崔文詩，楊志剛,，王國俊

(1. 同濟大學(xué) 上海地面交通風(fēng)洞中心，上海，201804；2. 上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海，201804;3. 北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京，102211)

定常射流陣列控制地面車輛氣動阻力

崔文詩1,2，楊志剛1,2,3，王國俊1,2

(1. 同濟大學(xué) 上海地面交通風(fēng)洞中心，上海，201804；2. 上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海，201804;3. 北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京，102211)

為了控制地面車輛氣動阻力，通過風(fēng)洞實驗和大渦模擬仿真方法，研究定常射流對地面車輛流動控制的影響；研制由 17只定常射流器構(gòu)成的射流陣列裝置，將其安裝在車輛頂部和斜背交界處，進(jìn)行流動控制實驗；探討射流傾角和動量系數(shù)等射流參數(shù)對三維地面車輛的非定常流動和氣動力的控制機理。研究結(jié)果表明：數(shù)值仿真方法可有效模擬氣動力變化趨勢。動量系數(shù)不改變氣動力變化趨勢，僅影響變化幅值。射流傾角決定射流出口附近的速度分布，影響氣流分離，導(dǎo)致氣動力的差異。與無控制下相比，當(dāng)射流傾角為?25°～65°時，可實現(xiàn)減阻；而當(dāng)射流傾角為80°～115°時，對應(yīng)的阻力未減小。

地面車輛；定常射流；射流傾角；流動分離；氣動阻力

為了控制車輛氣動力，實現(xiàn)降低油耗和提高行駛穩(wěn)定性的目的，前端擾流板、車頂渦流發(fā)生器、車底密封板、車尾隔板等被動流動控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于車輛空氣動力學(xué)研發(fā)中。然而，被動流動控制技術(shù)雖具有可靠性，但控制效率低，且需安裝氣動附件，影響整車造型[1?2]。主動流動控制技術(shù)可以克服以上缺點，BRUNEAU 等[3?6]分別利用直接數(shù)值模擬(DNS)、雷諾平均法(RANS)、大渦模擬(LES)等數(shù)值仿真方法，基于定常射流技術(shù)對車輛開展氣動阻力控制研究。2011年以來，隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，MCNALLY 等[7?11]應(yīng)用微型噴頭對不同車輛簡化模型的流動進(jìn)行實驗控制研究。以上研究都是基于射流方向與斜背垂直的單一工況展開分析的。針對以往研究未給出射流傾角變化導(dǎo)致的氣動力和流場差異及其內(nèi)在作用機理的問題，本文作者通過數(shù)值仿真和風(fēng)洞實驗，分析射流參數(shù)對車輛氣動阻力控制的影響，首先給出射流傾角和動量系數(shù)等參數(shù)對氣動力和流場的控制結(jié)果和變化規(guī)律，然后分析射流參數(shù)變化導(dǎo)致氣動力存在差異的原因。

1 模型和風(fēng)洞實驗

1.1 車輛模型

車輛外流是包含地面效應(yīng)、三維、非定常、氣流分離等現(xiàn)象的復(fù)雜流動[11]。Ahmed body模型[12]可有效模擬不同車輛尾部傾角下的氣動力性能和復(fù)雜流場。采用1/3縮比的Ahmed body模型作為研究對象，風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1(a)所示。模型尾部傾角為25°，尺寸如圖1(b)所示，長L=0.348 m， 寬W=0.130 m，高H=0.096 m，將輪胎簡化為圓柱桿，其直徑為0.01 m，離地間隙為0.017 m。

圖1 車輛簡化模型和尺寸Fig. 1 Simplified vehicle model and dimensions

1.2 定常射流陣列

對車輛的流動控制通過定常射流陣列系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖2所示，該系統(tǒng)包括空壓機及壓力表、調(diào)壓閥、減壓器及壓力表、擴張閥、射流管道(內(nèi)鋼管、軟管和外鋼管)和帶射流孔的固定支架構(gòu)成。通過減壓器調(diào)節(jié)系統(tǒng)到標(biāo)定壓力，在射流孔下游2 mm處利用熱線風(fēng)速儀測試射流出口速度，實驗中標(biāo)定的射流速度v分別為3 m/s和6 m/s。

