1、前言 隨著高速公路的蓬勃發(fā)展，汽車車速不斷提高，汽車氣動阻力對燃油消耗的影響日益凸現(xiàn)出來。氣動阻力的85%是壓差阻力，同時(shí)壓差阻力91%來自汽車尾部（其值隨車身長短不同而異）；而汽車尾流結(jié)構(gòu)對汽車空氣動力特性具有決定性影響。為此，進(jìn)行汽車尾流速度測量，搞清尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善汽車空氣動力特性對開發(fā)低阻力汽車，降低汽車燃油消耗有重要意義。 在進(jìn)行尾流試驗(yàn)研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測試儀器是功能固定且封裝好的，專用于某項(xiàng)具體試驗(yàn)或任務(wù)，且價(jià)格昂貴。開發(fā)測試系統(tǒng)時(shí)，對設(shè)計(jì)人員的要求非常高：要求掌握測試儀器底層硬件知識，必須有廣泛的計(jì)算機(jī)編程知識，并能編寫硬件的驅(qū)動程序。從而導(dǎo)致了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)開發(fā)周期長、靈活性很差。為了縮短速度測試系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，并方便以后用戶對其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級，在熱線風(fēng)速計(jì)的基礎(chǔ)上，我們引入虛擬儀器的概念，為汽車尾流速度測量開發(fā)出專用的虛擬儀器系統(tǒng)。 2、熱線風(fēng)速計(jì) 熱線風(fēng)速計(jì)的出現(xiàn)是流體力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步的新突破。它使汽車空氣動力學(xué)試驗(yàn)研究獲得了研究非定常流特別是湍流的有力工具。盡管20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)了激光測速技術(shù)，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)測量湍流參量時(shí)，激光測速常因丟失粒子信號而導(dǎo)致測量結(jié)果不可靠，并且由于激光測速儀價(jià)格和維持費(fèi)用昂貴，在湍流場研究的應(yīng)用范圍上遠(yuǎn)不如熱線技術(shù)廣泛。今后熱線技術(shù)仍將是汽車湍流，特別是汽車尾流場速度測量的主要手段。 對不可壓縮氣流強(qiáng)迫對流傳熱而言，Nu 數(shù)僅與雷諾數(shù)和熱線的物理和工作狀態(tài)有關(guān)。為了方便起見，用熱線風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速U 時(shí)我們通常采用如下公式： n 值隨Re 的變化而變化，試驗(yàn)測得的指數(shù)n = 0.45～0.51。式中， Rw 、Rg 是熱線工作電阻和氣流電阻常數(shù)，I 是熱線電流。系數(shù)A 和B 由試驗(yàn)確定。 在熱線恒溫工作時(shí)，熱線的熱電阻Rw =常數(shù)。因 IRw = e，故可把（1）式改寫成 式中，e 為與風(fēng)速U 相對應(yīng)的熱線電路輸出電壓值。 3、虛擬儀器的概念 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語言，利用功能圖標(biāo)來創(chuàng)建應(yīng)用程序，也即創(chuàng)建虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）。虛擬儀器即是其操作和外觀均仿照示波器或萬用表等物理儀器并實(shí)現(xiàn)同樣功能的程序軟件。在基于文本語句的編程語言中指令語句決定了程序執(zhí)行；在LabVIEW 中由數(shù)據(jù)流決定程序的執(zhí)行，編程時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行編程。 論文在LabVIEW 平臺上開發(fā)了汽車尾流速度測量虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測速校準(zhǔn)和測速兩個(gè)子系統(tǒng)。 4、熱線測速校準(zhǔn)子系統(tǒng) 汽車外流場屬于不可壓的連續(xù)流動，熱線測速的靜態(tài)校準(zhǔn)方程的表達(dá)式采用式（2）。在熱線測速校準(zhǔn)子系統(tǒng)中，我們將n 作為變量對待，因而也就不必用專門的線化器硬件來線性化熱線的輸出電壓。我們直接通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)：連續(xù)變換n 的值進(jìn)行不同的指數(shù)擬合，并用擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的均方誤差（mse）大小來判斷擬合質(zhì)量的優(yōu)劣。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)越性：開發(fā)過程簡便，節(jié)省時(shí)間和開支。 4.1 子系統(tǒng)硬件構(gòu)成 熱線測速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1，由圖可知，硬件結(jié)構(gòu)為兩部分：一部分是熱線風(fēng)速計(jì)電路， 產(chǎn)生熱線電路輸出電壓e；另一部分是皮托管部分，產(chǎn)生相應(yīng)的壓差（動壓）的電信號Ep。 