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轿车外部后视镜尾流结构的实验研究
摘要：
为了研究轿车外部后视镜的尾迹结构，用热线风速仪和激光多普勒测速仪在雷诺数为200000的下游风洞测量速度场和速度波动频谱。在沿流向的一个垂直面和三个横截面处测量时间平均速度场。尾流初期，沿反射镜的外壳上边缘和下边缘产生交替涡旋。并在下游发现涡状包小旋涡,可观察到1.2倍镜面垂向宽度的回流区。在对横截面处速度进行动态测量时，均方根脉动速度峰值出现在后视镜顶端边缘附近，其原因是在顶端边缘产生大量的涡面。相应的表征后视镜尾涡边界的偏度和峰度系数明显偏离高斯分布。在横截面上得到的尾涡频谱特性表明，大部分涡面的频率小于50赫兹，且涡面能量的峰值出现在后视镜外壳的外侧边缘附近。
关键词：外后视镜；尾流结构；涡面；风洞实验；热线风速仪；激光多普勒测速仪
1.引言
外部后视镜附着在车辆的帆区或车门上，并且现有的大多数后视镜具有复杂的三维壳体几何形状。这些镜子外壳产生的不同尾流模式，取决于绕车身的前部包括引擎盖、翼子板和挡风玻璃的气体流动。通常，这些模式易产生不利的气动问题,如镜表面和内部的振动和噪声。此外，突出车身的后视镜也增加了车辆阻力。因此，对某轿车外部后视镜进行了实验和数值研究，以找到减少这些不期望产生问题的方法。
由于转向用材成本高，现代商用车辆的挡风玻璃表面平顺光滑转向侧窗受到限制。在侧流区域，由于A柱的作用，沿挡风玻璃表面切线方向的流动将沿边缘分离。当分离流进入主流区，然后绕柱体形成一个锥形面。此面在侧窗处诱导产生一个非常低的压力区域，而在侧窗的相邻部位则导致高压区。小野等人采用油膜实验有效地证明这种绕A柱和侧窗的流场结构。因为在侧窗处产生这样一种复杂的流动状态，所以后视镜通常安装在靠近门的铰链处，以保证司机的视野开阔。但在这个位置的局部流动速度还是会因车辆急转弯而产生不可预期的加速，使得后视镜后面的尾流更复杂。
绕流外部后视镜的尾流结构已被广泛研究。2008年基姆等人研究表明，沿主流以及其位于靠近镜表面的倾斜区域的中心形成卷弧，这个卷弧类似于由固定翼产生的斜丝。该报告还表明，当这种卷弧移动到车身表面时，由于车身框架的影响而发生突变，并产生干扰噪声。2008年Khalighi等人证明，后视镜尾流结构特点如同镜子的几何形状一样独特。然而，它被观察到，通常在靠近单个后视镜内部的尾流速度分布有衰减现象。同时，靠近后视镜外壳的局部主流却被加速。
外部后视镜常见的问题是镜面的振动。这是由于空气动力学以及机械传动所造成的。机械方面的来源包括发动机的转动不平衡和道路粗糙度，其影响方式是以振动的形式传递到与后视镜相结合的底座。主要的空气动力源是绕后视镜罩的卡门周期涡流和绕A柱涡。1999年沃特金斯和奥斯瓦尔德发现，即使是一个较小的绕镜面水平或垂直轴的旋转都可能会导致镜面振动。他们用加速度计测量镜表面处的旋涡振动，发现当车辆有一个负的偏航角（此时后视镜相对于车辆行驶的方向处于迎风状态），镜面处的旋涡产生的振动会大大增加。2007年Jaitlee等人对底座压力波动进行了实验，结果表明，脉动压力的最大值出现在镜面底部的中心区域，且镜面表面上的脉动压力分布不均匀。为了减小脉动压力，他们扩展外部后视镜的外周。由于改变镜表面跨向的底座压力分布，使得底座压力波动幅度大大降低。
由外部后视镜产生的固有噪声也是一个典型的问题，特别是在高速行驶时影响驾乘者的舒适性。在过去的十年中，许多有关这个声学问题的研究已被报道。2007年劳恩斯伯里等人的报告表明，后视镜固有噪声的声音听起来像尖锐的哨声从后视镜外壳辐射出来。他们断定是由于后视镜外壳表面的湍流边界层的过渡不完全，使得后视镜外壳后缘压力波迅速地改变了流动模式，导致尖锐的哨声。他们还断言，当车辆相对于主流方向处于负偏航角时，尖锐的噪声很容易被检测到。1999年沃特金斯和奥斯瓦尔德表明，尖锐的噪声是由于绕A柱涡漩相当大的改变和湍流强度增加而造成的。2004年Dolek等人揭示固有噪声是由底座产生的。安装于帆板处镜面底座的影响转向附近沿车身的流动，最终在后视镜外壳下端形成圆盘状流。其结果是强烈的涡旋引起的车身框架内剪切层的不稳定。1999年小野等人提出了通过侧窗压力波动，由外部后视镜与A柱的辐射产生的风噪声。采用Lighthill声学类比法对侧窗压力波进行计算。2009年陈等人证明了由一个后视镜产生的风噪声的特性。他们的研究发现导致最大噪声的压力波处于一个高度分离的流动区域内。
