1 前言

氣動(dòng)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(zhǎng)短不同而異）葫柴；而汽車尾流結(jié)構(gòu)對(duì)汽車空氣動(dòng)力特性具有決定性影響。隨著高速公路的蓬勃發(fā)展狠浮，汽車車速不斷提高舍辐，汽車氣動(dòng)阻力對(duì)燃油消耗的影響日益凸現(xiàn)出來。為此门冷，進(jìn)行汽車尾流速度測(cè)量茬燃，搞清尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)開發(fā)低阻力汽車，降低汽車燃油消耗有重要意義[1]叮凸。

在進(jìn)行尾流試驗(yàn)研究過程中兵罢，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測(cè)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)滓窍，且價(jià)格昂貴卖词。開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求非常高：要求掌握測(cè)試儀器底層硬件知識(shí)吏夯，必須有廣泛的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)此蜈，并能編寫硬件的驅(qū)動(dòng)程序。從而導(dǎo)致了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)噪生、靈活性很差裆赵。為了縮短速度測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，并方便以后用戶對(duì)其進(jìn)行維護(hù)跺嗽、擴(kuò)展和升級(jí)顾瞪，在熱線風(fēng)速計(jì)的基礎(chǔ)上，我們引入虛擬儀器的概念抛蚁，為汽車尾流速度測(cè)量開發(fā)出專用的虛擬儀器系統(tǒng)陈醒。

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(dòng)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(cè)速技術(shù)钉跷，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)測(cè)量湍流參量時(shí)告岸，激光測(cè)速常因丟失粒子信號(hào)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可靠[2]，并且由于激光測(cè)速儀價(jià)格和維持費(fèi)用昂貴册榔，在湍流場(chǎng)研究的應(yīng)用范圍上遠(yuǎn)不如熱線技術(shù)廣泛指模。今后熱線技術(shù)仍將是汽車湍流，特別是汽車尾流場(chǎng)速度測(cè)量的主要手段瘤薪。

對(duì)不可壓縮氣流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱而言枝玩，Nu 數(shù)僅與雷諾數(shù)和熱線的物理和工作狀態(tài)有關(guān)[3]惠翼。為了方便起見漏匹，用熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速U 時(shí)我們通常采用如下公式：

n 值隨Re 的變化而變化零如，試驗(yàn)測(cè)得的指數(shù)n = 0.45~0.51俺陋。式中， Rw 糕再、Rg 是熱線工作電阻和氣流電阻常數(shù)达快，I 是熱線電流顶食。系數(shù)A 和B 由試驗(yàn)確定择常。

在熱線恒溫工作時(shí)堰怜，熱線的熱電阻Rw =常數(shù)。因 IRw = e滋戳，故可把（1）式改寫成

式中, e 為與風(fēng)速U 相對(duì)應(yīng)的熱線電路輸出電壓值钻蔑。

3 虛擬儀器的概念

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語(yǔ)言，利用功能圖標(biāo)來創(chuàng)建應(yīng)用程序奸鸯，也即創(chuàng)建虛擬儀器（VI咪笑，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府喳。在基于文本語(yǔ)句的編程語(yǔ)言中指令語(yǔ)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)行蘑拯，編程時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行編程钝满。

論文在LabVIEW 平臺(tái)上開發(fā)了汽車尾流速度測(cè)量虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測(cè)速校準(zhǔn)和測(cè)速兩個(gè)子系統(tǒng)申窘。

4 熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)

汽車外流場(chǎng)屬于不可壓的連續(xù)流動(dòng)弯蚜，熱線測(cè)速的靜態(tài)校準(zhǔn)方程的表達(dá)式采用式（2）。在熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)中剃法，我們將n 作為變量對(duì)待碎捺，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)擬合贷洲，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)劣掖猬。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)越性：開發(fā)過程簡(jiǎn)便，節(jié)省時(shí)間和開支。

4.1 子系統(tǒng)硬件構(gòu)成

熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1赃律，由圖可知薯荷，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咆比；另一部分是皮托管部分戒舆，產(chǎn)生相應(yīng)的壓差（動(dòng)壓）的電信號(hào)Ep。

