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35°Ahmed模型氣動射流減阻主動控制研究

2019-03-25 22:01:31·  來源：杜冠茂 AutoAero  
　
隨著我國汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，加之國人環(huán)保意識的提高，研究如何降低汽車氣動阻力對減少汽車的燃油消耗量，提升車輛性能有著重要意義。目前在各種減阻措施中，通
隨著我國汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，加之國人環(huán)保意識的提高，研究如何降低汽車氣動阻力對減少汽車的燃油消耗量，提升車輛性能有著重要意義。目前在各種減阻措施中，通過流動控制進行減阻是一種比較有前景的方法，因為它能夠在盡量保持車身造型的前提下實現(xiàn)有效的減阻。本文在已研究類車體Ahmed模型尾流結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上選用尾部傾角為35°的模型為研究對象，采用定常射流的方法，針對射流孔的位置和射流的速度等因素，對35°Ahmed模型進行減阻控制研究，在模型尾部各個面的交界處布置射流孔，通過仿真分析，更加深入地分析了尾流結(jié)構(gòu)和空氣阻力之間的關(guān)系。
 
1.模型描述
Ahmed模型如圖1所示，它的大小相當于實車的四分之一，屬于類車體比例模型，它由鈍性前端、中間部分、尾部斜面、尾部垂直面及支撐模型的四個圓柱體等幾部分組成。
圖1 Ahmed模型的基本尺寸
 