以前大多数对一辆轿车外部后视镜研究的重点是镜表面振动和由镜外壳产生的噪声。然而，涡旋和周期性的尾流结构仍需要进一步详细研究。在这项研究中，为了观察后视镜的尾流结构，在雷诺数为200000的条件下，通过采用热线风速仪和二维激光多普勒测速仪，测量了沿流动方向的外部后视镜横截面的速度场。此外，为了研究尾涡的周期性，用热线风速仪和动态信号分析仪测量了主涡面频率以及相应横截面处的能量。这些结果被用来评估出现在后视镜周围的涡流特性和由后视镜辐射的固有噪声。
2.实验描述
2.1风洞
一个开式风洞被用来产生绕轿车外部后视镜实型的平行流，其最大风速可以达到30米/秒。风洞有一个长方形的测试部分，其尺寸为0.9米宽，0.7米高，风道长3.5米。为了观察外部后视镜周围的尾流特性，测试段的一侧壁面采用带后视镜的实车车门。为了诱导绕后视镜体的真实流动，车身尽可能暴露在风洞试验段。根据在该测试段的车身部分的迎风面积，其堵塞率约为25%。为了防止该模型的堵塞效应，在试验段的另一侧壁上设置了用于标定的狭缝壁以建立动力相似。因此，从风洞试验段的入口处到出口处沿流动方向时间平均速度只有约1米/秒的变化，这个速度的变化小于流入速度的4%。该试验段覆盖了几乎被测试汽车的整个长度。此外，在试验段上游的湍流强度小于1%。所有的测量都是在Re=200000的条件下进行的，相应的入流速度是25m/s。
与典型的实验结果相比，柱体的涡线几乎不接近柱体，意味绕柱体的涡旋强度没有实际情况强烈。这是因为车身蒙皮暴露在试验区的有限。但由于镜子位置靠近柱座，在这个位置柱涡开始形成，而且安装得离车门皮有相当大的距离，它的尾部处于柱涡极小的影响区域内。
2.2后视镜模型
试验车的外部后视镜是一个典型的设计，并靠近车身的帆区域。虽然为了消除任何缝隙的风噪声，现有的大多数后视镜有一体式外壳，但本实验采用的后视镜的外壳有由两片壳体相接，由此后视镜上形成有槽缝。此外，测试镜颈部也有槽缝，这是由于与帆区域连接而造成的。如图1所示，可以观察到这镜子模型的一个很明显的特点，当将油膜应用在外壳前部时。外壳表面流的可视化表明，滞止或鞍点位于远离外壳前部，而后视镜外壳靠近安装区域。所有的流线发生偏离，在外壳边缘形成较粗分离线。但注意到，分离线基本上是在边缘线边缘形成，表明沿边缘存在不利的压强区域。另一个特点是，对于主流的方向，后视镜外壳纬度线的弯曲曲率比镜子外壳经度线的弯曲曲率要大，如图2纵横截面所示。后视镜的中部跨度为120 mm，后面定义为特征长度为d。
图1镜外壳表面流动可视化 图2 水平（左）纵（右）剖面图
2.3热线风速仪
在三个横截平面x/d=0.7，1.4，2.8处，用常规单丝热线风速仪和X型交叉热线测量后视镜尾流的运动性能。正如如图3所示，采用恒温风速仪获得每个横截面上的160个测量点的信号电压。每个横截面上的网格尺寸为20mm。恒温风速仪的过热比为1.6以减小截面上各测点温度的变化。为了获得独立的样本数据，使用一个16位模数转换器（A/D）获得电压信号采样频率为6 Hz（x/d=0.7面），9赫兹（x/d=1.4面）和10赫兹（x/d=2.8面）。在每个测量网格点采集500个样本。1989年乔治等人提出使用四阶多项式校正公式将该信号被转换为速度值。通过测量流动方向的速度，均方根速度脉动（第二刻）计算公式如下：
图3用于统计和光谱测量网格点示意图
（1）
为了计算高一阶的瞬态速度，例如，偏度（第三刻）和峰度因子（第四刻），以下标准关系被应用：
（2）
（3）
常规单丝热线风速仪也被用来测量主导频率和同一横截面上涡旋的能量，这些数据都是用来对运动状态进行测量。使用动态信号分析仪监测热丝在主导频率范围内的输出信号。在具有1600条分辨率的0 - 3200赫兹范围内，所有频谱测量20次，并进行平均运算。
采用1984年Yavuzkur提出的方法，对测得的单丝数据的不确定性进行估计，用动态信号分析仪监测了被测速度的所有随机性，包括校准的不确定性。由于数字化的不确定性和风洞速度的不确定性。在这项研究中，假定的环境压力和温度没有改变。在横截平面x / d=0.7处，主流时间平均速度的最大不确定性为3.4%。并在下游相应的其他两个面的不确定性小于此值。在x / d=2.8截面处，均方根脉动速度，偏度和峰度系数的最大不确定性，分别估计为10.2%， 15.6%，20.8%。
