王靖宇，耿亞林，惠 政，胡興軍，李天鴻，劉子誠，李久超

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

前言

車輛在高速行駛時(shí)，超過60%的能源消耗是空氣阻力造成的，而日趨嚴(yán)苛的燃油消耗法規(guī)和電動(dòng)汽車對提高續(xù)航里程的迫切需求，對降低車輛的氣動(dòng)阻力提出了更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的被動(dòng)流動(dòng)控制方法如優(yōu)化汽車外型［1］、加裝氣動(dòng)附件［2］等研究較為成熟，但減阻能力有限；在此背景下，開發(fā)新的主動(dòng)流動(dòng)控制方法，利用外部能量來改變車身周圍氣流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步降低車輛的氣動(dòng)阻力提供了可能。

表面介質(zhì)阻擋放電（surface dielectric barrier discharge，SDBD）等離子體激勵(lì)器是一種新型的主動(dòng)流動(dòng)控制裝置，相關(guān)研究開始于2000年［3］。與機(jī)械式合成射流相比，SDBD等離子體激勵(lì)器的主要優(yōu)勢在于無需變動(dòng)機(jī)械部件，響應(yīng)快，功耗低，且不改變被控制體的外形［4］。盡管目前SDBD等離子體激勵(lì)器輸入的電能絕大部分都轉(zhuǎn)換成了熱量，電能的有效利用率不到0.1%［5］，且產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力很小，但這為流動(dòng)控制提供了一條新的思路，具有其他流動(dòng)控制方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)。隨著等離子體理論和技術(shù)上的不斷突破，動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率逐漸提高［6］，盡管SDBD激勵(lì)器工作電壓較高，但對電流的要求很低，只有幾毫伏，因此是安全的。美國Plasma Stream Technologies公司在過去幾年已對該新型流動(dòng)控制方法在8級半掛貨車縮比（1∶12）模型上的應(yīng)用做了較多研究，并積極推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的市場化，其應(yīng)用前景將十分廣闊。

這種控制方法在邊界層轉(zhuǎn)捩控制［7］、機(jī)翼增升減阻［8-9］和氣動(dòng)噪聲控制［10］等諸多領(lǐng)域都有了大量的深入研究，但應(yīng)用于地面車輛減阻的相關(guān)研究還處于起步和探索階段。Boucinha等［11］首次對SDBD應(yīng)用于汽車減阻進(jìn)行了探索，通過在Ahmed模型（25°尾角）后窗上不同位置布置激勵(lì)器并進(jìn)行組合控制，發(fā)現(xiàn)將激勵(lì)器布置在后窗頂端的減阻效果最好，并在10 m／s的風(fēng)速下獲得8%的減阻效果；Barros等［12］在方背 Ahmed模型（0°尾角）尾部加裝圓形導(dǎo)流裝置，利用射流的主動(dòng)控制與導(dǎo)流板產(chǎn)生的康達(dá)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了20%的減阻。

本文中在 Boucinha［11］和 Barros［12］的研究基礎(chǔ)上，對方背Ahmed模型進(jìn)行進(jìn)一步尾流控制研究。首先，通過靜態(tài)試驗(yàn)研究了不同激勵(lì)電壓下離子風(fēng)的氣動(dòng)特性，獲得最佳激勵(lì)電壓下的最大誘導(dǎo)速度；然后在不同風(fēng)速下，研究了激勵(lì)電壓對流動(dòng)控制效果的影響。本研究的目標(biāo)是通過探索等離子體激勵(lì)器對簡化模型的流動(dòng)控制規(guī)律，深入研究減阻機(jī)理，為將來此項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于汽車減阻做準(zhǔn)備。

1 試驗(yàn)設(shè)備介紹

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

Ahmed模型［13］是汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究中常用的簡化模型，本文中選用方背Ahmed模型，如圖1所示。模型的主要尺寸為：長L＝1.044 m，寬 B＝0.389 m，高H＝0.288 m，模型離地間隙h＝0.05 m，圓角R＝0.1 m，支撐圓柱直徑0.03 m。