圖2 定常射流陣列系統(tǒng)Fig. 2 Steady blowing array system

圖 3(a)所示為射流陣列在車輛上的布置方案。其在車輛斜背和頂蓋交界處開槽，將射流器系統(tǒng)安裝在車輛模型內(nèi)。GODARD等[13]認(rèn)為分離控制最優(yōu)結(jié)果對應(yīng)的圓孔直徑與間距比應(yīng)為0.2。

圖3 定常射流陣列的布置方案Fig. 3 Arrangement of steady blowing array system

本文射流出口的圓孔直徑R設(shè)計為1.2 mm，相鄰圓孔中心點距離D為6 mm。圖3(b)所示為在射流器固定支架上開17只等直徑的射流孔的布置方案。將鋼管安裝于固定支架的射流孔內(nèi)，形成完整的射流器系統(tǒng)。制作了 2套固定支架方案(方案 1和方案 2)這 2套方案的設(shè)計可保證射流方向僅在xOz面內(nèi)，定義射流方向與x正向的夾角為射流傾角β，如圖3(c)所示，方案1和方案2對應(yīng)的射流傾角分別為90°和25°。

1.3 風(fēng)洞實驗

實驗在上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車的1/15縮比模型風(fēng)洞完成。模型風(fēng)洞最大風(fēng)速為48 m/s，噴口面積為0.123 m2，目前試驗段的湍流強度為0.38%[14]。支撐桿內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外徑分別為 5 mm和10 mm，測壓鋼管或射流管道可穿過支撐桿與車輛連接，不干擾車輛外部流場。如圖 1(a)所示，車輛模型通過支撐桿固定在槽鋼上，槽鋼和盒式應(yīng)變天平通過螺栓連接，一起固定于支架上。通過以上機構(gòu)，天平可測量車輛模型的阻力。在車身表面布置了30個測壓孔，位置如圖1(b)所示。將測壓鋼管的一端固定于測壓孔，另一端與軟管相連，接在多通道的壓力采集系統(tǒng)上，測量表面靜壓，采樣時間為40 s。

首先，進(jìn)行車輛在無控制下的風(fēng)洞實驗，測試阻力和表面壓力。然后，進(jìn)行有射流控制下的阻力實驗，由于方案1和方案2都需將射流管道經(jīng)過支撐桿安裝在車表面，但支撐桿內(nèi)徑無法滿足測壓鋼管和射流管道同時插入的條件，故射流控制實驗中僅測試了阻力。保證在有無流動控制下的風(fēng)洞實驗來流風(fēng)速 U=20 m/s，基于模型車長的實驗雷諾數(shù) ReL=4.7×105，定義射流動量系數(shù)Cμ[5?6]為

式中：W和H分別為車輛模型的寬和高；v為射流出口速度。因此，v為3 m/s和6 m/s時，動量系數(shù)Cμ1和 Cμ2分別為 2.35×10?3和 4.7×10?3。

2 數(shù)值仿真與結(jié)果驗證

2.1 數(shù)值仿真方法

數(shù)值仿真的雷諾數(shù)與實驗所得一致。依據(jù)車體尺寸，確定計算域長、寬和高分別為8L，7W和5H。由于六面體網(wǎng)格收斂性好，故流場空間采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。按照大渦模擬對網(wǎng)格的要求，保證第一層網(wǎng)格尺寸y+小于1，如圖4所示。對車體近壁面、射流孔附近的剪切層、斜背和近尾跡區(qū)進(jìn)行加密，以便能夠捕捉更多流動結(jié)構(gòu)。表面網(wǎng)格尺寸為 0.1～1.5 mm，有無控制下網(wǎng)格總數(shù)保持一致，體網(wǎng)格總數(shù)為2 100萬個，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果影響很小。

