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車輛減阻流動控制技術(shù)簡析

2019-12-25 21:32:59·  來源：AutoAero  作者：馬曉靜  
　
車輛減阻流動控制技術(shù)簡析丨AutoAero201930期原創(chuàng)：馬曉靜AutoAero今天由于氣動減阻和燃油消耗的改善是車輛關(guān)注的主要問題，而控制機制是提高車輛性能所必需的，
由于氣動減阻和燃油消耗的改善是車輛關(guān)注的主要問題，而控制機制是提高車輛性能所必需的，關(guān)于流動控制領(lǐng)域的研究也不斷更新。因此，有必要列出現(xiàn)有技術(shù)的更新成果，尤其是迫切需要的更新技術(shù)。在此次推送中，我們將簡析現(xiàn)有的技術(shù)，主要分為三大類介紹。
 
很明顯，關(guān)于流動控制的第一步是研究車身周圍的自然流動（base flow)。這些知識將有助于與以往的研究進(jìn)行比較，也有助于理解流動控制機制。在該部分的研究中要考慮的阻力系數(shù)是在一定的雷諾數(shù)下的對應(yīng)。以下圖的尾部25°傾斜角的Ahmed模型為例，當(dāng)阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而減小時(從ReL=1.4x106的 CX = 0.335 到ReL = 2.7x106的 CX = 0.312)，可以觀察到明顯的雷諾數(shù)效應(yīng)。
圖1: 阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)ReL的變化規(guī)律 (無流動控制)
 
在此，特意想說一句題外話，不知道有多少參與大學(xué)生方程式系列賽事的學(xué)生會看到這段話。從今年11月珠海賽賽場的情況看，有一些學(xué)校開始嘗試采用整車縮比模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，在詳細(xì)了解了他們的相應(yīng)設(shè)置后，覺得可改進(jìn)的空間很大。對此，僅在我自己的立場，對已經(jīng)采用了這種方法或者未來想做此嘗試的同學(xué)們說，一定要保證在相似流動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)與流動可視化的對比。
 
考慮到實驗有定常實驗和非定常實驗，除雷諾數(shù)外，常用的相似準(zhǔn)則還有斯特勞哈爾數(shù)、馬赫數(shù)、弗勞德數(shù)、普朗特數(shù)、?？颂財?shù)及努塞爾數(shù)等。
 
Part1 主動流動控制類
 
在該類方法中，流動可由可動氣動件、合成射流、定常吹掃、抽吸、等離子體作動器等控制。
 
1.1可動氣動附件 Movable Aerodynamic unit
在之前的推送AutoAero201819期的“電動汽車空氣動力學(xué)減阻的相關(guān)概念（一）” 一文中曾簡要提到過。相較于常規(guī)的被動氣動裝置，電子元件控制的引入使不同行駛工況的車輛能根據(jù)其需要的特性進(jìn)行減阻。關(guān)于該部分的技術(shù)常被提及的可移動下車身擴散器技術(shù)，就是通過控制尾部流場來減小車輛的氣動阻力的。
1.2 穩(wěn)態(tài)吹氣 Steady Blowing
有學(xué)者以尾部25°傾斜角的Ahmed為實驗?zāi)Ｐ?，在車頂和傾斜的后窗之間的分隔線下游6毫米處裝備了一系列穩(wěn)定的微射流。評估了這種驅(qū)動方法減少或抑制位于傾斜面上的三維封閉分離泡來降低氣動阻力的有效性。通過氣動載荷的測量，量化了該控制方法的效率。應(yīng)用PIV和壁壓測量以及表面摩擦可視化來檢測施加控制時流場的變化。需要注意的是，其減阻效果與雷諾數(shù)相關(guān)。
圖2: 25°Ahmed體后穩(wěn)定的微射流致動器陣列。
在我們課題組已發(fā)表的研究中，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進(jìn)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。詳細(xì)內(nèi)容可查看AutoAero201906期“35°Ahmed模型氣動射流減阻主動控制研究”一文。
 
詳細(xì)文章參考：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(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2019,49(02):351-358.
 
