出口下方設置水平抽吸槽6，形成抽吸口15，抽吸口15向噴口內延伸Lex＝200mm，抽吸口15的最大高度Hsc＝20mm，抽吸口15的前緣連接抽吸口密封5，抽吸口15的前緣上、下端設有測壓孔11，測壓孔11通過測壓管連接差壓傳感器12；差壓傳感器12的型號為1151DR微差壓變送器，流量計8的一端通過抽吸氣流管道7連接抽吸口15，另一端通過管道連接抽吸風機9，流量計8的型號為LGW標準文丘里管型，抽吸風機9的型號為GD50F管道軸流通風機，抽吸風機9通過動力電纜連接變頻調速器14，變頻調速器14的型號為ACS401，變頻調速器14、差壓傳感器12、流量計8分別通過信號電纜連接PLC控制器13，PLC控制器13的型號為Simens S7。抽吸口前緣為半圓弧設計，前緣上下表面壓差ΔP＝P1-P2＝0表示氣流平行，最大試驗風速Umax為80m/s。抽吸后邊界層厚度小于2mm，試驗段靜壓梯度約等于零。
(1)抽吸口開度調節更換不同厚度的抽吸口密封，實現不同高度的抽吸口設置，本采用兩種極端狀態測試Hsc＝0和1.0倍抽吸口最大高度，即抽吸口全閉和全開。
(2)標定控制曲線除了抽吸口全閉不需要系統工作，對抽吸口全開狀態進行運行曲線標定，標定步驟如下①安裝對應抽吸口密封，調節抽吸口開度；②運行風洞，試驗風速從5m/s至最大值Umax逐點上升，各點試驗風速步差2～5m/s；③每個試驗風速點調節抽吸風機轉速和流量，并檢測抽吸口前緣上下表面壓差ΔP12＝P1-P2，直到ΔP12等于零，測量記錄ΔP12等于零時的抽吸風機轉速n、流量Q；
④完成各試驗風速點的壓差、轉速和流量測量，建立壓差-試驗風速、流量-試驗風速和轉速-試驗風速三條抽吸系統運行控制曲線。
⑤將各開度的運行曲線數據用表格數據庫形式存于PLC，供運行控制調用。
(3)運行控制①安裝需要的抽吸口密封，固定水平抽吸口開度；②調用對應開度抽吸風機轉速-風洞試驗風速曲線數據表，根據風洞試驗風速直接用變頻調速器設定抽吸風機轉速，并運行抽吸系統；如果風洞試驗風速不在標定風速點上，采用前后標定點插值確定；③測量實際抽吸流量和實際抽吸口前緣上下表面壓差，將其與標定曲線數據比較，在誤差允許范圍內(＜1％)系統正常運行；超出允許誤差時通過增大或者減小抽吸流量(抽吸風機轉速)修正，直到壓差和流量誤差均在允許范圍內；如果不能修正，系統停止檢修，或者重新標定控制曲線。
從圖3中可以明顯看出抽吸前后邊界層厚度從25mm左右降低到約2mm。
采用本發明對下游的相關流場測量風洞試驗段邊界層厚度和軸向靜壓梯度兩項。
(1)邊界層厚度測量測量儀器總壓或者動靜壓皮托管、移測架、壓力傳感器(量程0～3000Pa)、數據采集系統，測量空間位置的平均風速測量內容選取5種抽吸口開度(包括全閉)不同試驗風速及不同空間位置的平均風速沿高度分布剖面，測量內容及步驟如下第一步設定抽吸口開度；第二步按照運行控制曲線運行整個抽吸系統(除了全閉外)，確認工作正常；第三步調節風洞試驗風速，分別為10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，...直到最大風速；第四步用移測架調節皮托管位置，沿著風洞試驗段軸線移動，對應空間位置為-距離風洞噴口出口坐標x(mm)0，250，500，1000，...直到風洞試驗段轉盤中心-每個x坐標點，垂直坐標z(mm)5，10，20，30，40，50，60，80，100，...直到邊界層外層(約600mm)。
-數據采集各點的動壓數值，并換算對應平均風速U(x，z)。
數據分析和結果用邊界層厚度計算定義計算邊界層厚度，如δ99，δ*，δ**(2)軸向靜壓梯度測量測量儀器靜壓或者動靜壓皮托管、移測架、壓力傳感器(量程0～3000Pa)、數據采集系統，測量空間位置的靜壓。
測量內容選取5種抽吸口開度(包括全閉)不同試驗風速及不同空間位置的平均風速沿高度分布剖面，測量內容及步驟如下第一步設定抽吸口開度；第二步按照運行控制曲線運行整個抽吸系統(除了全閉外)，確認工作正常；第三步調節風洞試驗風速，分別為10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，...直到最大風速；第四步用移測架調節皮托管位置，沿著風洞試驗段軸線移動，對應空間位置為-垂直坐標z(mm)50，100，150，200，...，1000-各個垂直坐標z，距離風洞噴口出口坐標x(mm)0，100，200，300，...直到風洞試驗段收集口的入口處-數據采集各點的靜壓數值，P(x，z)。
