专利名称：汽车风洞的水平抽吸系统及抽吸控制方法
技术领域：
本发明属于空气动力学和车辆工程技术领域，具体涉及一种汽车风洞的水平抽吸系统及抽吸控制方法。
背景技术：
汽车在道路上行驶的过程中，空气与汽车之间存在相对运动，气流速度U0等于汽车的行驶速度，在汽车头部前方的气流速度在高度方向等于常数，即所谓的“均匀风速剖面”。然而在风洞中，由于存在固体壁面边界层，被试验车辆前方的风速剖面不均匀，风洞中边界层的存在使气流的模拟失真，特别是汽车底部的气流特征与实际又较大不同，进而影响气动力测量的准确性。为了消除或者减弱汽车风洞中的边界层效应，有必要在汽车前方尽可能建立起均匀的平均风速剖面，为此国际上已经发展了基础抽吸(Basic suction)和切向射流(Tangential blowing)两类系统。基础抽吸和切向射流度能够减小边界层厚度，形成接近于均匀的风速剖面，但是它们各自具有明显的缺点(1)基础抽吸的缺点垂直抽吸气流在整个试验段产生明显的静压力梯度，影响气动力测量；(2)切向射流的缺点切向射流的容易产生气流偏角。
这说明两种传统的边界层控制系统都会降低试验段流场的品质。因此，研究一种能减小汽车风洞地面边界层、但不影响试验段流场品质和静压梯度分布的汽车风洞水平抽吸系统是本领域人员的研究目标。
发明内容
本发明的目的在于提出一种减小汽车风洞地面边界层、不影响试验段流场品质和静压梯度分布的汽车风洞的水平抽吸系统及抽吸方法。
本发明提出的汽车风洞的水平抽吸系统，由风洞喷口1、抽吸口密封5、水平抽吸槽6、抽吸气流管道7、流量计8、抽吸风机9、差压传感器12、PLC控制器13和变频调速器14组成，其中，风洞喷口1出口下方设置水平抽吸槽6，形成抽吸口15，抽吸口15的前缘连接抽吸口密封5，抽吸口15的前缘上、下端设有测压孔11，测压孔11通过测压管连接差压传感器12；流量计8的一端通过抽吸气流管道7连接抽吸口15，另一端通过管道连接抽吸风机9，抽吸风机9通过动力电缆连接变频调速器14；变频调速器14、差压传感器12、流量计8分别通过信号电缆连接PLC控制器13。
本发明中，抽吸口15的前缘为半椭圆弧或锐缘之一种。
本发明提出的汽车风洞的水平抽吸系统的抽吸控制方法，其具体步骤如下(1)被测气流进入风洞试验段前形成的边界层，通过水平抽吸系统进入试验段下游的第一扩散段内，在实验车辆前方形成均匀的垂直风速剖面，在车辆风洞喷口出口下方开设水平抽吸槽，形成抽吸口，抽吸口位于喷口出口内侧Lex，抽吸口的高度为Hsc；选择不同抽吸口密封，调节抽吸口开度；抽吸口的高度Hsc为边界层厚度的0～1倍，对于整车风洞，Lex在0～200mm范围内；如可选择Hsc＝0，0.25，0.50，0.75和1.0倍等抽吸口最大高度，即抽吸口全闭、25％、50％、75％到100％开度等状态。
(2)标定压差-试验风速、流量-试验风速和转速-试验风速三条抽吸系统运行控制曲线对每一个抽吸口开度，制定试验风速点，风速从5m/s到Umax，各点试验风速步差为2～5m/s，对于整车风洞，Umax约在60～70m/s范围内；对每个试验风速点，分别调节抽吸风机的转速和流量计的流量，并通过差压传感器检测抽吸口前缘上、下测压孔的压差ΔP12，ΔP12＝P1-P2，至ΔP12为某一证明气流平行的基准值(如为零)，记录ΔP12某一证明气流平行的基准值(如为零)时的抽吸风机转速n、流量Q，ΔP12为上下测压孔的压差，P1为上测压孔的压力，P2为下测压孔的压力；对选取的不同试验风速点的压差、转速和流量测量，建立压差-试验风速、流量-试验风速和转速-试验风速三条抽吸系统运行控制曲线；不同开度的运行曲线数据用表格数据库形式存于PLC控制器内，供运行控制调用；(3)运行控制安装需要的抽吸口密封，固定水平抽吸口开度；调用相应的开度抽吸风机转速-风洞试验风速曲线数据表，采用变频调速器设定抽吸风机转速，并运行水平抽吸系统；如果风洞试验风速不在标定风速点上，采用前后标定点插值确定；测量实际抽吸流量和实际抽吸口前缘上、下表面压差，将其与步骤(2)中得到的标定曲线数据比较，在＜1％误差允许范围内系统正常运行；超出1％允许误差时，通过增大或者减小抽吸风机转速修正，直到抽吸口前缘上、下表面压差和流量误差均在允许范围内。
