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车辆减阻流动控制技术简析

2019-12-25 21:32:59·  来源：AutoAero  作者：马晓静  
　
车辆减阻流动控制技术简析丨AutoAero201930期原创：马晓静AutoAero今天由于气动减阻和燃油消耗的改善是车辆关注的主要问题，而控制机制是提高车辆性能所必需的，
由于气动减阻和燃油消耗的改善是车辆关注的主要问题，而控制机制是提高车辆性能所必需的，关于流动控制领域的研究也不断更新。因此，有必要列出现有技术的更新成果，尤其是迫切需要的更新技术。在此次推送中，我们将简析现有的技术，主要分为三大类介绍。
 
很明显，关于流动控制的第一步是研究车身周围的自然流动（base flow)。这些知识将有助于与以往的研究进行比较，也有助于理解流动控制机制。在该部分的研究中要考虑的阻力系数是在一定的雷诺数下的对应。以下图的尾部25°倾斜角的Ahmed模型为例，当阻力系数随雷诺数增加而减小时(从ReL=1.4x106的 CX = 0.335 到ReL = 2.7x106的 CX = 0.312)，可以观察到明显的雷诺数效应。
图1: 阻力系数随雷诺数ReL的变化规律 (无流动控制)
 
在此，特意想说一句题外话，不知道有多少参与大学生方程式系列赛事的学生会看到这段话。从今年11月珠海赛赛场的情况看，有一些学校开始尝试采用整车缩比模型进行风洞试验，在详细了解了他们的相应设置后，觉得可改进的空间很大。对此，仅在我自己的立场，对已经采用了这种方法或者未来想做此尝试的同学们说，一定要保证在相似流动结构的基础上将实验结果与仿真结果进行数据与流动可视化的对比。
 
考虑到实验有定常实验和非定常实验，除雷诺数外，常用的相似准则还有斯特劳哈尔数、马赫数、弗劳德数、普朗特数、埃克特数及努塞尔数等。
 
Part1 主动流动控制类
 
在该类方法中，流动可由可动气动件、合成射流、定常吹扫、抽吸、等离子体作动器等控制。
 
1.1可动气动附件 Movable Aerodynamic unit
在之前的推送AutoAero201819期的“电动汽车空气动力学减阻的相关概念（一）” 一文中曾简要提到过。相较于常规的被动气动装置，电子元件控制的引入使不同行驶工况的车辆能根据其需要的特性进行减阻。关于该部分的技术常被提及的可移动下车身扩散器技术，就是通过控制尾部流场来减小车辆的气动阻力的。
1.2 稳态吹气 Steady Blowing
有学者以尾部25°倾斜角的Ahmed为实验模型，在车顶和倾斜的后窗之间的分隔线下游6毫米处装备了一系列稳定的微射流。评估了这种驱动方法减少或抑制位于倾斜面上的三维封闭分离泡来降低气动阻力的有效性。通过气动载荷的测量，量化了该控制方法的效率。应用PIV和壁压测量以及表面摩擦可视化来检测施加控制时流场的变化。需要注意的是，其减阻效果与雷诺数相关。
图2: 25°Ahmed体后稳定的微射流致动器阵列。
在我们课题组已发表的研究中，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。详细内容可查看AutoAero201906期“35°Ahmed模型气动射流减阻主动控制研究”一文。
 
详细文章参考：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.
 
1.3 合成射流 Synthetic Jets
合成射流执行器（SJA）一般由孔板、腔体和压电致动器或膜片组成，其中流体通过膜片的运动通过一个小开口来回运动。有学者曾在Ahmed模型采用12支合成射流，对气动阻力进行了实验研究。其采用的合成射流执行器组件如下图所示。在两种不同的尾部倾斜角下，25°倾斜角的阻力系数减少了，而35度倾斜角的阻力系数却增加了。几个实验工作发现最大减阻取决于雷诺数。
图3 :某合成射流执行器的组件
 
关于该方法在赛车上的应用尝试，本公众号还在AutoAero201916期“通过主动流动控制提高方程式赛车的气动设计”一文中有过介绍，感兴趣的读者可以前往查看。
 
1.4 脉冲射流 Pulsed Jet
脉冲射流实验已被证实能有效低抑制尾部斜面的回流泡（recirculation bubble）。该控制技术通过作用于尾迹的运动，改变了车辆几何形状上的壁面压力和切应力分布。也有学者研究了强迫参数 (无量纲频率、注入动量)对阻力系数的影响，以及它们对不同位置静压的影响。根据脉冲射流驱动的类型和位置，通过增加注入动量或定义良好的最佳脉动频率来获得最大的减阻效果。
图4:(a)执行机构阀体在Ahmed上的位置 (b)纵剖面
1.5 稳态吸气 Steady Suction
稳定吸气是一种主动流动技术，它改变了对车辆尾迹产生影响的涡流。通过实验和数值方法对简化的快背车几何形状进行了评估，该技术能够抑制后窗分离，并减少17%的阻力。通过等压损失等值面上的流动拓扑分析了该方法对分离区域的贡献，结果表明，吸力能有效地消除分离层的形成，使流动重新附着。
图5:(a)使用的几何图形示意图 (b)控制系统的实现
图6:吸力对后窗的影响(a)无控制 (b)有控制
1.6 等离子体激励器 Plasma Actuator（PA)
等离子体激励器(PA)具有结构简单、响应速度快、无需泵和孔等优点，是另一种有效的主动流动控制手段。某实验以尾部倾角为25°的模型为对象，PAs布置的位置基于油膜可视化实验结果，研究表明，PAs能有效地抑制车辆尾部的分离。
图7 :(a) 分离区（b）10个DBD执行器位置
图8：三种常见的等离子体驱动器(a) 电晕 (b）介质阻挡放电(DBD) (c) 滑动放电
 
