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35°Ahmed模型气动射流减阻主动控制研究

2019-03-25 22:01:31·  来源：杜冠茂 AutoAero  
　
随着我国汽车技术的不断发展，加之国人环保意识的提高，研究如何降低汽车气动阻力对减少汽车的燃油消耗量，提升车辆性能有着重要意义。目前在各种减阻措施中，通
随着我国汽车技术的不断发展，加之国人环保意识的提高，研究如何降低汽车气动阻力对减少汽车的燃油消耗量，提升车辆性能有着重要意义。目前在各种减阻措施中，通过流动控制进行减阻是一种比较有前景的方法，因为它能够在尽量保持车身造型的前提下实现有效的减阻。本文在已研究类车体Ahmed模型尾流结构的基础上选用尾部倾角为35°的模型为研究对象，采用定常射流的方法，针对射流孔的位置和射流的速度等因素，对35°Ahmed模型进行减阻控制研究，在模型尾部各个面的交界处布置射流孔，通过仿真分析，更加深入地分析了尾流结构和空气阻力之间的关系。
 
1.模型描述
Ahmed模型如图1所示，它的大小相当于实车的四分之一，属于类车体比例模型，它由钝性前端、中间部分、尾部斜面、尾部垂直面及支撑模型的四个圆柱体等几部分组成。
图1 Ahmed模型的基本尺寸
 