圖4 加密體網(wǎng)格Fig. 4 Refined volume mesh

MINGUEZ等[15?16]指出RANS無法有效模擬大分離流動結(jié)構(gòu)，但大渦模擬可以較好地模擬斜背大分離及其附著流動，因此，本文作者使用商業(yè)軟件 Fluent 12.1進(jìn)行大渦模擬的并行計算。采用WALE亞格子模型，迭代方法為 SIMPLEC算法，計算時間步長為0.1 ms。地面和車身采用無滑移邊界條件，根據(jù)實驗測得的射流器出口速度剖面，加載到壁面指定網(wǎng)格，形成射流入口條件。為保證數(shù)值求解精度，所有監(jiān)測的流場參數(shù)滿足相應(yīng)的收斂條件。

2.2 仿真結(jié)果驗證

在無控制的條件下，實驗測得阻力系數(shù)為0.365，仿真計算值為0.372。對車身不同位置的測壓點進(jìn)行比較，如圖5所示，仿真得到的壓力系數(shù)與實驗結(jié)果較吻合。在有控制的實驗中，當(dāng)施加動量系數(shù)為 Cμ1，β=90°時，阻力增大，而當(dāng)β=25°時阻力減小。當(dāng)增大動量系數(shù)到 Cμ2，β=90°時，阻力進(jìn)一步增大，而當(dāng)β=25°時，阻力減小得更多。數(shù)值仿真模擬了不同射流傾角下阻力的變化趨勢，可有效預(yù)測射流對車輛的流動控制作用。因此，以下討論皆使用此仿真方法進(jìn)行計算。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 阻力系數(shù)比較

圖6所示為不同射流傾角和動量系數(shù)下的阻力系數(shù)。由圖6可知：?25°≤β≤65°為減阻區(qū)，在各射流傾角(?25°, 0°, 25°, 45°, 65°)下阻力均減小，當(dāng) β=0°時，減阻幅度達(dá)到最大。當(dāng)0°≤β≤65°時，隨著β增大，阻力增大。減小動量系數(shù)使減阻幅度降低，而當(dāng)β=80°時，阻力與無控制下阻力近似。90°≤β≤115°為增阻區(qū)，各射流傾角(90°, 100°, 115°)作用下的阻力皆高于無控制下的阻力，隨著β增大，阻力減小。

圖5 表面壓力系數(shù)對比Fig. 5 Comparison of surface pressure coefficient

3.2 不同射流傾角比較

以下將有無控制下的流場進(jìn)行比較，分析同一動量系數(shù)Cμ2下，不同射流傾角β導(dǎo)致車輛的氣動阻力行為存在差異的原因。

圖7所示為面y=0 m上的射流出口附近的速度與流線。由圖7可知：當(dāng)β=65°時，與無控制下的流場相比，射流入口附近的流向速度增大，速度梯度曲線飽滿，邊界層內(nèi)動量增加，抵抗逆壓梯度的能力增強。同時，在射流作用下，分離點后移至斜背上，流動分離減弱。圖8所示為斜背y=0 m上的回流區(qū)。由圖8可知：附著位置從無控制下對應(yīng)點(x=0.828 5 m，z=0.090 5 m)上移至點(x=0.827 2 m，z=0.091 1 m)，回流區(qū)減??；圖9和圖10所示分別為渦量分布及表面平均壓力分布。由圖9可知：渦量(渦量Q準(zhǔn)則[16])減小，斜背壓力升高。在回流區(qū)外，附著流的速度增大導(dǎo)致后垂直背上端的氣流速度隨之增大，上端氣流分離作用減弱，后垂直背壓力升高，實現(xiàn)減阻。

圖6 不同射流傾角和動量系數(shù)下的阻力系數(shù)Fig. 6 Drag coefficient in different jet directions and momentum coefficients

圖7 面y=0 m上的射流出口附近的速度與流線Fig. 7 Mean velocity distribution and streamlines near jet exit on plane y=0 m

圖8 斜背y=0 m上的回流區(qū)Fig. 8 Recirculation zone on plane y=0 m of rear slant

圖 9 渦量分布(Q=4.7×105 s?1)Fig. 9 Vortices distribution (Q=4.7×105 s?1)