圖1 熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本文熱線測(cè)速時(shí)采用恒溫式熱線風(fēng)速計(jì)（CTA）基本電路扩芋，電路形式為反饋電路睦柏。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)連接完畢，并接通電源后聪痢，惠斯通電橋達(dá)到平衡赶馍。當(dāng)氣流速度加大時(shí)，熱線與周圍流體的熱交換增加默徘，熱線就會(huì)變冷恰岳，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)的工作原理建芙，輸出電壓將增加没隘。反之，輸出電壓將減小禁荸。輸出電壓數(shù)時(shí)間的變化波形通過示波器顯示右蒲，而具體數(shù)值通過數(shù)字萬用表顯示。同時(shí)赶熟，通過A/D 板將此輸出電壓e 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡讀入VI 系統(tǒng)瑰妄。另外，靜壓皮托管的壓差電信號(hào)Ep 也同時(shí)被采集卡讀入VI 系統(tǒng)映砖。數(shù)據(jù)的采集完全由虛擬儀器軟件控制间坐。

4.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構(gòu)成

熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)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邑退。

圖2 熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)速校準(zhǔn)系統(tǒng)虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖 圖3 熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)速校準(zhǔn)系統(tǒng)虛擬儀器用戶界面

該測(cè)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)置竹宋，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可設(shè)置信號(hào)增益放大倍數(shù)、采樣頻率地技、信號(hào)掃描次數(shù)蜈七、以及被測(cè)量信號(hào)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(cè)量虛擬儀器的測(cè)量信號(hào)的范圍墅纲，這點(diǎn)是傳統(tǒng)測(cè)試儀器望塵莫及的薛津。

（2）進(jìn)行環(huán)境變量初始化，包括大氣壓和溫度的初始化游淆。通過給定的大氣壓和溫度等初始條件症妻，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节婶。

（3）進(jìn)行待測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示，包括皮托管壓力差對(duì)應(yīng)的電信號(hào)與熱線風(fēng)速儀的輸出電壓信號(hào)顯示蓬甩。這些任務(wù)由虛擬儀器中的圖像指示器（Indicator）來完成木影，其功能與實(shí)際示波器相同。根據(jù)信號(hào)顯示我們可以知道待測(cè)信號(hào)的變化何時(shí)劇烈珠慧、何時(shí)穩(wěn)定璃淤，并根據(jù)需要進(jìn)行采樣控制。但是唬辛，示波器的顯示范圍很受限制伙斯，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)置泉扛，條件是計(jì)算機(jī)不溢出笛坦。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活性，調(diào)整升級(jí)的方便性苔巨。

（4）數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的控制版扩。

（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(hào)與壓差之間的已知關(guān)系侄泽，首先將電信號(hào)變成壓差值礁芦，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?/span>

（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悼尾。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)輸入柿扣。然后根據(jù)King 指數(shù)定律，即采用公式（2）進(jìn)行指數(shù)曲線擬合闺魏，求出A未状，B，n析桥，典型的擬合曲線結(jié)果如圖5司草。曲線擬合VI 中，還進(jìn)行了最優(yōu)多項(xiàng)式擬合泡仗。通過兩種擬合方法的比較可知埋虹，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)果陵阁，即系數(shù)A第六，B拖牢，n 的值可通過文件I/O存儲(chǔ)到硬盤里或其他存儲(chǔ)設(shè)備上锹鹉。

圖4 曲線擬合求A，B浦忠，n 的子虛擬儀器

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線

5 熱線風(fēng)速計(jì)尾流速度測(cè)量子系統(tǒng)

該虛擬儀器子系統(tǒng)調(diào)用熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)得到校準(zhǔn)關(guān)系式塑满，熱線風(fēng)速計(jì)就可以進(jìn)行汽車尾流風(fēng)速電信號(hào)測(cè)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(cè)量子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6硫联。

圖6 熱線風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

與熱線校準(zhǔn)系統(tǒng)相比沦靖，該系統(tǒng)的硬件增加了固定熱線探頭的移測(cè)架、控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——伺服系統(tǒng)援仍，并且A/D 板還必須是雙向的防偿，即能進(jìn)行A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換。

在進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量之前妖坡，需進(jìn)行風(fēng)洞風(fēng)速的測(cè)量窗悯，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)離轎車模型的上游偷拔，以保證此處的流場(chǎng)未受到試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@流場(chǎng)的干擾蒋院。

A/D 板將虛擬儀器發(fā)出的x，y莲绰，z 坐標(biāo)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)欺旧，并通過通道3（ch3）發(fā)送給伺服器，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)移測(cè)架移至測(cè)量位置蛤签。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(cè)量辞友。

5.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構(gòu)成

熱線風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)VI 部分構(gòu)成及其用戶界面如圖7、圖8顷啼。

圖7 熱線風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)VI 結(jié)構(gòu)圖 圖8 熱線風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的用戶界面

該測(cè)速系統(tǒng)能完成以下功能：

（1）數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置踏枣，與校準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置相同。