2.仿真精确性研究
研究汽车空气动力学的手段有仿真分析和风洞试验，通常企业是将仿真和试验相结合去做新车型的开发，这样就可以节约成本、缩短新车型的开发周期，又可以得到真实的试验结果，指导新车型的开发。
本文将对不同尾部倾角的Ahmed模型进行仿真，外界条件与论文中试验条件一致，将仿真得到的阻力系数与试验数据做对比分析，来验证仿真的精确性。选用尾部倾角为0°、5°、10°、12.5°、15°、20°、25°、30°、35°、40°这十个具有代表性的模型做仿真计算，计算结果精确到万分位，且取计算结果的后500步的平均值作为结果，得到它们的阻力系数如表1所示。
表1 不同尾部倾角的Ahmed模型阻力系数
现将仿真得到的阻力系数与试验得到的阻力系数做对比研究，如图2，黄色的点为仿真计算得到的阻力系数，实线为试验所得的数据。从图中可以看出，各个数据点基本与实线重合，都在实线的上下波动。试验中受设备、外界干扰等因素的影响，以及软件的仿真精度等问题的影响，仿真与试验存在一定的误差，在误差允许的范围内，计算结果是可以接受的。因此，仿真的精确度是可以满足后续计算的。
图2 仿真与试验数据对比图
前面通过对不同倾角的Ahmed模型仿真结果与试验数据做对比去说明精确性问题的，为了更好的说明这个问题，现在对单个模型的试验数据做对比分析，选用后窗倾角为35°的 Ahmed 模型，在它的尾部斜面位置，纵向对称面上选取四条直线，如图3示，通过仿真得到直线上若干点的速度值，然后与已有试验数据做对比去进行精确度的评价。
图3 选定的数据采取位置
将选定的四条直线上得到的仿真速度值与试验值对比，从图4中看到，这几个位置仿真得到的速度值与试验数据基本吻合，在误差允许范围内，能够满足研究需要。
a位置
b位置
c位置
d位置
图4 35°Ahmed模型尾部斜面上方气流纵向速度变化对比
3. 减阻方案讨论分析
本文对流场施加外部激励，改变外部流场的流动特性，通过对射流布置参数的优化来寻找优布置形式，以减小Ahmed模型的气动阻力。35°Ahmed模型的尾流结构比较特殊，气流流过车体后在模型尾部完全分离，这给35°Ahmed模型的减阻带来了一定的难度。根据经验研究，在35°Ahmed模型尾部区域定义A、B、C、D、E五个可能有效位置,如图5所示。同样为了获得较好的射流效果，给定 10mm 的槽深，槽宽3mm，槽的两端距离模型边界2mm,这样有利于射流孔周围的网格划分，射流孔槽垂直于模型表面，初设的射流孔结构及尺寸如图6所示。
图5 射流孔位置布置示意图
图6 初设孔结构及尺寸
3.1 各测点位置减阻研究
在 35°Ahmed 模型上的A位置设置射流孔，射流孔的轴线距模型上表面尾部边界5mm,改变A位置射流的速度进行研究，确定速度值后，固定速度大小，改变A位置射流孔距离模型边界的值，研究射流孔位置对结果的影响，距离变化范围3mm-10mm，从而得到A对射流结果的影响，选择最优的减阻方案，研究A位置的射流结果如图7、8所示。
图7 A位置射流速度变化工况
由图7可以看出，此时当射流速度为7m/s时，有最好的减阻效果，阻力系数为0.2572，相对于原始阻力有细微的减小。然后通过改变射流孔孔径距模型上表面尾部的距离，可以得到图8结果。
图8 A位置射流孔距离值变化的工况
改变射流孔的位置，阻力系数有明显的变化，但是并没有减小的趋势，可以确定 A 位置定常射流最好的减阻结果是0.2572，35°Ahmed模型 Case0原始阻力系数为0.2581，减阻效果不到1个count，没有较好的减阻效果，因此对于A位置的减阻工况不予考虑。通过参考25°Ahmed模型的研究方法，对35°Ahmed模型的A位置进行的减阻研究，在同一位置上采用相同的减阻手段，对25°模型有较大的减阻效果，减阻率为6.4%，但对于35°模型，基本没有减阻效果，这个也说明了35°Ahmed模型的特殊性和研究的必要性。
A位置的减阻工况结果并不理想，因此不予考虑，对35°Ahmed 模型的B位置进行减阻研究，改变B位置射流的速度进行研究，速度变化范围为22m/s-32m/s，确定速度值后，固定速度大小，改变B位置射流孔距离模型边界的值，研究射流孔位置对结果的影响，距离变化范围为14mm-24mm，通过仿真计算得到B位置不同射流速度下的阻力系数值，如图9 所示。
图9 B位置射流速度值变化的工况
由上图可以看出，此时当射流速度为31m/s 时，有最好的减阻效果，阻力系数为0.2484，相对于原始阻力有较大的减阻效果，通过改变射流孔孔径距模型上表面尾部的距离，可以得到图10的计算结果。在B位置改变射流孔位置，阻力系数变化明显，但比之前所得结果大，并没有进一步的减阻效果，此时B位置布置射流孔，最好减阻结果是0.2484，射流孔轴线距离模型上表面尾部为 19mm，垂直表面射流，射流速度为31m/s，相对于35°Ahmed模型的原始阻力系数 0.2581，有较大程度减阻。
图10 B位置射流孔距离值变化的工况
对C、D、E三个位置的研究，按照A、B位置的方案模式进行,结果如图11所示。
图11 C、D、E位置研究状况
在B基础上对C位置进行减阻研究，从图a中可以看出，在C位置选用的几个射流速度，阻力系数变化不大，并且相对于B位置的减阻结果阻力系数略有增大，可以看到随着射流速度的增大，阻力系数有增大的趋势，尾流在模型上表面尾部分离后，受到B位置射流的干扰，延迟了分离，并且向尾部上游流动，此时要想在C位置实现减阻，有一定难度。为进一步研究射流孔孔径距模型背面上部边界距离对阻力系数的影响，选用阻力系数为0.2491的工况去做研究，此时射流速度为26m/s。射流孔的位置改变后，阻力系数有较大的变化，最优工况是射流孔轴线距离模型上表面尾部距离为24mm，射流速度为26m/s，此时的阻力系数为0.2466，较B位置减阻最优工况降低10个count左右，减阻效果比较明显，这是目前对35°Ahmed模型减阻最好工况。同理，在B、C的基础上研究D，通过仿真得到的计算结果如图b所示。相比于上一种工况，在D位置增加射流孔后，减阻效果很弱，D位置不予考虑。所以继续在B、C的基础上研究E。从图c中可以看出，E位置最好的工况是射流孔轴线距离模型背面下部的距离为12mm，射流速度为23m/s，此时的阻力系数为0.2420，较之前的最优工况降低3个count左右，减阻效果比较明显，这是对35°Ahmed模型减阻最好的工况，相对于原始模型的阻力系数0.2581有较大程度的降阻，确定了最佳定常射流减阻方案。
3.2 35°Ahmed 模型最佳减阻工况后处理分析
前面对35°Ahmed模型的减阻做了详细地研究，通过制定减阻方案，找到了最佳的减阻工况，此时采用的是方案是在B、C、E三个位置布置射流孔。此时模型的最优减阻工况的阻力系数为0.2420,相对于原始阻力系数0.2581有较大程度的减阻，减阻率为6.24%，下面通过对模型的速度矢量图、压力云图和速度云图进行对比分析，来说明35°Ahmed模型的减阻机理。
1）速度矢量图
图12为标准模型与最优减阻工况的纵向对称面上的速度矢量图，由于气体流过模型上表面后会在尾部斜面发生分离，B 处的射流使斜面上方气流的分离有所增强，上分离涡的涡核高度有所上升，且稍微远离模型，尾部涡流区的范围扩大了一些。
图12 最优工况纵向对称面速度矢量图
C位置的射流改变了模型周围气流流速，既能影响斜面的阻力系数，又可以影响背面的阻力系数，可以看到从C位置射出来的气流在斜面下游形成一个小的回流，这是因为此处由于B位置射流的影响产生一个低压区，这个小的回流与整体尾流场相比，影响还是比较小的，C处的射流也有使上分离涡涡核远离模型的作用。E1位置的射流对从下面流入的气流有较大的影响，有效的抑制了下分离涡，增强了减阻的作用。

