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汽车尾流速度测量的虚拟仪器系统 |
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作者：吉林大学 傅立敏 胡兴军 |
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[摘要] 汽车尾流结构对汽车空气动力特性具有决定性影响。为有效地进行汽车尾流速度测量进而搞清汽车尾流结构特性，在热线风速计基础上，针对传统测试仪器的弊端，引入虚拟仪器的概念，通过LabVIEW 编程，为汽车风洞开发了尾流速度测量虚拟仪器系统。使用该系统进行某国产轿车尾流速度测量试验，所得结果与先前进行的试验研究和数值计算结果均保持一致，证明了系统是有效的。
关键词: 热线风速计 汽车尾流 速度测量 虚拟仪器
1 前言
随着高速公路的蓬勃发展，汽车车速不断提高，汽车气动阻力对燃油消耗的影响日益凸现出来。气动阻力的85%是压差阻力，同时压差阻力91%来自汽车尾部（其值随车身长短不同而异）；而汽车尾流结构对汽车空气动力特性具有决定性影响。为此，进行汽车尾流速度测量，搞清尾流结构进而改善汽车空气动力特性对开发低阻力汽车，降低汽车燃油消耗有重要意义[1]。
在进行尾流试验研究过程中，我们发现传统的测试仪器是功能固定且封装好的，专用于某项具体试验或任务，且价格昂贵。开发测试系统时，对设计人员的要求非常高：要求掌握测试仪器底层硬件知识，必须有广泛的计算机编程知识，并能编写硬件的驱动程序。从而导致了传统测试系统开发周期长、灵活性很差。为了缩短速度测试系统开发时间，并方便以后用户对其进行维护、扩展和升级，在热线风速计的基础上，我们引入虚拟仪器的概念，为汽车尾流速度测量开发出专用的虚拟仪器系统。
2 热线风速计
热线风速计的出现是流体力学试验技术进步的新突破。它使汽车空气动力学试验研究获得了研究非定常流特别是湍流的有力工具。尽管20 世纪60 年代出现了激光测速技术，试验研究发现测量湍流参量时，激光测速常因丢失粒子信号而导致测量结果不可靠[2]，并且由于激光测速仪价格和维持费用昂贵，在湍流场研究的应用范围上远不如热线技术广泛。今后热线技术仍将是汽车湍流，特别是汽车尾流场速度测量的主要手段。
对不可压缩气流强迫对流传热而言，Nu 数仅与雷诺数和热线的物理和工作状态有关[3]。为了方便起见，用热线风速计测量风速U 时我们通常采用如下公式：
n 值随Re 的变化而变化，试验测得的指数n = 0.45~0.51。式中， Rw 、Rg 是热线工作电阻和气流电阻常数，I 是热线电流。系数A 和B 由试验确定。
在热线恒温工作时，热线的热电阻Rw =常数。因 IRw = e，故可把（1）式改写成
式中, e 为与风速U 相对应的热线电路输出电压值。
3 虚拟仪器的概念
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图形化编程语言，利用功能图标来创建应用程序，也即创建虚拟仪器（VI，Virtual Instrument）。虚拟仪器即是其操作和外观均仿照示波器或万用表等物理仪器并实现同样功能的程序软件。在基于文本语句的编程语言中指令语句决定了程序执行；在LabVIEW 中由数据流决定程序的执行，编程时根据数据流进行编程。
论文在LabVIEW 平台上开发了汽车尾流速度测量虚拟仪器系统，该系统包括测速校准和测速两个子系统。
4 热线测速校准子系统
汽车外流场属于不可压的连续流动，热线测速的静态校准方程的表达式采用式（2）。在热线测速校准子系统中，我们将n 作为变量对待，因而也就不必用专门的线化器硬件来线性化热线的输出电压。我们直接通过软件编程来实现：连续变换n 的值进行不同的指数拟合，并用拟合曲线与试验数据之间的均方误差（mse）大小来判断拟合质量的优劣。这也体现了虚拟仪器的优越性：开发过程简便，节省时间和开支。
4.1 子系统硬件构成
