汽車工業(yè)領(lǐng)域，空氣動(dòng)力學(xué)性能直接影響車輛安全、操控與能耗。桌面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可定位高效型預(yù)備實(shí)驗(yàn)，加速實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行初期創(chuàng)意方案篩選與迭代。

汽車行駛時(shí)，空氣流經(jīng)車身，在尾部區(qū)域，極易發(fā)生氣流分離，形成復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu)，這些渦流是影響車輛氣動(dòng)阻力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。桌面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)芤暂^小的物理尺度和可控的風(fēng)速條件，復(fù)現(xiàn)車尾渦流現(xiàn)象，觀測(cè)不同風(fēng)速下的尾部煙流的形態(tài)變化，并利用PIV流場(chǎng)測(cè)量軟件獲取精確的瞬時(shí)速度場(chǎng)信息，定量分析尾部渦流的尺度、強(qiáng)度和演化規(guī)律。

1）桌面風(fēng)洞，用于提供穩(wěn)定可調(diào)的氣流。

2）3D打印的1：64比例小車模型。

3）千眼狼PIV高速攝像機(jī)，2560×1920 @2000fps，用于捕捉示蹤粒子運(yùn)動(dòng)圖像。

4）激光片光源，用于照亮模型尾部區(qū)域的測(cè)量平面。

5）PIV流場(chǎng)測(cè)量軟件，計(jì)算測(cè)量平面內(nèi)二維瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)。

1）設(shè)定目標(biāo)風(fēng)速并穩(wěn)定風(fēng)洞氣流。

2）啟動(dòng)煙流發(fā)生器，觀察并記錄尾部煙流形態(tài)。

3）開啟激光片光源，照亮小車尾測(cè)量平面。

4）使用千眼狼Revealer高速攝像機(jī)拍攝粒子圖像序列。

5）利用PIV流場(chǎng)測(cè)量軟件執(zhí)行互相關(guān)計(jì)算，生成速度矢量場(chǎng)、渦量場(chǎng)、流線圖等可視化結(jié)果。

1）等效風(fēng)速120km/h下：

高速攝像機(jī)視角下的煙流平滑地包裹車身，在尾部形成相對(duì)穩(wěn)定、尺度較小的對(duì)稱渦旋結(jié)構(gòu)，氣流分離點(diǎn)靠近車尾末端，如圖1(上)。經(jīng)PIV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量速度矢量場(chǎng)，顯示尾部存在一堆清晰、對(duì)稱的回流區(qū)，渦量場(chǎng)計(jì)算確認(rèn)渦旋強(qiáng)度適中且相對(duì)穩(wěn)定，如圖2(左)。對(duì)汽車設(shè)計(jì)優(yōu)化啟示如車尾輪廓的優(yōu)化，減小低壓渦旋區(qū)的面積，提高車輛表面光滑度如隱藏式把手設(shè)計(jì)等，降低空氣阻力，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1

圖2

2）等效風(fēng)速300km/h下，高速攝像機(jī)視角下的煙流在車尾呈現(xiàn)劇烈的紊亂和擴(kuò)散，尾部渦旋尺度明顯增大，對(duì)稱性減弱，出現(xiàn)擺動(dòng)甚至周期性脫落跡象，如圖1(下)。

經(jīng)PIV流場(chǎng)測(cè)量軟件分析，速度矢量場(chǎng)顯示尾部流場(chǎng)出現(xiàn)大尺度、高強(qiáng)度的渦旋，矢量流線扭曲嚴(yán)重，如圖2(右)。對(duì)汽車設(shè)計(jì)優(yōu)化的啟示如增加地面效應(yīng)組件、擴(kuò)散器以及渦流發(fā)生器等空氣動(dòng)力學(xué)套件，使高速行駛獲得更大的向下壓力。

桌面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可視化展示了小車模型在120km/h和300km/h風(fēng)速下的車尾煙霧及渦流現(xiàn)象。結(jié)合PIV測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜渦流結(jié)構(gòu)定量分析，一定程度可為后續(xù)工程級(jí)別實(shí)驗(yàn)并深入理解汽車空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。

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