由圖7～9可知：與無控制下的流場相比，當(dāng)β=90°時，射流入口附近的外流急劇上揚，導(dǎo)致流向速度減小，邊界層內(nèi)動量減小，抵抗逆壓梯度的能力減弱。同時，射流入口處的速度梯度為 0，分離點前移至車頂，加劇了流動分離，氣流附著位置下移至點(x=0.833 7 m，z=0.087 9 m)，回流區(qū)擴大，渦量增大，斜背負(fù)壓區(qū)擴大?；亓鲄^(qū)的擴大導(dǎo)致回流區(qū)外附著流的速度降低，后垂直背上端的氣流分離加劇，渦量增大，壓力減小，阻力增大。

圖10 表面平均壓力分布Fig. 10 Mean surface pressure distribution

當(dāng)β=115°時，如圖7所示，由于射流傾角的差異，導(dǎo)致射流入口附近的流向速度低于無控制工況的速度，高于β=90°工況的速度。因此，如圖8～10所示，β=115°工況的回流區(qū)范圍、渦量，斜背和后垂直背上的壓力介于無控制和 β=90°工況對應(yīng)值之間，導(dǎo)致了β=115°工況的阻力也處于2工況之間。

3.3 不同動量系數(shù)比較

以切向吹氣(β=0°)為例，分析不同動量系數(shù)對阻力的影響。當(dāng)動量系數(shù)從Cμ1增大到Cμ2時，射流入口附近的流向速度增大，邊界層動量增加，抵抗逆壓梯度的能力增強，附著位置從點(x=0.824 2 m, z=0.092 5 m)上移至點(x=0.820 9 m, z=0.094 1 m)，回流區(qū)減小, 渦量減小, 斜背壓力升高，阻力進(jìn)一步減小。

4 結(jié)論

1) 在車輛的斜背與頂蓋交界處，安裝定常射流陣列，射流傾角決定了氣動力行為(增阻或減阻)。其中，?25°≤β≤65°為減阻區(qū)，當(dāng) β=0°時，阻力達(dá)最小，當(dāng)β=80°時，阻力與無控制下的阻力相當(dāng)；而 90°≤β≤115°為增阻區(qū)，皆高于無控制下的阻力，隨著β增大，阻力減小。

2) 在同一動量系數(shù)下，射流傾角造成車輛氣動力存在差異的原因是：射流入口附近流向速度的差異，導(dǎo)致邊界層抵抗逆壓梯度的能力不同，進(jìn)而使流動分離所致的斜背回流區(qū)存在差異。

3) 改變動量系數(shù)主要影響氣動力變化量，在減阻區(qū)，增大動量系數(shù)可獲得更高幅度的減阻。

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Aerodynamic drag control of a ground vehicle using steady blowing array

CUI Wenshi1,2, YANG Zhigang1,2,3, WANG Guojun1,2

(1. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems，Shanghai 201804, China;3. Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute, Beijing 102211, China)

In order to control the aerodynamic drag of a ground vehicle, the effect of steady blowing array on the flow over a ground vehicle was investigated through the wind tunnel experiments and large eddy simulations. The array device composed of 17 steady blowing jets was developed, which was set on the junction between the slant and the roof of a ground vehicle, and the flow control experiments were carried out. The control mechanism of the excitation parameters,such as the jet direction angle and momentum coefficient, on the unsteady flow and aerodynamics forces of a three dimensional ground vehicle were discussed. The results show that the numerical simulation can effectively simulate the trend of the aerodynamic force. The momentum coefficient can only affect the amplitude of variation in aerodynamic drag, not the tendency of drag variation. The jet obliquity dominates the velocity distribution near the jet exit, which has an influence on the flow separation and leads to the variation of aerodynamic drag. Compared with natural flow, the jet obliquities from ?25° to 65° help drag reduction, while the jet obliquities from 80° to 115° make no difference to relevant drag.

ground vehicle; steady blowing; jet direction; flow separation; aerodynamic drag

U270.1；O357.5+2

A

1672?7207(2017)11?2912?06

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.010

2016?11?29；

2017?01?10

上海市地面交通工具風(fēng)洞中心專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺資助項目(14DZ229140) (Project(14DZ229140)supported by the Professional Technical Service Platform of Shanghai Automotive Wind Tunnel Center)

楊志剛，博士，教授，從事汽車空氣動力學(xué)研究；E-mail: zhigang.yang@sawtc.com

(編輯 劉錦偉)