本文熱線測速時(shí)采用恒溫式熱線風(fēng)速計(jì)（CTA）基本電路，電路形式為反饋電路。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)連接完畢，并接通電源后，惠斯通電橋達(dá)到平衡。當(dāng)氣流速度加大時(shí)，熱線與周圍流體的熱交換增加，熱線就會變冷，結(jié)果電阻減小。根據(jù)前面論述的恒溫式熱線風(fēng)速計(jì)的工作原理，輸出電壓將增加。反之，輸出電壓將減小。輸出電壓數(shù)時(shí)間的變化波形通過示波器顯示，而具體數(shù)值通過數(shù)字萬用表顯示。同時(shí)，通過A/D 板將此輸出電壓e 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡讀入VI 系統(tǒng)。另外，靜壓皮托管的壓差電信號Ep 也同時(shí)被采集卡讀入VI 系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集完全由虛擬儀器軟件控制。 4.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構(gòu)成 熱線風(fēng)速計(jì)測速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的軟件構(gòu)成和用戶界面分別如圖2、3。 該測速校準(zhǔn)系統(tǒng)能完成以下功能： （1）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可設(shè)置信號增益放大倍數(shù)、采樣頻率、信號掃描次數(shù)、以及被測量信號的上限與下限等。在計(jì)算機(jī)不溢出的條件下可任意改變測量虛擬儀器的測量信號的范圍，這點(diǎn)是傳統(tǒng)測試儀器望塵莫及的。 （2）進(jìn)行環(huán)境變量初始化，包括大氣壓和溫度的初始化。通過給定的大氣壓和溫度等初始條件，系統(tǒng)還可算出試驗(yàn)當(dāng)時(shí)風(fēng)洞中空氣的密度與空氣濕度。 （3）進(jìn)行待測信號實(shí)時(shí)顯示，包括皮托管壓力差對應(yīng)的電信號與熱線風(fēng)速儀的輸出電壓信號顯示。這些任務(wù)由虛擬儀器中的圖像指示器（Indicator）來完成，其功能與實(shí)際示波器相同。根據(jù)信號顯示我們可以知道待測信號的變化何時(shí)劇烈、何時(shí)穩(wěn)定，并根據(jù)需要進(jìn)行采樣控制。但是，示波器的顯示范圍很受限制，不如圖像指示計(jì)靈活。虛擬儀器中的圖像指示計(jì)的顯示范圍可根據(jù)需要進(jìn)行任意設(shè)置，條件是計(jì)算機(jī)不溢出。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活性，調(diào)整升級的方便性。 （4）數(shù)據(jù)采集和存儲的控制。 （5）數(shù)據(jù)處理。 數(shù)據(jù)包括兩部分： （1）初步處理 根據(jù)壓差電信號與壓差之間的已知關(guān)系，首先將電信號變成壓差值，然后根據(jù)壓差與風(fēng)速間的關(guān)系將壓差轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣取? （2）曲線擬合 該曲線擬合功能由一專門的子虛擬儀器（SubVI）完成，如圖4。初步處理的數(shù)據(jù)U 和熱線輸出電壓作為曲線擬合VI 的數(shù)據(jù)輸入。然后根據(jù)King 指數(shù)定律，即采用公式（2）進(jìn)行指數(shù)曲線擬合，求出A，B，n，典型的擬合曲線結(jié)果如圖5。曲線擬合VI 中，還進(jìn)行了最優(yōu)多項(xiàng)式擬合。通過兩種擬合方法的比較可知，King 的指數(shù)定律的曲線擬合誤差較小。由校準(zhǔn)系統(tǒng)得到的結(jié)果，即系數(shù)A，B，n 的值可通過文件I/O存儲到硬盤里或其他存儲設(shè)備上。 5、熱線風(fēng)速計(jì)尾流速度測量子系統(tǒng) 該虛擬儀器子系統(tǒng)調(diào)用熱線測速校準(zhǔn)子系統(tǒng)得到校準(zhǔn)關(guān)系式，熱線風(fēng)速計(jì)就可以進(jìn)行汽車尾流風(fēng)速電信號測量，并經(jīng)虛擬儀器（VI）處理得到風(fēng)速。 5.1 子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 測量子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。 與熱線校準(zhǔn)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的硬件增加了固定熱線探頭的移測架、控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——伺服系統(tǒng)，并且A/D 板還必須是雙向的，即能進(jìn)行A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換。 在進(jìn)行風(fēng)速測量之前，需進(jìn)行風(fēng)洞風(fēng)速的測量，此風(fēng)速由靜壓皮托管風(fēng)速計(jì)完成（如圖6 右邊虛線框部分）。皮托管應(yīng)放在試驗(yàn)段遠(yuǎn)離轎車模型的上游，以保證此處的流場未受到試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@流場的干擾。 