Part2 被动流动控制类
 
无源流动控制系统需要额外的附加装置，这些附加装置永久性地安装在需要流动控制的车辆表面上。虽然主动流动控制技术更容易在车身上构造和应用，但它消耗车辆的能量。在这方面，如果这种技术适当地应用于车辆无源流动控制技术将是更好的选择。以下部分将介绍不同的无源流动控制技术。
 
2.1 涡流发生器 Vortex Generator（VG）
 
涡发生器是一种固定在车辆上的气动机构，具有一定的气流方向和角度。通常情况下，VCs被放置在一个组中，以创建顺时针或逆时针的旋涡(根据它们的配置)，在靠近壁面的地方增加动量，使该处的分离被抑制或转移到下游更远的地方。
 
关于某平板边界层中涡发生器引起的扰动的性质实验表明涡量是由涡发生器底部周围形成的马蹄涡通过一种结合点涡机制引起的。马蹄涡相互作用，最终形成一对反向旋转的纵向涡，这些涡会根据空间改变边界层的性质。
图9 (a)改造Ahmed尾部的bluff-body (b)一组附在电动转轴上的VGs
2.2 扰流板 Spoiler
扰流板是一种附加在车辆尾部的外部结构，用于控制车辆下游的流动，有助于减少车辆背后的湍流，并增加向下的压力，降低升力。对如图10所示的丰田Eco车型进行了扰流板对汽车空气动力学影响的数值研究，发现该扰流板在30m/s的速度下，阻力和升力分别降低了5%和100%以上。
图10: 扰流板位置 (a)3D视图 (b)横断面视图
2.3 Flaps
Flap是附着在车身上的另一种扩展面，其作用是改变车辆尾部的流动，减小车辆的阻力，提高车辆的气动性能。一种特殊类型的襟翼被称为自动移动偏转器(AMD)已在Ahmed体上进行了实验测试，如图11所示。
图11: (a)AMD在Ahmed体上的位置 (b)AMD的详细信息
在我们课题组已发表的研究中，我们在后斜面为25°和35°Ahmed模型中分别使用两种类型的Flap结构进行实验，并将其添加到这两种模型的倾斜面的边缘。为了便于比较，在不同的角度添加了不同的Flap。综合分析了“大”型和“小”型Flap在较大的安装角范围内对Ahmed模型气动阻力和近尾迹的影响。速度和压力曲线表明，减阻的关键是减弱(如果不是消除)后倾角侧边产生的纵向涡流。
图12 斜面四边Flap结构型式: (a)顶式 (b)侧式 (c)底式 
详细文章参考：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
 
车体改造包括车身外形、车身前后部分和下部几何形状，有时附加的表面或扩散器会改变车身底部的几何形状。对该部分的减阻设计除了形状优化外，常被谈及的还有底部扩散器的角度优化与“类酒窝”的非光滑表面设计。关于扩散器角度的优化在电动车的应用研究已在AutoAero 201820期“电动汽车空气动力学减阻的相关概念（二）”一文中详细介绍过。非光滑表面研究可在AutoAero201719期的“通过数值仿真分析非光滑表面的减阻特性”一文中找到分析。
图13：不同车辆扩散器的角度改变下的阻力系数（左)“类酒窝”的非光滑表面设计(右）
第三类技术是将多种技术相结合。如将射流作为主动流动控制方法和多孔层作为被动流动控制方法所结合的技术，在Ahmed体上实现了减阻30%的效果。在此将不做详细介绍。
Part3 总结
一般来说，许多不同的策略都可用来控制一个分离的流动。根据配置和目标，可以分为:
  • 控制分离时的剪切层。
  • 控制分离上游的边界层，这是汽车空气动力学中较不常见的策略。这种策略的有趣和复杂之处在于控制上游边界层将改变分离的位置和剪切层的性质。
  • 通过驱动器沿分离壁向下流动控制流量，如吹、吸或吹吸(合成射流)。
  •    在分离过程中，在下游流量中使用驱动器控制流量。
关于流量控制执行机构的类型，有学者也有整理，在此，提供给需要的人。
编者：马晓静
评论润色：张英朝
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