2.仿真精確性研究
研究汽車空氣動力學的手段有仿真分析和風洞試驗，通常企業(yè)是將仿真和試驗相結(jié)合去做新車型的開發(fā)，這樣就可以節(jié)約成本、縮短新車型的開發(fā)周期，又可以得到真實的試驗結(jié)果，指導新車型的開發(fā)。
本文將對不同尾部傾角的Ahmed模型進行仿真，外界條件與論文中試驗條件一致，將仿真得到的阻力系數(shù)與試驗數(shù)據(jù)做對比分析，來驗證仿真的精確性。選用尾部傾角為0°、5°、10°、12.5°、15°、20°、25°、30°、35°、40°這十個具有代表性的模型做仿真計算，計算結(jié)果精確到萬分位，且取計算結(jié)果的后500步的平均值作為結(jié)果，得到它們的阻力系數(shù)如表1所示。
表1 不同尾部傾角的Ahmed模型阻力系數(shù)
現(xiàn)將仿真得到的阻力系數(shù)與試驗得到的阻力系數(shù)做對比研究，如圖2，黃色的點為仿真計算得到的阻力系數(shù)，實線為試驗所得的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，各個數(shù)據(jù)點基本與實線重合，都在實線的上下波動。試驗中受設(shè)備、外界干擾等因素的影響，以及軟件的仿真精度等問題的影響，仿真與試驗存在一定的誤差，在誤差允許的范圍內(nèi)，計算結(jié)果是可以接受的。因此，仿真的精確度是可以滿足后續(xù)計算的。
圖2 仿真與試驗數(shù)據(jù)對比圖
前面通過對不同傾角的Ahmed模型仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)做對比去說明精確性問題的，為了更好的說明這個問題，現(xiàn)在對單個模型的試驗數(shù)據(jù)做對比分析，選用后窗傾角為35°的 Ahmed 模型，在它的尾部斜面位置，縱向?qū)ΨQ面上選取四條直線，如圖3示，通過仿真得到直線上若干點的速度值，然后與已有試驗數(shù)據(jù)做對比去進行精確度的評價。
圖3 選定的數(shù)據(jù)采取位置
將選定的四條直線上得到的仿真速度值與試驗值對比，從圖4中看到，這幾個位置仿真得到的速度值與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，在誤差允許范圍內(nèi)，能夠滿足研究需要。
a位置
b位置
c位置
d位置
圖4 35°Ahmed模型尾部斜面上方氣流縱向速度變化對比
3. 減阻方案討論分析
本文對流場施加外部激勵，改變外部流場的流動特性，通過對射流布置參數(shù)的優(yōu)化來尋找優(yōu)布置形式，以減小Ahmed模型的氣動阻力。35°Ahmed模型的尾流結(jié)構(gòu)比較特殊，氣流流過車體后在模型尾部完全分離，這給35°Ahmed模型的減阻帶來了一定的難度。根據(jù)經(jīng)驗研究，在35°Ahmed模型尾部區(qū)域定義A、B、C、D、E五個可能有效位置,如圖5所示。同樣為了獲得較好的射流效果，給定 10mm 的槽深，槽寬3mm，槽的兩端距離模型邊界2mm,這樣有利于射流孔周圍的網(wǎng)格劃分，射流孔槽垂直于模型表面，初設(shè)的射流孔結(jié)構(gòu)及尺寸如圖6所示。
圖5 射流孔位置布置示意圖
圖6 初設(shè)孔結(jié)構(gòu)及尺寸
3.1 各測點位置減阻研究
在 35°Ahmed 模型上的A位置設(shè)置射流孔，射流孔的軸線距模型上表面尾部邊界5mm,改變A位置射流的速度進行研究，確定速度值后，固定速度大小，改變A位置射流孔距離模型邊界的值，研究射流孔位置對結(jié)果的影響，距離變化范圍3mm-10mm，從而得到A對射流結(jié)果的影響，選擇最優(yōu)的減阻方案，研究A位置的射流結(jié)果如圖7、8所示。
圖7 A位置射流速度變化工況
由圖7可以看出，此時當射流速度為7m/s時，有最好的減阻效果，阻力系數(shù)為0.2572，相對于原始阻力有細微的減小。然后通過改變射流孔孔徑距模型上表面尾部的距離，可以得到圖8結(jié)果。
圖8 A位置射流孔距離值變化的工況
改變射流孔的位置，阻力系數(shù)有明顯的變化，但是并沒有減小的趨勢，可以確定 A 位置定常射流最好的減阻結(jié)果是0.2572，35°Ahmed模型 Case0原始阻力系數(shù)為0.2581，減阻效果不到1個count，沒有較好的減阻效果，因此對于A位置的減阻工況不予考慮。通過參考25°Ahmed模型的研究方法，對35°Ahmed模型的A位置進行的減阻研究，在同一位置上采用相同的減阻手段，對25°模型有較大的減阻效果，減阻率為6.4%，但對于35°模型，基本沒有減阻效果，這個也說明了35°Ahmed模型的特殊性和研究的必要性。
A位置的減阻工況結(jié)果并不理想，因此不予考慮，對35°Ahmed 模型的B位置進行減阻研究，改變B位置射流的速度進行研究，速度變化范圍為22m/s-32m/s，確定速度值后，固定速度大小，改變B位置射流孔距離模型邊界的值，研究射流孔位置對結(jié)果的影響，距離變化范圍為14mm-24mm，通過仿真計算得到B位置不同射流速度下的阻力系數(shù)值，如圖9 所示。
圖9 B位置射流速度值變化的工況
由上圖可以看出，此時當射流速度為31m/s 時，有最好的減阻效果，阻力系數(shù)為0.2484，相對于原始阻力有較大的減阻效果，通過改變射流孔孔徑距模型上表面尾部的距離，可以得到圖10的計算結(jié)果。在B位置改變射流孔位置，阻力系數(shù)變化明顯，但比之前所得結(jié)果大，并沒有進一步的減阻效果，此時B位置布置射流孔，最好減阻結(jié)果是0.2484，射流孔軸線距離模型上表面尾部為 19mm，垂直表面射流，射流速度為31m/s，相對于35°Ahmed模型的原始阻力系數(shù) 0.2581，有較大程度減阻。
圖10 B位置射流孔距離值變化的工況
對C、D、E三個位置的研究，按照A、B位置的方案模式進行,結(jié)果如圖11所示。
圖11 C、D、E位置研究狀況
在B基礎(chǔ)上對C位置進行減阻研究，從圖a中可以看出，在C位置選用的幾個射流速度，阻力系數(shù)變化不大，并且相對于B位置的減阻結(jié)果阻力系數(shù)略有增大，可以看到隨著射流速度的增大，阻力系數(shù)有增大的趨勢，尾流在模型上表面尾部分離后，受到B位置射流的干擾，延遲了分離，并且向尾部上游流動，此時要想在C位置實現(xiàn)減阻，有一定難度。為進一步研究射流孔孔徑距模型背面上部邊界距離對阻力系數(shù)的影響，選用阻力系數(shù)為0.2491的工況去做研究，此時射流速度為26m/s。射流孔的位置改變后，阻力系數(shù)有較大的變化，最優(yōu)工況是射流孔軸線距離模型上表面尾部距離為24mm，射流速度為26m/s，此時的阻力系數(shù)為0.2466，較B位置減阻最優(yōu)工況降低10個count左右，減阻效果比較明顯，這是目前對35°Ahmed模型減阻最好工況。同理，在B、C的基礎(chǔ)上研究D，通過仿真得到的計算結(jié)果如圖b所示。相比于上一種工況，在D位置增加射流孔后，減阻效果很弱，D位置不予考慮。所以繼續(xù)在B、C的基礎(chǔ)上研究E。從圖c中可以看出，E位置最好的工況是射流孔軸線距離模型背面下部的距離為12mm，射流速度為23m/s，此時的阻力系數(shù)為0.2420，較之前的最優(yōu)工況降低3個count左右，減阻效果比較明顯，這是對35°Ahmed模型減阻最好的工況，相對于原始模型的阻力系數(shù)0.2581有較大程度的降阻，確定了最佳定常射流減阻方案。
3.2 35°Ahmed 模型最佳減阻工況后處理分析
前面對35°Ahmed模型的減阻做了詳細地研究，通過制定減阻方案，找到了最佳的減阻工況，此時采用的是方案是在B、C、E三個位置布置射流孔。此時模型的最優(yōu)減阻工況的阻力系數(shù)為0.2420,相對于原始阻力系數(shù)0.2581有較大程度的減阻，減阻率為6.24%，下面通過對模型的速度矢量圖、壓力云圖和速度云圖進行對比分析，來說明35°Ahmed模型的減阻機理。
1）速度矢量圖
圖12為標準模型與最優(yōu)減阻工況的縱向?qū)ΨQ面上的速度矢量圖，由于氣體流過模型上表面后會在尾部斜面發(fā)生分離，B 處的射流使斜面上方氣流的分離有所增強，上分離渦的渦核高度有所上升，且稍微遠離模型，尾部渦流區(qū)的范圍擴大了一些。
圖12 最優(yōu)工況縱向?qū)ΨQ面速度矢量圖
C位置的射流改變了模型周圍氣流流速，既能影響斜面的阻力系數(shù)，又可以影響背面的阻力系數(shù)，可以看到從C位置射出來的氣流在斜面下游形成一個小的回流，這是因為此處由于B位置射流的影響產(chǎn)生一個低壓區(qū)，這個小的回流與整體尾流場相比，影響還是比較小的，C處的射流也有使上分離渦渦核遠離模型的作用。E1位置的射流對從下面流入的氣流有較大的影響，有效的抑制了下分離渦，增強了減阻的作用。