采用一种X形热丝测量得到x / d=0.7，1.4，2.8处横截面的速度矢量场，同时得到每个垂直平面上的658个测量点的电压信号。测点的布置采用了一种适宜X形热丝的较好的10mm大小的测点网格尺寸。在每一个测点上，采用双校正数据将十字热丝电压信号转换为速度。转换过程采用了与单热丝情况相同的方法。断面速度时间平均值的最大不确定性估计为5.44%（在x / d=0.7的横截面）。相应下游的另外两个平面，这个估计值小于5.44%，正如单热丝的情况。另外，为了揭示涡旋强度，采用下面的公式计算了流动方向的速度。
（4）
2.4二维激光多普勒测速仪
因为热线无法测量负速度，所以用带一个4瓦的氩离子激光光源的二维激光多普勒测速仪，测量后视镜跨向中心后部，沿垂直流向平面的速度场。借助沿三个正交方向转动整个光谱带移动测量体。通过蒸发矿物油成浓雾而产生用于测量速度的跟踪颗粒。满足这种作用的颗粒粒径是足够小到能够最小化颗粒轨迹误差。特别是在涡旋强度的计算过程中。在后视镜前面，这些颗粒被由入流（该入流是为避免流动污染而引入的）而诱导的自然对流携带进入。
在17行和15列（从x/d=0.1到x/d=1.4）测量速度，由此得到了558个测量点。测量网格大小为5mm，数据记录的时间持续了15秒获得足够数量的颗粒数。所有测量按照模型进行。使用以下方程计算沿跨度方向的涡度：
（5）
图4显示了实验装置和仪器的俯视图。
图4.实验设置与仪器仪表的俯视图
3. 结果与讨论
3.1后视镜尾部速度场特性
使用激光多普勒测速仪测量了后视镜跨度方向中心后部垂直流向截面的速度场。图5显示了一个时间平均流速矢量场和沿流动方向横截面的等涡度线。正如可以从一个球体尾涡（Jang和Lee, 2008）研究预测的，沿后视镜罩上、下边界可观察到大尺度交替涡。这表明存在由后视镜外壳表面脱落所产生的交替涡旋，这些涡旋可以产生固有噪声。
图5.时间平均和流向平面线速度矢量场
由于后视镜外壳形状关于水平中间平面不对称，交替中心也出现在不对称的位置，分别为（x / d，z / d）=（0.32，0.38）和（x/d，z/d）=（0.22，0.47）。此外，直到下游位置x /d=1.2处才可观察到回流区。2008年Khalighi等人报道了，对于两个后视镜，当入流速度为30m/s时，回流区域处于x/d=1.1–1.6范围内。基于这些尾迹测量，甚至针对后视镜外壳的各种前端形状，在这些速度条件下，回流区域似乎出现在下游x/d=1.0以外的位置。
用X形热丝测得在三个不同横截面x/d=0.7，1.4和2.8处的速度矢量场。图6描述了在这些横截面上的时间平均速度矢量场和等涡度线。在横截面x/d=0.7处，速度矢量从各方向指向后视镜中心尾迹区。这说明了在近尾迹处的后视镜内形成了大量负压力的原因。然后在下游，当负压区移动时，速度矢量逐渐靠近车身，如图中x/d=1.4位置处的情况，最后形成一个大涡旋如图中x/d=2.8处所示。这一系列速度场表明，当流体向下流动时，大尺度涡旋发展形成涡管，其旋转轴平行主流流向。根据基姆等人的研究结果。这种涡包撞到车身侧窗时会发生破裂，产生涡体骨架相互作用噪声。但2008年基姆等针对这个实验范围，在下游处，其涡包中心位置没有改变太多，没有观察到涡体框架相互作用而产生的噪声。
由速度矢量得到的涡度等高线显示了后视镜尾部的旋涡强度和位置。在x / d=0.7的表面，沿后视镜外壳边缘分布有强烈的涡旋分布。早期的研究认为这种情况发生在后视镜边缘、上、下表面和盛行的卡门交替涡旋，而卡门涡导致涡旋减弱，因为其旋转轴沿跨度方向倾斜。此外，它也强烈地表明涡包的发展是在一沿主流轴方向的远离尾部的截面。再次注意到最大涡度的位置逐渐移向车体框架和在远下游区消散。
图6.时间平均速度矢量场和横截面等涡线：(a) x/d=0.7；(b) x/d=1.4；(c) x/d=2.8
图7.轿车外部后视镜的涡旋系统：(a)交替涡旋；(b)旋流状叶尖涡旋
2008年基姆等人基于其他后视镜实验观测和以上研究的结果。从这个实验中，得出对后视镜尾部流动特性示意图如图7。如图7(a)，交替涡旋一般是在一个特定的时间间隔，由后视镜外壳发出，这意味着在一个回流区交替涡旋可以是镜面振动和固有噪声源。一个涡旋，像翼尖涡，在远离后视镜尾部的位置，如图7(b)所
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