汽车空气动力学直接影响车辆的动力性、燃油经济性、操纵稳定性及行驶安全性。3/4开口回流式风洞作为汽车空气动力学试验的主要手段,在产品开发和设计过程中起到了至关重要的作用。但其结构决定了气流从喷口处流出会形成一股射流,并在剪切层内产生较大的涡旋结构以及一定的涡脱频率。当这种不稳定的自由射流作为激励,若与风洞的声学模态相匹配,便会产生共振现象。该现象会破坏试验段流场品质的时间和空间均匀性,严重影响车辆的气动力学测量及声学信息采集。本文采用理论分析、数值模拟、试验验证相结合的方法,对开口回流式风洞低频压力脉动现象进行了研究,主要工作内容包括如下几个方面:(1)首先对声学模态理论进行研究,并结合洞体几何参数,计算出风洞所具有的激励频率与响应频率。其次,对全风速范围内风洞低频压力脉动现象进行了试验测量,就各因素在形成脉动现象中的潜在可能性进行了初步判断。由理论计算结果同试验数据的对比分析中可以看出,与喷口自然涡脱频率、试验段尖劈反馈频率及回路响应频率相关的洞体几何参数对脉动的影响较为突出。(2)鉴于CFD仿真在研究低频压力脉动现象中的优势,首先对该现象的瞬态数值模拟方法进行了探究,并通过全风速范围内仿真与试验数据的对比,验证了该方法的有效性。其中,闭合回路是数值求解低频压力脉动现象的关键,保证压力在管路内循环传播;在计算求解过程中,空气密度参数应设置为可压的理想气体,保证压力在介质内的传播速度与实际物理过程相符。其次,着重对基础算例全回路瞬态压力场进行分析,阐明了脉动现象的流动机理。洞体回路内传播的压力峰值与试验段射流剪切层内涡旋结构对核心区流场的压力阻滞作用相叠加时,便会产生脉动现象。(3)通过改变理论模型中几何参数,获得不同的风洞模型。利用本文的数值模拟方法进行仿真计算,对比分析并判断激励与响应参数对低频压力脉动现象的影响。结果显示:试验段及洞体回路两者长度参数的耦合是形成低频压力脉动现象的主要原因,前者直接影响流场内的激励,后者直接影响流场内的响应。尖劈反馈效应中,喷口自然涡脱仅以初始激励的形式存在,并非是形成最终低频压力脉动现象的主要因素。排除了驻室简正频率及空腔共振频率作为试验段内脉动响应的可能,但其适当的空间尺寸可以明显抑制共振现象的产生。(4)以简化模型为基础,对其试验段流场瞬态信息进行了深入研究。明确了剪切层内涡旋运动轨迹及其对回路内压力传播所产生的影响,分析了现有理论模型中误差较大的主要原因:1)在激励模型中,试验段流场产生压力扰动时,涡旋所处位置相比于试验段长度,其差值Δl不可忽略;2)在响应模型中,理论公式仅表达了压力在回路中的声速传播部分,缺少了其在试验段内的对流传播过程。在脉动特征变化规律的研究中发现:1)脉动峰值风速与峰值频率同洞体回路长度均呈反比函数关系,当回路长度固定时,峰值频率亦不发生变化,即共振频率由洞体回路响应锁定;2)对试验段整体比例进行缩放时,脉动峰值风速与缩放比例呈相同倍数关系变化;3)仅对试验段长度进行调整时,脉动峰值风速与长度变量线性相关。在原有理论模型基础上,根据各风洞几何参数与脉动特征之间的变化规律,提出了脉动峰值特征的半经验预测模型。该模型可预测开口回流式风洞低频压力脉动现象的峰值频率和峰值风速,同国外其它先进风洞试验数据对比,精度较原理论模型可提高5%～20%。(5)为满足流场品质规范要求,当试验段内激励不可避免时,从回路角度出发,对低频压力脉动现象的抑制措施进行了数值模拟及试验验证。结果表明,合适的洞体平衡口位置,可有效释放流道内压力波动,破坏回路的响应机制。现有风洞22m/s风速条件下,动力段处压力平衡口可使试验段峰值Cprms系数由4.9%下降至0.39%,脉动现象基本消失。同时试验段声场也得到了明显优化,峰值频率2.5Hz处声压级降低约30 dB,高阶频率5.0 Hz处降低约17 dB。本文通过对压力脉动现象数值模拟方法的研究与验证,有效推动了 CFD仿真技术在解决该问题过程中的发展及应用。理论方面,明确了低频压力脉动现象的产生机理,阐明了原理论公式中存在较大误差的原因。工程方面,通过风洞几何参数与脉动峰值特征之间的变化规律,建立了一套半经验公式,有效提升了脉动预测模型精度,对汽车风洞的设计、流场品质及性能评价具有重要的参考价值。