圖1 方背Ahmed模型示意圖［14］

1.2 風(fēng)洞與測量設(shè)備

試驗(yàn)在吉林大學(xué)回流式汽車風(fēng)洞進(jìn)行，風(fēng)洞噴口尺寸4.4 m×2 m，試驗(yàn)段長度8 m，來流湍流度低于0.5%。模型表面壓力測量采用96通道壓力掃描閥，量程為1 psi，精度為±0.05%。阻力測量采用六分量天平，天平 X方向量程為 200 N，精度為0.05%。流場速度測量采用二維PIV，激光器可產(chǎn)生最大激光能量200 mJ的532 nm波長激光，CCD相機(jī)像素為1 024×1 280，相機(jī)拍攝和激光發(fā)射頻率為4 Hz，將每一工況拍攝的400組相片取平均得到時(shí)均速度場，其中判讀區(qū)窗口為32×32像素，重疊率為50%。

1.3 等離子體激勵(lì)器與電源

研究所用激勵(lì)器如圖2所示，由厚度均為0.018 mm、寬度分別為2和20 mm的上下兩個(gè)電極組成，電極之間由6層厚度為0.06 mm的聚酰亞胺絕緣膠帶（εr＝3.5）和1層厚度為0.13 mm的聚四氟乙烯（εr＝2.6）組成的介質(zhì)隔開，介質(zhì)總厚度hd＝0.49 mm。上電極連接到可提供0-30 kV峰值電壓、最大輸出功率為500 W的高壓交流電源（CTP-2000K，南京蘇曼），下電極接地。

圖2 SDBD等離子體激勵(lì)器

2 等離子體激勵(lì)器誘導(dǎo)離子風(fēng)的氣動(dòng)特性

2.1 靜態(tài)試驗(yàn)

根據(jù)電流體力學(xué)（electro hydro dynamic，EHD）理論，當(dāng)外加電壓達(dá)到擊穿值時(shí)，絕緣介質(zhì)上方的空氣分子會(huì)被電離形成等離子體，帶電粒子在電場力作用下移動(dòng)，與激勵(lì)器周圍氣體中的中性粒子發(fā)生碰撞，增加途經(jīng)該區(qū)域氣流的局部動(dòng)量，進(jìn)而誘導(dǎo)出離子風(fēng)［15-16］。本文中首先將激勵(lì)器布置在平板上，如圖3所示，通過靜態(tài)測試研究激勵(lì)器誘導(dǎo)離子風(fēng)的氣動(dòng)特性。為與下文安裝在Ahmed模型上的激勵(lì)器保持一致，激勵(lì)器有效放電寬度與Ahmed模型寬度相同，為0.389 m。試驗(yàn)激勵(lì)峰值電壓Upp范圍為9-18 kV，增幅間隔為1 kV，頻率為7.2 kHz。在PIV流場圖中，水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸，上電極的末端為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系如圖2（a）所示。

圖3 激勵(lì)器靜態(tài)試驗(yàn)布置

2.2 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 展示了不同激勵(lì)電壓Upp下離子風(fēng)的時(shí)均速度場。由圖可見，激勵(lì)電壓對于誘導(dǎo)射流強(qiáng)度的影響非常明顯。在電壓較低時(shí)，激勵(lì)器誘導(dǎo)的射流速度低，并在高度方向上很快地?cái)U(kuò)散。隨著激勵(lì)電壓的增高，電極之間的放電愈加強(qiáng)烈，誘導(dǎo)射流的長度逐漸擴(kuò)大。與時(shí)均后的離子風(fēng)速度場不同的是，實(shí)際上離子風(fēng)的產(chǎn)生是非定常的，會(huì)周期性誘導(dǎo)出渦結(jié)構(gòu)，其脈動(dòng)頻率與交流電源頻率相同［17］。由于離子風(fēng)的脈動(dòng)周期在10-4s量級，遠(yuǎn)小于流動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間尺度10-2s量級，因此，多數(shù)研究者認(rèn)為在高頻交流電壓的持續(xù)作用下，激勵(lì)器對外部流場的影響是定常的［18］。