2）尾部斜面压力云图
图 13 为标准模型与最优减阻工况的尾部斜面压力云图，从尾部斜面的压力云图可以看出，最优减阻工况的尾部斜面的负压比标准模型的负压值要小很多，从而减小了模型的压差阻力，B、C处的射流很好的改善了尾部气体的流动。
图13 最优工况尾部斜面压力云图

3）尾部背面压力云图
如图14所示为标准模型与最优减阻工况的尾部背面压力云图，从尾部背面的压力云图可以看出，最优减阻工况下背面中心处的压力值变化不太大，但是远离中心的地方负压有所减小，背面的负压总体有所减小，射流改变了模型尾部的流动结构，E处的射流抑制了从模型下部流入尾部分离区的气流，导致背部压力值有所变化。
图14 最优工况尾部背面压力云图

4）尾部速度云图
图15为标准模型与最佳减阻工况中，距离尾部10mm处横截面上的速度云图。
图15 最优工况尾部背面速度云图
从中可以看出C柱涡变得更加弱，并且位置略有提高，模型尾部气流的整体流速有所降低，低速区域增大了，这主要是由于尾部的分离涡区域增大引起的。

4. 结论
本文主要对 35°Ahmed 模型做了优化减阻仿真分析，采用逐步优化减阻的方法找到 35°Ahmed 模型最优的减阻工况，由于35°模型尾流结构有其特性，实现减阻有一定难度，本文采用射流减阻的方法实现了超过6%的减阻效果，并且对最优减阻工况的减阻机理做了分析。Ahmed 模型产生的阻力主要与其尾部分离涡有关，尾部流场的变化影响模型尾部压力的变化，从而使压力阻力变化，因此需要采用流动控制措施去改变模型尾部流场结构，从而实现较大程度的减阻。研究发现，35°Ahmed 模型 B、C、E 位置都有最好的减阻效果，其中 B、C 这两个位置都位于尾部斜面的上游，在气流分离后的最近的区域，此处能更好地控制尾流的分离，改变分离后气流的流场结构。
 
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该文内容是来源于课题组发表的科研论文，可根据以下信息查找原文 ：
张英朝,杜冠茂,田思,张喆.35°Ahmed模型气动射流减阻主动控制[J].吉林大学学报(工学版),2019,49(02):351-358.

编者：杜冠茂
评论润色：张英朝
如有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！ 
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