（2）試驗(yàn)環(huán)境變量初始化钙蒙，除了校準(zhǔn)系統(tǒng)的環(huán)境變量初始化外茵瀑，還需給定熱線風(fēng)速計(jì)的熱線探針?biāo)鶓?yīng)測(cè)量的位置（x，y躬厌，z）煤蔚。

（3）測(cè)量風(fēng)洞風(fēng)速，也即測(cè)量風(fēng)洞中試驗(yàn)段流來均勻流場(chǎng)的風(fēng)速坠狈。如圖6 中右邊虛線框部分谦枢，首先皮托管的壓差由壓差傳感器感應(yīng)到變成電信號(hào)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墙冻，m/s）怕茉，并暫存在緩存器里，試驗(yàn)完后一并存入存儲(chǔ)器里奏尽。數(shù)據(jù)處理時(shí)原理與前面相同榨豹。

（4）賦A，B菠珍，n 的值樱搪，將校準(zhǔn)系統(tǒng)得出的A亭弥，B，n 賦給控制矩陣离秸，系統(tǒng)將這三個(gè)系數(shù)帶入擬合函數(shù)粮剃，從確定了風(fēng)速與熱線輸出電壓信號(hào)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在測(cè)速試驗(yàn)過程中虐块，熱線輸出的電壓信號(hào)就通過擬合函數(shù)可直接轉(zhuǎn)換成風(fēng)速值俩滥。

（5）待測(cè)信號(hào)的時(shí)間變化顯示。

（6）數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的控制贺奠。

6 虛擬儀器的試驗(yàn)測(cè)試及其結(jié)果

針對(duì)某國(guó)產(chǎn)轎車的1:10 模型举农，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)行比較敞嗡，以驗(yàn)證該虛擬儀器的有效性颁糟。

6.1 試驗(yàn)內(nèi)容

測(cè)量橫截面：試驗(yàn)對(duì)4 個(gè)尾流速度測(cè)量橫截面進(jìn)行了速度分布測(cè)量。本車的模型高為h=126mm喉悴，4 個(gè)面距離汽車尾端分別為1h棱貌，2h，3h箕肃，4h 處婚脱，分別對(duì)應(yīng)x/h=1，2勺像，3障贸，4。4 個(gè)橫截面位置如圖9 所示痛但。

圖9 4個(gè)測(cè)量剖面的位置圖

測(cè)點(diǎn)布置：測(cè)量剖面分六個(gè)高度厨杆，第一高度距地板表面5mm，第一至第五高度尾等間距乖靠，間距為35mm翎郭。在剖面寬度方面有7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距均為35mm萤忘，因而每一剖面共有42 測(cè)點(diǎn)蔽掀。測(cè)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(cè)架的調(diào)節(jié)范圍[3]悔邀。

試驗(yàn)風(fēng)速：20m/s循抱。

堵塞比：6%。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

表1 虛擬儀器系統(tǒng)測(cè)得的速度結(jié)果

尾流中氣流速度按校正公式删舀，用LabVIEW 虛擬儀器系統(tǒng)測(cè)量并處理得到蟀符。距汽車尾端x=h，即x/h=1

處的尾流測(cè)量橫截面內(nèi)各點(diǎn)的速度試驗(yàn)值如表1纽哭。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

圖栏蝙，如圖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

圖10 4個(gè)尾流橫截截面內(nèi)的速度分布圖

試驗(yàn)結(jié)果還表明蚕泽，汽車橫擺角為零度時(shí)晌梨，尾流兩側(cè)相對(duì)于中心的速度分布具有良好的對(duì)稱性。由圖可知须妻，階背式轎車在其尾流橫截面內(nèi)有著相似的速度分布仔蝌，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[4]和先前研究所得的試驗(yàn)結(jié)果[5]均保持一致荒吏。

7 結(jié)論

（1）針對(duì)傳統(tǒng)儀器的種種特點(diǎn)和弊端敛惊，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)的绰更、專門用于汽車尾流測(cè)速的虛擬儀器系統(tǒng)瞧挤，該系統(tǒng)能夠方便地進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)儡湾。

（2）使用該虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行了某國(guó)產(chǎn)轎車的尾流測(cè)速試驗(yàn)研究特恬，測(cè)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(cè)速是有效且可行的徐钠。

（3）應(yīng)用該虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行汽車尾流測(cè)速癌刽，進(jìn)而研究改善尾流結(jié)構(gòu)的措施，對(duì)提高汽車空氣動(dòng)力特性寥伍，開發(fā)低阻力國(guó)產(chǎn)汽車虑治，降低汽車燃油消耗有重要意義。

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