圖5為不同激勵(lì)電壓Upp與最大誘導(dǎo)速度的擬合規(guī)律。由圖可見，最大誘導(dǎo)速度隨激勵(lì)電壓的升高逐漸增大，但增速逐漸變緩，該趨勢與Forte等［19］得到的趨勢一致。當(dāng)電壓大于某一值時(shí)，繼續(xù)増加電壓，誘導(dǎo)速度不再提高，甚至有所下降。這是因?yàn)閷?dǎo)電率升高，等離子體以較高的密度排出，降低了區(qū)域內(nèi)的等離子體密度，使激勵(lì)器的推力減小，誘導(dǎo)速度下降［20-21］

圖4 不同激勵(lì)電壓下離子風(fēng)的時(shí)均速度場

圖5 不同激勵(lì)電壓下的誘導(dǎo)速度

3 等離子體激勵(lì)器對模型尾部流動(dòng)的控制

3.1 試驗(yàn)布置

采用PIV速度場測量、表面壓力測量和氣動(dòng)阻力測量等方式，利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了等離子體激勵(lì)器在方背Ahmed模型尾部流動(dòng)中的控制作用。模型試驗(yàn)布置如圖6（a）所示，為避免風(fēng)洞地面邊界層對試驗(yàn)的影響，將方背Ahmed模型固定在地面上方0.5 m的平臺上，并在平臺前緣倒角，避免氣流在此處產(chǎn)生邊界層分離。模型距離平臺前緣距離1L、后緣3L，平臺總寬度7B。PIV激光器布置在平臺最后方，CCD相機(jī)布置在模型側(cè)面平臺以外的位置，測壓管穿過支撐圓柱在模型內(nèi)部與尾部上的測壓孔相連，模型天平布置在模型下方平臺內(nèi)，激勵(lì)器布置位置的上游用絕緣膠帶貼平，以上試驗(yàn)布置均有效避免了對流場產(chǎn)生干擾。另外，試驗(yàn)阻塞比小于2%。

圖6 試驗(yàn)布置

由于等離子體激勵(lì)器誘導(dǎo)的風(fēng)速較低，將其直接布置在大角度分離的分離點(diǎn)附近，難以實(shí)現(xiàn)有效的流動(dòng)分離控制。因此，本文中設(shè)計(jì)了直徑為40 mm的1／4圓圓弧導(dǎo)流板，將其固定在模型尾部上側(cè)和左右兩側(cè)，并將激勵(lì)器安裝在3個(gè)弧形導(dǎo)流板上，激勵(lì)器上電極末端位于圓弧f＝15°位置，3組激勵(lì)器同時(shí)工作，如圖6所示。底部因距離地面較低，不易布置激勵(lì)器，主要研究激勵(lì)器對上側(cè)和左、右兩側(cè)的氣流控制。

利用壓力傳感器對模型尾部42個(gè)點(diǎn)進(jìn)行表面壓力測量，由于對稱性，測壓孔只布置在尾部的一側(cè)區(qū)域，其位置如圖7所示。

圖7 尾部測壓孔位置

對模型尾部表面靜壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)式（1）［22］可得壓力系數(shù) Cp分布。

式中：p為試驗(yàn)測得的車身表面靜壓；p∞為來流靜壓；ρ為空氣密度；u∞為試驗(yàn)來流風(fēng)速。

3.2 測試結(jié)果分析

加裝導(dǎo)流板和激勵(lì)器都對模型尾部起到一定的減阻效果，為區(qū)分導(dǎo)流板和激勵(lì)器分別產(chǎn)生的減阻效果，定義了不同的減阻率。

被動(dòng)減阻率ΔCdp用于評價(jià)導(dǎo)流板的減阻效果，其定義為

主動(dòng)減阻率ΔCda用于評價(jià)激勵(lì)器的減阻效果，其定義為

總減阻率ΔCdt用于評價(jià)導(dǎo)流板和激勵(lì)器兩者共同作用的綜合效果，其定義為

式中：Cd0為原車的阻力系數(shù)；Cdoff為加裝導(dǎo)流板和激勵(lì)器且激勵(lì)器關(guān)閉時(shí)的阻力系數(shù)；Cdon為加裝導(dǎo)流板和激勵(lì)器且激勵(lì)器開啟時(shí)的阻力系數(shù)。