本发明中，在风洞中消除或者减小汽车前方的边界层，同时对流场品质和气动声学试验背景噪声影响非常小。为此，在喷口出口(略深入喷口内部)设计水平槽口，将边界层的低速气流通过抽吸系统排出试验段，避免附近较低速度的气流抽吸到试验段下游，从而在汽车前方形成均匀的风速剖面；在抽吸口前方设计流线型密封装置，用于调节抽吸口开度，当需要进行气动声学试验时，抽吸口完全封闭，此处不会产生任何附加背景噪声。
本发明中，抽吸口高度Hsc取决于此处边界层的厚度。对于整车风洞而言，在喷口底部避免形成的边界层厚度与喷口的长度有关。抽吸口前有流线型设计的密封，在汽车风洞进行空气动力学实验室，密封打开，抽吸系统工作；当需要进行噪声测量实验时，可以用密封将抽吸系统关闭，以免槽口产生附加噪声。
本发明采用半椭圆弧和锐缘两种抽吸口前缘，前缘上下表面设置测压孔P1和P2用于检测气流是否平行。这两点的差压系数(用试验段平均风速无量纲化)与最佳抽吸流量有明确的对应关系，特别是在更换模型时，最佳抽吸流量往往也需要调整，其调整的基准正式通过这两点的压力测量而实现的。
本发明中，最大试验风速抽吸流量Qsc，max≈Wnozzle·Hsc·Umax，其中Wnozzle为风洞喷口的宽度，Umax为风洞运行最大试验风速。
本发明中，抽吸流道的总压力损失ΔPmax=ξsc·12ρUmax2,]]>其中ξsc为利用风洞试验风速无量纲化的抽吸流道压力损失系数，ρ表示空气密度。
本发明中，抽吸风机和变频驱动电额定功率Pfan＝ΔPmaxQmax/ηfan，Pdrive＝Pfan/ηdrive，其中ηfan等于抽吸风机效率，ηdrive等于电机和变频驱动的综合效率。
本发明中，抽吸系统调节范围抽吸流量从0～100％Qsc，max。
抽吸系统作为风洞的一个子系统，它有自己的PLC控制，同时整个风洞的运行由风洞测控系统操作，风洞测控系统和子系统PLC之间的通讯采用TCP/IP协议。如果采用传统控制模式没有独立PLC控制，而是全部采用风洞测控系统直接操作，系统的稳定性和可扩展性差。而本发明拥有独立PLC控制系统，同时预留与风洞测控系统接口(TCP/IP)，所有标定、测量和控制可以通过风洞测控系统远程操作。
为了验证系统的有效性，发明人进行了风洞模型试验。在模型风洞试验段地板之上设计安装一整块抬高地板，把抬高地板的前部与基础抽吸系统连接，模拟水平抽吸系统，后部作为新的试验段地板。实验结果显示水平抽吸系统模拟均匀风速剖面的效果，与没有任何抽吸相比，汽车前部的气流速度均匀性有非常明显的改善；并且水平抽吸系统工作时试验段静压力梯度曲线，水平抽吸系统对试验段静压分布几乎没有影响，而基础抽吸系统产生非常明显的静压力梯度。试验证明，水平抽吸系统完全能够达到预想的目的。
本发明的有益效果本发明可以有效地模拟均匀风速剖面，去除风洞边界层对汽车空气动力学实验的影响，同时克服了基础抽吸或切向射流等传统的边界层控制方法产生的试验段静压力梯度或者气流偏角等负面影响。
图1为本发明的结构图示。
图2为本发明抽吸口密封开关状态图，其中(A)为抽吸口密封开，(B)为抽吸口密封关。
图3为水平抽吸后的平均风速剖面(与无抽吸状态比较)。
图4为前端水平抽吸后的静压梯度(与无抽吸和基础抽吸比较)。
图中标号1为风洞喷口，2为风洞试验段，3为风洞收集段，4为风洞扩散段，5为抽吸口密封，6为水平抽吸槽，7为抽吸气流管道，8为流量计，9为抽吸风机，10为抽吸回风口，11为抽吸口前缘测压孔，12为压差传感器，13为PLC控制器，14为变频调速器，15为抽吸口。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1将下列部件按图1所示方式，该领域的技术人员均能顺利实施。风洞喷口1出口下方设置水平抽吸槽6，形成抽吸口15，抽吸口15向喷口内延伸Lex＝200mm，抽吸口15的最大高度Hsc＝20mm，抽吸口15的前缘连接抽吸口密封5，抽吸口15的前缘上、下端设有测压孔11，测压孔11通过测压管连接差压传感器12；差压传感器12的型号为1151DR微差压变送器，流量计8的一端通过抽吸气流管道7连接抽吸口15，另一端通过管道连接抽吸风机9，流量计8的型号为LGW标准文丘里管型，抽吸风机9的型号为GD50F管道轴流通风机，抽吸风机9通过动力电缆连接变频调速器14，变频调速器14的型号为ACS401，变频调速器14、差压传感器12、流量计8分别通过信号电缆连接PLC控制器13，PLC控制器13的型号为Simens S7。抽吸口前缘为半圆弧设计，前缘上下表面压差ΔP＝P1-P2＝0表示气流平行，最大试验风速Umax为80m/s。抽吸后边界层厚度小于2mm，试验段静压梯度约等于零。