1.3 合成射流 Synthetic Jets
合成射流執(zhí)行器（SJA）一般由孔板、腔體和壓電致動器或膜片組成，其中流體通過膜片的運動通過一個小開口來回運動。有學(xué)者曾在Ahmed模型采用12支合成射流，對氣動阻力進(jìn)行了實驗研究。其采用的合成射流執(zhí)行器組件如下圖所示。在兩種不同的尾部傾斜角下，25°傾斜角的阻力系數(shù)減少了，而35度傾斜角的阻力系數(shù)卻增加了。幾個實驗工作發(fā)現(xiàn)最大減阻取決于雷諾數(shù)。
圖3 :某合成射流執(zhí)行器的組件
 
關(guān)于該方法在賽車上的應(yīng)用嘗試，本公眾號還在AutoAero201916期“通過主動流動控制提高方程式賽車的氣動設(shè)計”一文中有過介紹，感興趣的讀者可以前往查看。
 
1.4 脈沖射流 Pulsed Jet
脈沖射流實驗已被證實能有效低抑制尾部斜面的回流泡（recirculation bubble）。該控制技術(shù)通過作用于尾跡的運動，改變了車輛幾何形狀上的壁面壓力和切應(yīng)力分布。也有學(xué)者研究了強迫參數(shù) (無量綱頻率、注入動量)對阻力系數(shù)的影響，以及它們對不同位置靜壓的影響。根據(jù)脈沖射流驅(qū)動的類型和位置，通過增加注入動量或定義良好的最佳脈動頻率來獲得最大的減阻效果。
圖4:(a)執(zhí)行機構(gòu)閥體在Ahmed上的位置 (b)縱剖面
1.5 穩(wěn)態(tài)吸氣 Steady Suction
穩(wěn)定吸氣是一種主動流動技術(shù)，它改變了對車輛尾跡產(chǎn)生影響的渦流。通過實驗和數(shù)值方法對簡化的快背車幾何形狀進(jìn)行了評估，該技術(shù)能夠抑制后窗分離，并減少17%的阻力。通過等壓損失等值面上的流動拓?fù)浞治隽嗽摲椒▽Ψ蛛x區(qū)域的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，吸力能有效地消除分離層的形成，使流動重新附著。
圖5:(a)使用的幾何圖形示意圖 (b)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
圖6:吸力對后窗的影響(a)無控制 (b)有控制
1.6 等離子體激勵器 Plasma Actuator（PA)
等離子體激勵器(PA)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、無需泵和孔等優(yōu)點，是另一種有效的主動流動控制手段。某實驗以尾部傾角為25°的模型為對象，PAs布置的位置基于油膜可視化實驗結(jié)果，研究表明，PAs能有效地抑制車輛尾部的分離。
圖7 :(a) 分離區(qū)（b）10個DBD執(zhí)行器位置
圖8：三種常見的等離子體驅(qū)動器(a) 電暈 (b）介質(zhì)阻擋放電(DBD) (c) 滑動放電
 
Part2 被動流動控制類
 
無源流動控制系統(tǒng)需要額外的附加裝置，這些附加裝置永久性地安裝在需要流動控制的車輛表面上。雖然主動流動控制技術(shù)更容易在車身上構(gòu)造和應(yīng)用，但它消耗車輛的能量。在這方面，如果這種技術(shù)適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于車輛無源流動控制技術(shù)將是更好的選擇。以下部分將介紹不同的無源流動控制技術(shù)。
 
2.1 渦流發(fā)生器 Vortex Generator（VG）
 
渦發(fā)生器是一種固定在車輛上的氣動機構(gòu)，具有一定的氣流方向和角度。通常情況下，VCs被放置在一個組中，以創(chuàng)建順時針或逆時針的旋渦(根據(jù)它們的配置)，在靠近壁面的地方增加動量，使該處的分離被抑制或轉(zhuǎn)移到下游更遠(yuǎn)的地方。
 
