实验分享|小车模型尾部涡流的PIV可视化实验

汽车工业领域，空气动力学性能直接影响车辆安全、操控与能耗。桌面风洞实验可定位高效型预备实验，加速实验人员进行初期创意方案筛选与迭代。
1 实验目的
汽车行驶时，空气流经车身，在尾部区域，极易发生气流分离，形成复杂的涡旋结构，这些涡流是影响车辆气动阻力和稳定性的关键因素。桌面风洞实验能以较小的物理尺度和可控的风速条件，复现车尾涡流现象，观测不同风速下的尾部烟流的形态变化，并利用PIV流场测量软件获取精确的瞬时速度场信息，定量分析尾部涡流的尺度、强度和演化规律。
2 实验装置
1）桌面风洞，用于提供稳定可调的气流。
2）3D打印的1：64比例小车模型。
3）千眼狼PIV高速摄像机，2560×1920 @2000fps，用于捕捉示踪粒子运动图像。
4) 激光片光源，用于照亮模型尾部区域的测量平面。
5）PIV流场测量软件，计算测量平面内二维瞬时速度矢量场。
3 实验过程
1）设定目标风速并稳定风洞气流。
2) 启动烟流发生器，观察并记录尾部烟流形态。
3）开启激光片光源，照亮小车尾测量平面。
4）使用千眼狼Revealer高速摄像机拍摄粒子图像序列。
5）利用PIV流场测量软件执行互相关计算，生成速度矢量场、涡量场、流线图等可视化结果。
4 实验数据与PIV测量分析结果
1）等效风速120km/h下：
高速摄像机视角下的烟流平滑地包裹车身，在尾部形成相对稳定、尺度较小的对称涡旋结构，气流分离点靠近车尾末端，如图1(上)。经PIV流场测量软件测量速度矢量场，显示尾部存在一堆清晰、对称的回流区，涡量场计算确认涡旋强度适中且相对稳定，如图2(左)。对汽车设计优化启示如车尾轮廓的优化，减小低压涡旋区的面积，提高车辆表面光滑度如隐藏式把手设计等，降低空气阻力，提升燃油经济性。

图1

图2

2）等效风速300km/h下，高速摄像机视角下的烟流在车尾呈现剧烈的紊乱和扩散，尾部涡旋尺度明显增大，对称性减弱，出现摆动甚至周期性脱落迹象，如图1(下)。
经PIV流场测量软件分析，速度矢量场显示尾部流场出现大尺度、高强度的涡旋，矢量流线扭曲严重，如图2(右)。对汽车设计优化的启示如增加地面效应组件、扩散器以及涡流发生器等空气动力学套件，使高速行驶获得更大的向下压力，
5 实验小结
桌面风洞实验可视化展示了小车模型在120km/h和300km/h风速下的车尾烟雾及涡流现象。结合PIV测量技术，可实现对复杂涡流结构定量分析，一定程度可为后续工程级别实验并深入理解汽车空气动力学机理和优化设计积累经验。