數據分析和結果計算靜壓系數空間分布CP(x,z)=P(x,z)1/2ρU2,]]>ρ為空氣密度，U平均風速，得到試驗段靜壓力梯度dCP(x,z)dx=dP(x,z)/dx1/2ρU2.]]>從圖4中可以明顯看出傳統的抽吸在試驗段產生很大的靜壓力梯度，而水平抽吸系統幾乎不改變試驗段的靜壓力分布。
權利要求
1.一種汽車風洞的水平抽吸系統，由風洞噴口(1)、抽吸口密封(5)、水平抽吸槽(6)、抽吸氣流管道(7)、流量計(8)、抽吸風機(9)、差壓傳感器(12)、PLC控制器(13)和變頻調速器(14)組成，其特征在于風洞噴口(1)出口下方設置水平抽吸槽(6)，形成抽吸口(15)，抽吸口(15)的前緣連接抽吸口密封(5)，抽吸口(15)的前緣上、下端設有測壓孔(11)，測壓孔(11)通過測壓管連接差壓傳感器(12)；流量計(8)的一端通過抽吸氣流管道(7)連接抽吸口(15)，另一端通過管道連接抽吸風機(9)，抽吸風機(9)通過動力電纜連接變頻調速器(14)；變頻調速器(14)、差壓傳感器(12)、流量計(8)分別通過信號電纜連接PLC控制器(13)。
2.根據權利要求1所述的汽車風洞的水平抽吸系統，其特征在于抽吸口(15)的前緣為半橢圓弧或銳緣之一種。
3.一種如權利要求1所述的汽車風洞的水平抽吸系統的抽吸控制方法，其特征在于具體步驟如下(1)被測氣流進入風洞試驗段前形成的邊界層，通過水平抽吸系統進入試驗段下游的第一擴散段內，在實驗車輛前方形成均勻的垂直風速剖面，在車輛風洞噴口出口下方開設水平抽吸槽，形成抽吸口，抽吸口位于噴口出口內側Lex，抽吸口的高度為Hsc；選擇不同抽吸口密封，調節抽吸口開度；抽吸口的高度Hsc為邊界層的厚度0-1倍，對于整車風洞，Lex為0～200mm；(2)標定壓差-試驗風速、流量-試驗風速和轉速-試驗風速三條抽吸系統運行控制曲線對每一個抽吸口開度，制定試驗風速點，風速從5m/s到Umax，各點試驗風速步差為2～5m/s，對于整車風洞，Umax為60～70m/s；對每個試驗風速點，分別調節抽吸風機的轉速和流量計的流量，并通過差壓傳感器檢測抽吸口前緣上、下測壓孔的壓差ΔP12，ΔP12＝P1-P2，至ΔP12為某一證明氣流平行的基準值，記錄ΔP12某一證明氣流平行的基準值時的抽吸風機轉速n、流量Q，ΔP12為上下測壓孔的壓差，P1為上測壓孔的壓力，P2為下測壓孔的壓力；對選取不同試驗風速點的壓差、轉速和流量測量，建立壓差-試驗風速、流量-試驗風速和轉速-試驗風速三條抽吸系統運行控制曲線；不同開度的運行曲線數據用表格數據庫形式存于PLC控制器內，供運行控制調用；(3)運行控制安裝需要的抽吸口密封，固定水平抽吸口開度；調用相應的開度抽吸風機轉速-風洞試驗風速曲線數據表，采用變頻調速器設定抽吸風機轉速，并運行水平抽吸系統；如果風洞試驗風速不在標定風速點上，采用前后標定點插值確定；測量實際抽吸流量和實際抽吸口前緣上、下表面壓差，將其與步驟(2)中得到的標定曲線數據比較，在＜1％誤差允許范圍內系統正常運行；超出1％允許誤差時，通過增大或者減小抽吸風機轉速修正，直到抽吸口前緣上、下表面壓差和流量誤差均在允許范圍內。
全文摘要
本發明屬于空氣動力學和車輛工程技術領域，具體涉及一種汽車風洞的水平抽吸系統及抽吸控制方法。水平抽吸系統，由風洞噴口、抽吸口密封、水平抽吸槽、抽吸氣流管道、流量計、抽吸風機、差壓傳感器、PLC控制器和變頻調速器組成，風洞噴口出口下方設有抽吸口，其前緣連接抽吸口密封，前緣的上、下端測壓孔連接差壓傳感器；流量計一端聯接抽吸口，另一端聯接抽吸風機，抽吸風機聯接變頻調速器；變頻調速器、差壓傳感器、流量計分別聯接PLC控制器。本發明將被測氣流通過本裝置進入試驗段的下游擴散段內，實驗車輛前方形成風速剖面，選擇不同抽吸口密封，調節抽吸口開度；標定壓差－試驗風速、流量－試驗風速和轉速－試驗風速三條運行控制曲線，將測量實際抽吸流量和實際抽吸口前緣上、下表面壓差與標定曲線數據比較，至所測值在允許范圍內。本發明可以有效地模擬均勻風速剖面，去除風洞邊界層對汽車空氣動力學實驗的影響，同時克服了基礎抽吸或切向射流等傳統的邊界層控制方法產生的試驗段靜壓力梯度或者氣流偏角等負面影響。
文檔編號G01M9/00GK1808089SQ200610023920
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月16日 優先權日2006年2月16日
發明者萬鋼, 龐加斌 申請人:同濟大學