2）尾部斜面壓力云圖
圖 13 為標準模型與最優(yōu)減阻工況的尾部斜面壓力云圖，從尾部斜面的壓力云圖可以看出，最優(yōu)減阻工況的尾部斜面的負壓比標準模型的負壓值要小很多，從而減小了模型的壓差阻力，B、C處的射流很好的改善了尾部氣體的流動。
圖13 最優(yōu)工況尾部斜面壓力云圖

3）尾部背面壓力云圖
如圖14所示為標準模型與最優(yōu)減阻工況的尾部背面壓力云圖，從尾部背面的壓力云圖可以看出，最優(yōu)減阻工況下背面中心處的壓力值變化不太大，但是遠離中心的地方負壓有所減小，背面的負壓總體有所減小，射流改變了模型尾部的流動結(jié)構(gòu)，E處的射流抑制了從模型下部流入尾部分離區(qū)的氣流，導致背部壓力值有所變化。
圖14 最優(yōu)工況尾部背面壓力云圖

4）尾部速度云圖
圖15為標準模型與最佳減阻工況中，距離尾部10mm處橫截面上的速度云圖。
圖15 最優(yōu)工況尾部背面速度云圖
從中可以看出C柱渦變得更加弱，并且位置略有提高，模型尾部氣流的整體流速有所降低，低速區(qū)域增大了，這主要是由于尾部的分離渦區(qū)域增大引起的。

4. 結(jié)論
本文主要對 35°Ahmed 模型做了優(yōu)化減阻仿真分析，采用逐步優(yōu)化減阻的方法找到 35°Ahmed 模型最優(yōu)的減阻工況，由于35°模型尾流結(jié)構(gòu)有其特性，實現(xiàn)減阻有一定難度，本文采用射流減阻的方法實現(xiàn)了超過6%的減阻效果，并且對最優(yōu)減阻工況的減阻機理做了分析。Ahmed 模型產(chǎn)生的阻力主要與其尾部分離渦有關(guān)，尾部流場的變化影響模型尾部壓力的變化，從而使壓力阻力變化，因此需要采用流動控制措施去改變模型尾部流場結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)較大程度的減阻。研究發(fā)現(xiàn)，35°Ahmed 模型 B、C、E 位置都有最好的減阻效果，其中 B、C 這兩個位置都位于尾部斜面的上游，在氣流分離后的最近的區(qū)域，此處能更好地控制尾流的分離，改變分離后氣流的流場結(jié)構(gòu)。
 
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該文內(nèi)容是來源于課題組發(fā)表的科研論文，可根據(jù)以下信息查找原文 ：
張英朝,杜冠茂,田思,張喆.35°Ahmed模型氣動射流減阻主動控制[J].吉林大學學報(工學版),2019,49(02):351-358.

編者：杜冠茂
評論潤色：張英朝
如有意相關(guān)技術(shù)合作，請聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！ 
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