(1)抽吸口开度调节更换不同厚度的抽吸口密封，实现不同高度的抽吸口设置，本采用两种极端状态测试Hsc＝0和1.0倍抽吸口最大高度，即抽吸口全闭和全开。
(2)标定控制曲线除了抽吸口全闭不需要系统工作，对抽吸口全开状态进行运行曲线标定，标定步骤如下①安装对应抽吸口密封，调节抽吸口开度；②运行风洞，试验风速从5m/s至最大值Umax逐点上升，各点试验风速步差2～5m/s；③每个试验风速点调节抽吸风机转速和流量，并检测抽吸口前缘上下表面压差ΔP12＝P1-P2，直到ΔP12等于零，测量记录ΔP12等于零时的抽吸风机转速n、流量Q；
④完成各试验风速点的压差、转速和流量测量，建立压差-试验风速、流量-试验风速和转速-试验风速三条抽吸系统运行控制曲线。
⑤将各开度的运行曲线数据用表格数据库形式存于PLC，供运行控制调用。
(3)运行控制①安装需要的抽吸口密封，固定水平抽吸口开度；②调用对应开度抽吸风机转速-风洞试验风速曲线数据表，根据风洞试验风速直接用变频调速器设定抽吸风机转速，并运行抽吸系统；如果风洞试验风速不在标定风速点上，采用前后标定点插值确定；③测量实际抽吸流量和实际抽吸口前缘上下表面压差，将其与标定曲线数据比较，在误差允许范围内(＜1％)系统正常运行；超出允许误差时通过增大或者减小抽吸流量(抽吸风机转速)修正，直到压差和流量误差均在允许范围内；如果不能修正，系统停止检修，或者重新标定控制曲线。
从图3中可以明显看出抽吸前后边界层厚度从25mm左右降低到约2mm。
采用本发明对下游的相关流场测量风洞试验段边界层厚度和轴向静压梯度两项。
(1)边界层厚度测量测量仪器总压或者动静压皮托管、移测架、压力传感器(量程0～3000Pa)、数据采集系统，测量空间位置的平均风速测量内容选取5种抽吸口开度(包括全闭)不同试验风速及不同空间位置的平均风速沿高度分布剖面，测量内容及步骤如下第一步设定抽吸口开度；第二步按照运行控制曲线运行整个抽吸系统(除了全闭外)，确认工作正常；第三步调节风洞试验风速，分别为10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，...直到最大风速；第四步用移测架调节皮托管位置，沿着风洞试验段轴线移动，对应空间位置为-距离风洞喷口出口坐标x(mm)0，250，500，1000，...直到风洞试验段转盘中心-每个x坐标点，垂直坐标z(mm)5，10，20，30，40，50，60，80，100，...直到边界层外层(约600mm)。
-数据采集各点的动压数值，并换算对应平均风速U(x，z)。
数据分析和结果用边界层厚度计算定义计算边界层厚度，如δ99，δ*，δ**(2)轴向静压梯度测量测量仪器静压或者动静压皮托管、移测架、压力传感器(量程0～3000Pa)、数据采集系统，测量空间位置的静压。
测量内容选取5种抽吸口开度(包括全闭)不同试验风速及不同空间位置的平均风速沿高度分布剖面，测量内容及步骤如下第一步设定抽吸口开度；第二步按照运行控制曲线运行整个抽吸系统(除了全闭外)，确认工作正常；第三步调节风洞试验风速，分别为10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，...直到最大风速；第四步用移测架调节皮托管位置，沿着风洞试验段轴线移动，对应空间位置为-垂直坐标z(mm)50，100，150，200，...，1000-各个垂直坐标z，距离风洞喷口出口坐标x(mm)0，100，200，300，...直到风洞试验段收集口的入口处-数据采集各点的静压数值，P(x，z)。
数据分析和结果计算静压系数空间分布CP(x,z)=P(x,z)1/2ρU2,]]>ρ为空气密度，U平均风速，得到试验段静压力梯度dCP(x,z)dx=dP(x,z)/dx1/2ρU2.]]>从图4中可以明显看出传统的抽吸在试验段产生很大的静压力梯度，而水平抽吸系统几乎不改变试验段的静压力分布。