热线测速校准子系统的硬件构成如图1，由图可知，硬件结构为两部分：一部分是热线风速计电路， 产生热线电路输出电压e；另一部分是皮托管部分，产生相应的压差（动压）的电信号Ep。
图1 热线测速校准子系统的硬件结构
本文热线测速时采用恒温式热线风速计（CTA）基本电路，电路形式为反馈电路。当整个系统连接完毕，并接通电源后，惠斯通电桥达到平衡。当气流速度加大时，热线与周围流体的热交换增加，热线就会变冷，结果电阻减小。根据前面论述的恒温式热线风速计的工作原理，输出电压将增加。反之，输出电压将减小。输出电压数时间的变化波形通过示波器显示，而具体数值通过数字万用表显示。同时，通过A/D 板将此输出电压e 模拟信号转换成数字信号再经数据采集卡读入VI 系统。另外，静压皮托管的压差电信号Ep 也同时被采集卡读入VI 系统。数据的采集完全由虚拟仪器软件控制。
4.2 子系统虚拟仪器构成
热线风速计测速校准子系统的软件构成和用户界面分别如图2、3。
图2 热线风速计测速校准系统虚拟仪器结构图 图3 热线风速计测速校准系统虚拟仪器用户界面
该测速校准系统能完成以下功能：
（1）进行数据采集参数设置，数据采集系统可设置信号增益放大倍数、采样频率、信号扫描次数、以及被测量信号的上限与下限等。在计算机不溢出的条件下可任意改变测量虚拟仪器的测量信号的范围，这点是传统测试仪器望尘莫及的。
（2）进行环境变量初始化，包括大气压和温度的初始化。通过给定的大气压和温度等初始条件，系统还可算出试验当时风洞中空气的密度与空气湿度。
（3）进行待测信号实时显示，包括皮托管压力差对应的电信号与热线风速仪的输出电压信号显示。这些任务由虚拟仪器中的图像指示器（Indicator）来完成，其功能与实际示波器相同。根据信号显示我们可以知道待测信号的变化何时剧烈、何时稳定，并根据需要进行采样控制。但是，示波器的显示范围很受限制，不如图像指示计灵活。虚拟仪器中的图像指示计的显示范围可根据需要进行任意设置，条件是计算机不溢出。这也体现了虚拟仪器的灵活性，调整升级的方便性。
（4）数据采集和存储的控制。
（5）数据处理。
数据包括两部分：
（1）初步处理
根据压差电信号与压差之间的已知关系，首先将电信号变成压差值，然后根据压差与风速间的关系
将压差转变为速度。
（2）曲线拟合
该曲线拟合功能由一专门的子虚拟仪器（SubVI）完成，如图4。初步处理的数据U 和热线输出电压作为曲线拟合VI 的数据输入。然后根据King 指数定律，即采用公式（2）进行指数曲线拟合，求出A，B，n，典型的拟合曲线结果如图5。曲线拟合VI 中，还进行了最优多项式拟合。通过两种拟合方法的比较可知，King 的指数定律的曲线拟合误差较小。由校准系统得到的结果，即系数A，B，n 的值可通过文件I/O存储到硬盘里或其他存储设备上。
图4 曲线拟合求A，B，n 的子虚拟仪器
图5 试验数据拟合曲线
5 热线风速计尾流速度测量子系统
该虚拟仪器子系统调用热线测速校准子系统得到校准关系式，热线风速计就可以进行汽车尾流风速电信号测量，并经虚拟仪器（VI）处理得到风速。
5.1 子系统的硬件构成
测量子系统的硬件系统结构如图6。
图6 热线风速测量系统硬件组成
与热线校准系统相比，该系统的硬件增加了固定热线探头的移测架、控制系统的执行机构——伺服系统，并且A/D 板还必须是双向的，即能进行A/D 和D/A 转换。
在进行风速测量之前，需进行风洞风速的测量，此风速由静压皮托管风速计完成（如图6 右边虚线框部分）。皮托管应放在试验段远离轿车模型的上游，以保证此处的流场未受到试验模型绕流场的干扰。
A/D 板将虚拟仪器发出的x，y，z 坐标数字信号转换成模拟信号，并通过通道3（ch3）发送给伺服器，触发驱动器驱动移测架移至测量位置。此后就可以通过LabVIEW 编写的虚拟仪器程序控制进行数据的测量。
5.2 子系统虚拟仪器构成
热线风速测量系统VI 部分构成及其用户界面如图7、图8。
图7 热线风速测量系统VI 结构图 图8 热线风速测量系统的用户界面
该测速系统能完成以下功能：
（1）数据采集的参数设置，与校准系统参数设置相同。