關(guān)于某平板邊界層中渦發(fā)生器引起的擾動的性質(zhì)實驗表明渦量是由渦發(fā)生器底部周圍形成的馬蹄渦通過一種結(jié)合點渦機制引起的。馬蹄渦相互作用，最終形成一對反向旋轉(zhuǎn)的縱向渦，這些渦會根據(jù)空間改變邊界層的性質(zhì)。
圖9 (a)改造Ahmed尾部的bluff-body (b)一組附在電動轉(zhuǎn)軸上的VGs
2.2 擾流板 Spoiler
擾流板是一種附加在車輛尾部的外部結(jié)構(gòu)，用于控制車輛下游的流動，有助于減少車輛背后的湍流，并增加向下的壓力，降低升力。對如圖10所示的豐田Eco車型進(jìn)行了擾流板對汽車空氣動力學(xué)影響的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)該擾流板在30m/s的速度下，阻力和升力分別降低了5%和100%以上。
圖10: 擾流板位置 (a)3D視圖 (b)橫斷面視圖
2.3 Flaps
Flap是附著在車身上的另一種擴展面，其作用是改變車輛尾部的流動，減小車輛的阻力，提高車輛的氣動性能。一種特殊類型的襟翼被稱為自動移動偏轉(zhuǎn)器(AMD)已在Ahmed體上進(jìn)行了實驗測試，如圖11所示。
圖11: (a)AMD在Ahmed體上的位置 (b)AMD的詳細(xì)信息
在我們課題組已發(fā)表的研究中，我們在后斜面為25°和35°Ahmed模型中分別使用兩種類型的Flap結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗，并將其添加到這兩種模型的傾斜面的邊緣。為了便于比較，在不同的角度添加了不同的Flap。綜合分析了“大”型和“小”型Flap在較大的安裝角范圍內(nèi)對Ahmed模型氣動阻力和近尾跡的影響。速度和壓力曲線表明，減阻的關(guān)鍵是減弱(如果不是消除)后傾角側(cè)邊產(chǎn)生的縱向渦流。
圖12 斜面四邊Flap結(jié)構(gòu)型式: (a)頂式 (b)側(cè)式 (c)底式 
詳細(xì)文章參考：Tian, J., Zhang, Y., Zhu,H., & Xiao, H. (2017). Aerodynamic drag reduction and flow control of Ahmedbody with flaps. Advances in Mechanical Engineering, 9(7), 1-17
 
2.4 BodyModification
 
車體改造包括車身外形、車身前后部分和下部幾何形狀，有時附加的表面或擴散器會改變車身底部的幾何形狀。對該部分的減阻設(shè)計除了形狀優(yōu)化外，常被談及的還有底部擴散器的角度優(yōu)化與“類酒窩”的非光滑表面設(shè)計。關(guān)于擴散器角度的優(yōu)化在電動車的應(yīng)用研究已在AutoAero 201820期“電動汽車空氣動力學(xué)減阻的相關(guān)概念（二）”一文中詳細(xì)介紹過。非光滑表面研究可在AutoAero201719期的“通過數(shù)值仿真分析非光滑表面的減阻特性”一文中找到分析。
圖13：不同車輛擴散器的角度改變下的阻力系數(shù)（左)“類酒窩”的非光滑表面設(shè)計(右）
第三類技術(shù)是將多種技術(shù)相結(jié)合。如將射流作為主動流動控制方法和多孔層作為被動流動控制方法所結(jié)合的技術(shù)，在Ahmed體上實現(xiàn)了減阻30%的效果。在此將不做詳細(xì)介紹。
Part3 總結(jié)
一般來說，許多不同的策略都可用來控制一個分離的流動。根據(jù)配置和目標(biāo)，可以分為:
  • 控制分離時的剪切層。
  • 控制分離上游的邊界層，這是汽車空氣動力學(xué)中較不常見的策略。這種策略的有趣和復(fù)雜之處在于控制上游邊界層將改變分離的位置和剪切層的性質(zhì)。
  • 通過驅(qū)動器沿分離壁向下流動控制流量，如吹、吸或吹吸(合成射流)。
  •    在分離過程中，在下游流量中使用驅(qū)動器控制流量。
關(guān)于流量控制執(zhí)行機構(gòu)的類型，有學(xué)者也有整理，在此，提供給需要的人。
編者：馬曉靜
評論潤色：張英朝
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