A/D 板將虛擬儀器發(fā)出的x，y，z 坐標(biāo)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并通過通道3（ch3）發(fā)送給伺服器，觸發(fā)驅(qū)動器驅(qū)動移測架移至測量位置。此后就可以通過LabVIEW 編寫的虛擬儀器程序控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量。 5.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構(gòu)成 熱線風(fēng)速測量系統(tǒng)VI 部分構(gòu)成及其用戶界面如圖7、圖8。 該測速系統(tǒng)能完成以下功能： （1）數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置，與校準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置相同。 （2）試驗(yàn)環(huán)境變量初始化，除了校準(zhǔn)系統(tǒng)的環(huán)境變量初始化外，還需給定熱線風(fēng)速計(jì)的熱線探針?biāo)鶓?yīng)測量的位置（x，y，z）。 （3）測量風(fēng)洞風(fēng)速，也即測量風(fēng)洞中試驗(yàn)段流來均勻流場的風(fēng)速。如圖6 中右邊虛線框部分，首先皮托管的壓差由壓差傳感器感應(yīng)到變成電信號經(jīng)A/D 板轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理變?yōu)轱L(fēng)速顯示在面板的指示計(jì)里（V0total，m/s），并暫存在緩存器里，試驗(yàn)完后一并存入存儲器里。數(shù)據(jù)處理時(shí)原理與前面相同。 （4）賦A，B，n 的值，將校準(zhǔn)系統(tǒng)得出的A，B，n 賦給控制矩陣，系統(tǒng)將這三個(gè)系數(shù)帶入擬合函數(shù)，從確定了風(fēng)速與熱線輸出電壓信號間的對應(yīng)關(guān)系。在測速試驗(yàn)過程中，熱線輸出的電壓信號就通過擬合函數(shù)可直接轉(zhuǎn)換成風(fēng)速值。 （5）待測信號的時(shí)間變化顯示。 （6）數(shù)據(jù)采集和存儲的控制。 6、虛擬儀器的試驗(yàn)測試及其結(jié)果 針對某國產(chǎn)轎車的1:10 模型，用本虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行了汽車尾流速度分布試驗(yàn)研究，并與我們先前研究的結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該虛擬儀器的有效性。 6.1 試驗(yàn)內(nèi)容 測量橫截面：試驗(yàn)對4 個(gè)尾流速度測量橫截面進(jìn)行了速度分布測量。本車的模型高為h=126mm，4 個(gè)面距離汽車尾端分別為1h，2h，3h，4h 處，分別對應(yīng)x/h=1，2，3，4。4 個(gè)橫截面位置如圖9 所示。 測點(diǎn)布置：測量剖面分六個(gè)高度，第一高度距地板表面5mm，第一至第五高度尾等間距，間距為35mm。在剖面寬度方面有7 個(gè)測點(diǎn)，間距均為35mm，因而每一剖面共有42 測點(diǎn)。測點(diǎn)布置既考慮到汽車模型正投影面積，又照顧到三維坐標(biāo)移測架的調(diào)節(jié)范圍。 試驗(yàn)風(fēng)速：20m/s。 堵塞比：6%。 6.2 試驗(yàn)結(jié)果 尾流中氣流速度按校正公式，用LabVIEW 虛擬儀器系統(tǒng)測量并處理得到。距汽車尾端x=h，即x/h=1處的尾流測量橫截面內(nèi)各點(diǎn)的速度試驗(yàn)值如表1。進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理后得到該尾流橫截面的速度分布等值線圖，如圖10a。 試驗(yàn)結(jié)果還表明，汽車橫擺角為零度時(shí)，尾流兩側(cè)相對于中心的速度分布具有良好的對稱性。由圖可知，階背式轎車在其尾流橫截面內(nèi)有著相似的速度分布，在行李箱蓋后緣形成兩個(gè)橫向?qū)ΨQ的拖拽渦，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果和先前研究所得的試驗(yàn)結(jié)果均保持一致。 7、結(jié)論 （1）針對傳統(tǒng)儀器的種種特點(diǎn)和弊端，在汽車風(fēng)洞中引入虛擬儀器的概念，開發(fā)了基于熱線風(fēng)速計(jì)的、專門用于汽車尾流測速的虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠方便地進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級。 （2）使用該虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行了某國產(chǎn)轎車的尾流測速試驗(yàn)研究，測試結(jié)果與我們以前的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均保持一致，證明了使用本虛擬儀器進(jìn)行汽車尾流測速是有效且可行的。 （3）應(yīng)用該虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行汽車尾流測速，進(jìn)而研究改善尾流結(jié)構(gòu)的措施，對提高汽車空氣動力特性，開發(fā)低阻力國產(chǎn)汽車，降低汽車燃油消耗有重要意義。