（2）试验环境变量初始化，除了校准系统的环境变量初始化外，还需给定热线风速计的热线探针所应测量的位置（x，y，z）。
（3）测量风洞风速，也即测量风洞中试验段流来均匀流场的风速。如图6 中右边虚线框部分，首先皮托管的压差由压差传感器感应到变成电信号经A/D 板转换后，由数据处理系统处理变为风速显示在面板的指示计里（V0total，m/s），并暂存在缓存器里，试验完后一并存入存储器里。数据处理时原理与前面相同。
（4）赋A，B，n 的值，将校准系统得出的A，B，n 赋给控制矩阵，系统将这三个系数带入拟合函数，从确定了风速与热线输出电压信号间的对应关系。在测速试验过程中，热线输出的电压信号就通过拟合函数可直接转换成风速值。
（5）待测信号的时间变化显示。
（6）数据采集和存储的控制。
6 虚拟仪器的试验测试及其结果
针对某国产轿车的1:10 模型，用本虚拟仪器系统进行了汽车尾流速度分布试验研究，并与我们先前研究的结果进行比较，以验证该虚拟仪器的有效性。
6.1 试验内容
测量横截面：试验对4 个尾流速度测量横截面进行了速度分布测量。本车的模型高为h=126mm，4 个面距离汽车尾端分别为1h，2h，3h，4h 处，分别对应x/h=1，2，3，4。4 个横截面位置如图9 所示。
图9 4个测量剖面的位置图
测点布置：测量剖面分六个高度，第一高度距地板表面5mm，第一至第五高度尾等间距，间距为35mm。在剖面宽度方面有7 个测点，间距均为35mm，因而每一剖面共有42 测点。测点布置既考虑到汽车模型正投影面积，又照顾到三维坐标移测架的调节范围[3]。
试验风速：20m/s。
堵塞比：6%。
6.2 试验结果表1 虚拟仪器系统测得的速度结果
 尾流中气流速度按校正公式，用LabVIEW 虚拟仪器系统测量并处理得到。距汽车尾端x=h，即x/h=1
处的尾流测量横截面内各点的速度试验值如表1。进一步数据处理后得到该尾流横截面的速度分布等值线
图，如图10a。
a）x/h=1 尾流截面 b x/h=2 尾流截面 c）x/h=3 尾流截面 d）x/h=4 尾流截面
图10 4个尾流横截截面内的速度分布图
试验结果还表明，汽车横摆角为零度时，尾流两侧相对于中心的速度分布具有良好的对称性。由图可知，阶背式轿车在其尾流横截面内有着相似的速度分布，在行李箱盖后缘形成两个横向对称的拖拽涡，与数值计算结果[4]和先前研究所得的试验结果[5]均保持一致。
7 结论
（1）针对传统仪器的种种特点和弊端，在汽车风洞中引入虚拟仪器的概念，开发了基于热线风速计的、专门用于汽车尾流测速的虚拟仪器系统，该系统能够方便地进行维护、扩展和升级。
（2）使用该虚拟仪器系统进行了某国产轿车的尾流测速试验研究，测试结果与我们以前的数值计算结果和试验结果均保持一致，证明了使用本虚拟仪器进行汽车尾流测速是有效且可行的。
（3）应用该虚拟仪器系统进行汽车尾流测速，进而研究改善尾流结构的措施，对提高汽车空气动力特性，开发低阻力国产汽车，降低汽车燃油消耗有重要意义。
参考文献
1 傅立敏. 汽车空气动力学.北京:机械工业出版社, 1998
2 魏中磊. 热线风速以及其探针的发展以及在湍流实验研究上的贡献.湍流理论新进展及其应用. 上海 : 上海大学出版社，2000
3 H.H.Bruun. Hot-Wire Anemometry Principles and Signal Analysis. Oxford University Press, 1999
4 傅立敏. 汽车三维分离流动特性的数值计算研究. 汽车工程，2000 年
5 FU Li-min. Numerical Study of Separated Flow around Rear of Road Vehicle . 2000 FISITA, Jun 2000(end)
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(5/8/2005) |
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