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）；而汽車尾流結構對汽車空氣動力特性具有決定性影響。為此，進行汽車尾流速度測量，搞清尾流結構進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。 在進行尾流試驗研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測試儀器是功能固定且封裝好的，專用于某項具體試驗或任務，且價格昂貴。開發(fā)測試系統(tǒng)時，對設計人員的要求非常高：要求掌握測試儀器底層硬件知識，必須有廣泛的計算機編程知識，并能編寫硬件的驅動程序。從而導致了傳統(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)時間，并方便以后用戶對其進行維護、擴展和升級，在熱線風速計的基礎上，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、熱線風速計 熱線風速計的出現(xiàn)是流體力學試驗技術進步的新突破。它使汽車空氣動力學試驗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60 年代出現(xiàn)了激光測速技術，試驗研究發(fā)現(xiàn)測量湍流參量時，激光測速常因丟失粒子信號而導致測量結果不可靠，并且由于激光測速儀價格和維持費用昂貴，在湍流場研究的應用范圍上遠不如熱線技術廣泛。今后熱線技術仍將是汽車湍流，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。為了方便起見，用熱線風速計測量風速U 時我們通常采用如下公式： n 值隨Re 的變化而變化，試驗測得的指數(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 由試驗確定。 在熱線恒溫工作時，熱線的熱電阻Rw =常數(shù)。因 IRw = e，故可把（1）式改寫成 式中，e 為與風速U 相對應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，利用功能圖標來創(chuàng)建應用程序，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，編程時根據(jù)數(shù)據(jù)流進行編程。 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)包括測速校準和測速兩個子系統(tǒng)。 4、熱線測速校準子系統(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)校準方程的表達式采用式（2）。在熱線測速校準子系統(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現(xiàn)：連續(xù)變換n 的值進行不同的指數(shù)擬合，并用擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)之間的均方誤差（mse）大小來判斷擬合質量的優(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)省時間和開支。 4.1 子系統(tǒng)硬件構成 熱線測速校準子系統(tǒng)的硬件構成如圖1，由圖可知，硬件結構為兩部分：一部分是熱線風速計電路， 產生熱線電路輸出電壓e；另一部分是皮托管部分，產生相應的壓差（動壓）的電信號Ep。 本文熱線測速時采用恒溫式熱線風速計（CTA）基本電路，電路形式為反饋電路。當整個系統(tǒng)連接完畢，并接通電源后，惠斯通電橋達到平衡。當氣流速度加大時，熱線與周圍流體的熱交換增加，熱線就會變冷，結果電阻減小。根據(jù)前面論述的恒溫式熱線風速計的工作原理，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，通過A/D 板將此輸出電壓e 模擬信號轉換成數(shù)字信號再經數(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)虛擬儀器構成 熱線風速計測速校準子系統(tǒng)的軟件構成和用戶界面分別如圖2、3。 該測速校準系統(tǒng)能完成以下功能： （1）進行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可設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。在計算機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，這點是傳統(tǒng)測試儀器望塵莫及的。 （2）進行環(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)還可算出試驗當時風洞中空氣的密度與空氣濕度。 （3）進行待測信號實時顯示，包括皮托管壓力差對應的電信號與熱線風速儀的輸出電壓信號顯示。這些任務由虛擬儀器中的圖像指示器（Indicator）來完成，其功能與實際示波器相同。根據(jù)信號顯示我們可以知道待測信號的變化何時劇烈、何時穩(wěn)定，并根據(jù)需要進行采樣控制。但是，示波器的顯示范圍很受限制，不如圖像指示計靈活。虛擬儀器中的圖像指示計的顯示范圍可根據(jù)需要進行任意設置，條件是計算機不溢出。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活性，調整升級的方便性。 （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系，首先將電信號變成壓差值，然后根據(jù)壓差與風速間的關系將壓差轉變?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）進行指數(shù)曲線擬合，求出A，B，n，典型的擬合曲線結果如圖5。曲線擬合VI 中，還進行了最優(yōu)多項式擬合。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。由校準系統(tǒng)得到的結果，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備上。 5、熱線風速計尾流速度測量子系統(tǒng) 該虛擬儀器子系統(tǒng)調用熱線測速校準子系統(tǒng)得到校準關系式，熱線風速計就可以進行汽車尾流風速電信號測量，并經虛擬儀器（VI）處理得到風速。 5.1 子系統(tǒng)的硬件構成 測量子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結構如圖6。 與熱線校準系統(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)行機構——伺服系統(tǒng)，并且A/D 板還必須是雙向的，即能進行A/D 和D/A 轉換。 在進行風速測量之前，需進行風洞風速的測量，此風速由靜壓皮托管風速計完成（如圖6 右邊虛線框部分）。皮托管應放在試驗段遠離轎車模型的上游，以保證此處的流場未受到試驗模型繞流場的干擾。 A/D 板將虛擬儀器發(fā)出的x，y，z 坐標數(shù)字信號轉換成模擬信號，并通過通道3（ch3）發(fā)送給伺服器，觸發(fā)驅動器驅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行數(shù)據(jù)的測量。 5.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構成 熱線風速測量系統(tǒng)VI 部分構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)設置，與校準系統(tǒng)參數(shù)設置相同。 （2）試驗環(huán)境變量初始化，除了校準系統(tǒng)的環(huán)境變量初始化外，還需給定熱線風速計的熱線探針所應測量的位置（x，y，z）。 （3）測量風洞風速，也即測量風洞中試驗段流來均勻流場的風速。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到變成電信號經A/D 板轉換后，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理變?yōu)轱L速顯示在面板的指示計里（V0total，m/s），并暫存在緩存器里，試驗完后一并存入存儲器里。數(shù)據(jù)處理時原理與前面相同。 （4）賦A，B，n 的值，將校準系統(tǒng)得出的A，B，n 賦給控制矩陣，系統(tǒng)將這三個系數(shù)帶入擬合函數(shù)，從確定了風速與熱線輸出電壓信號間的對應關系。在測速試驗過程中，熱線輸出的電壓信號就通過擬合函數(shù)可直接轉換成風速值。 （5）待測信號的時間變化顯示。 （6）數(shù)據(jù)采集和存儲的控制。 6、虛擬儀器的試驗測試及其結果 針對某國產轎車的1:10 模型，用本虛擬儀器系統(tǒng)進行了汽車尾流速度分布試驗研究，并與我們先前研究的結果進行比較，以驗證該虛擬儀器的有效性。 6.1 試驗內容 測量橫截面：試驗對4 個尾流速度測量橫截面進行了速度分布測量。本車的模型高為h=126mm，4 個面距離汽車尾端分別為1h，2h，3h，4h 處，分別對應x/h=1，2，3，4。4 個橫截面位置如圖9 所示。 測點布置：測量剖面分六個高度，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 個測點，間距均為35mm，因而每一剖面共有42 測點。測點布置既考慮到汽車模型正投影面積，又照顧到三維坐標移測架的調節(jié)范圍。 試驗風速：20m/s。 堵塞比：6%。 6.2 試驗結果 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各點的速度試驗值如表1。進一步數(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。 試驗結果還表明，汽車橫擺角為零度時，尾流兩側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有著相似的速度分布，在行李箱蓋后緣形成兩個橫向對稱的拖拽渦，與數(shù)值計算結果和先前研究所得的試驗結果均保持一致。 7、結論 （1）針對傳統(tǒng)儀器的種種特點和弊端，在汽車風洞中引入虛擬儀器的概念，開發(fā)了基于熱線風速計的、專門用于汽車尾流測速的虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠方便地進行維護、擴展和升級。 （2）使用該虛擬儀器系統(tǒng)進行了某國產轎車的尾流測速試驗研究，測試結果與我們以前的數(shù)值計算結果和試驗結果均保持一致，證明了使用本虛擬儀器進行汽車尾流測速是有效且可行的。 （3）應用該虛擬儀器系統(tǒng)進行汽車尾流測速，進而研究改善尾流結構的措施，對提高汽車空氣動力特性，開發(fā)低阻力國產汽車，降低汽車燃油消耗有重要意義。