权利要求
1.一种汽车风洞的水平抽吸系统，由风洞喷口(1)、抽吸口密封(5)、水平抽吸槽(6)、抽吸气流管道(7)、流量计(8)、抽吸风机(9)、差压传感器(12)、PLC控制器(13)和变频调速器(14)组成，其特征在于风洞喷口(1)出口下方设置水平抽吸槽(6)，形成抽吸口(15)，抽吸口(15)的前缘连接抽吸口密封(5)，抽吸口(15)的前缘上、下端设有测压孔(11)，测压孔(11)通过测压管连接差压传感器(12)；流量计(8)的一端通过抽吸气流管道(7)连接抽吸口(15)，另一端通过管道连接抽吸风机(9)，抽吸风机(9)通过动力电缆连接变频调速器(14)；变频调速器(14)、差压传感器(12)、流量计(8)分别通过信号电缆连接PLC控制器(13)。
2.根据权利要求1所述的汽车风洞的水平抽吸系统，其特征在于抽吸口(15)的前缘为半椭圆弧或锐缘之一种。
3.一种如权利要求1所述的汽车风洞的水平抽吸系统的抽吸控制方法，其特征在于具体步骤如下(1)被测气流进入风洞试验段前形成的边界层，通过水平抽吸系统进入试验段下游的第一扩散段内，在实验车辆前方形成均匀的垂直风速剖面，在车辆风洞喷口出口下方开设水平抽吸槽，形成抽吸口，抽吸口位于喷口出口内侧Lex，抽吸口的高度为Hsc；选择不同抽吸口密封，调节抽吸口开度；抽吸口的高度Hsc为边界层的厚度0-1倍，对于整车风洞，Lex为0～200mm；(2)标定压差-试验风速、流量-试验风速和转速-试验风速三条抽吸系统运行控制曲线对每一个抽吸口开度，制定试验风速点，风速从5m/s到Umax，各点试验风速步差为2～5m/s，对于整车风洞，Umax为60～70m/s；对每个试验风速点，分别调节抽吸风机的转速和流量计的流量，并通过差压传感器检测抽吸口前缘上、下测压孔的压差ΔP12，ΔP12＝P1-P2，至ΔP12为某一证明气流平行的基准值，记录ΔP12某一证明气流平行的基准值时的抽吸风机转速n、流量Q，ΔP12为上下测压孔的压差，P1为上测压孔的压力，P2为下测压孔的压力；对选取不同试验风速点的压差、转速和流量测量，建立压差-试验风速、流量-试验风速和转速-试验风速三条抽吸系统运行控制曲线；不同开度的运行曲线数据用表格数据库形式存于PLC控制器内，供运行控制调用；(3)运行控制安装需要的抽吸口密封，固定水平抽吸口开度；调用相应的开度抽吸风机转速-风洞试验风速曲线数据表，采用变频调速器设定抽吸风机转速，并运行水平抽吸系统；如果风洞试验风速不在标定风速点上，采用前后标定点插值确定；测量实际抽吸流量和实际抽吸口前缘上、下表面压差，将其与步骤(2)中得到的标定曲线数据比较，在＜1％误差允许范围内系统正常运行；超出1％允许误差时，通过增大或者减小抽吸风机转速修正，直到抽吸口前缘上、下表面压差和流量误差均在允许范围内。
全文摘要
本发明属于空气动力学和车辆工程技术领域，具体涉及一种汽车风洞的水平抽吸系统及抽吸控制方法。水平抽吸系统，由风洞喷口、抽吸口密封、水平抽吸槽、抽吸气流管道、流量计、抽吸风机、差压传感器、PLC控制器和变频调速器组成，风洞喷口出口下方设有抽吸口，其前缘连接抽吸口密封，前缘的上、下端测压孔连接差压传感器；流量计一端联接抽吸口，另一端联接抽吸风机，抽吸风机联接变频调速器；变频调速器、差压传感器、流量计分别联接PLC控制器。本发明将被测气流通过本装置进入试验段的下游扩散段内，实验车辆前方形成风速剖面，选择不同抽吸口密封，调节抽吸口开度；标定压差－试验风速、流量－试验风速和转速－试验风速三条运行控制曲线，将测量实际抽吸流量和实际抽吸口前缘上、下表面压差与标定曲线数据比较，至所测值在允许范围内。本发明可以有效地模拟均匀风速剖面，去除风洞边界层对汽车空气动力学实验的影响，同时克服了基础抽吸或切向射流等传统的边界层控制方法产生的试验段静压力梯度或者气流偏角等负面影响。
文档编号G01M9/00GK1808089SQ200610023920
公开日2006年7月26日 申请日期2006年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者万钢, 庞加斌 申请人:同济大学