安裝導(dǎo)流板后的被動(dòng)減阻率如表1所示，在不同的風(fēng)速下，均有4%以上的減阻效果，且在低風(fēng)速下減阻效果最好，最大減阻率為-4.65%。

表1 安裝導(dǎo)流板后相對于原車減阻率

圖8為低風(fēng)速（5 m／s）下，尾部橫截面流場煙流顯示。對比激勵(lì)器開啟前后煙流效果可以看出：在激勵(lì)器關(guān)閉時(shí)，兩側(cè)氣流從側(cè)緣導(dǎo)流板上分離，形成較寬的尾部分離區(qū)，且能明顯地觀察到尾流中存在兩個(gè)橫向渦，導(dǎo)致尾流流態(tài)較為雜亂；激勵(lì)器開啟后，兩側(cè)氣流受激勵(lì)器能量注入的影響，推遲了氣流在導(dǎo)流板上流動(dòng)的分離，使得兩側(cè)氣流向中間收縮，尾流寬度變窄，并加快了兩側(cè)氣流的匯集，縮短了尾流長度，同時(shí)氣流也變得更為光順。

圖8 尾部橫截面流場煙流顯示

從煙流效果上看，激勵(lì)器對模型尾流中兩側(cè)橫向渦的控制效果顯著，使尾部氣流分離區(qū)明顯減小。流動(dòng)的變化會(huì)導(dǎo)致流場中壓力分布的改變，進(jìn)而引起模型氣動(dòng)阻力的改變。

下面對模型尾部縱向中截面的PIV速度場進(jìn)行分析，以觀察等離子體激勵(lì)器控制下的尾渦變化，進(jìn)一步探究激勵(lì)器的減阻機(jī)理。由于不同電壓激勵(lì)下的流場變化差異較小，此處只展示15 kV激勵(lì)電壓控制下的流場圖。

圖9為尾部縱向中截面的速度云圖。可以看出，安裝導(dǎo)流板后尾流區(qū)長度明顯減小，且激勵(lì)器開啟后，尾流區(qū)域進(jìn)一步減小。分離區(qū)減小是導(dǎo)致尾部區(qū)域壓力升高的主要原因，因此等離子激勵(lì)器是通過推遲尾部氣流的分離，減小分離流長度，提高尾部壓力，減小模型的壓差阻力，來起到減阻的作用。

圖9 10 m／s時(shí)激勵(lì)器控制下的尾流場中截面速度云圖

圖10 為縱向中截面（y＝0）的流線圖。可以看出，無激勵(lì)器控制時(shí)，尾流中主要存在一對反向旋轉(zhuǎn)的旋渦（以F1和F2為中心），上層渦旋的強(qiáng)度較大，且渦旋中心相比于下側(cè)渦旋中心距離車體更遠(yuǎn)，這是由于較小的離地間隙一定程度上限制了氣流從模型底部流入尾跡，抑制了下層渦的形成，導(dǎo)致下層漩渦能量較低，這種不對稱性在其他類似試驗(yàn)中也能觀察到［23-24］。導(dǎo)流板和等離子體激勵(lì)器的控制導(dǎo)致了尾流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，在圖10（b）和圖10（c）中可觀察到尾跡的總體減小和上下渦的前移。頂部激勵(lì)器引入到流動(dòng)中的動(dòng)量改變了上層氣流的流動(dòng)，引起上層尾渦結(jié)構(gòu)大小和位置更明顯的改變，導(dǎo)致上層渦旋中心的位置逐漸超過下層漩渦，距離車體的橫向距離更小。

圖10 10 m／s時(shí)尾流場中截面流線圖

圖11 10 m／s時(shí)不同控制電壓下的壓力系數(shù)云圖

圖11 為較低自由來流速度時(shí)不同激勵(lì)電壓控制下的尾部壓力云圖?？梢钥闯?，原車壓力云圖中間偏下存在一個(gè)低壓中心，這是由于尾流場中存在兩個(gè)對稱的橫向渦所致，而下方由于地面的限制，來流較少，導(dǎo)致底部壓力比頂部偏低。整體壓力分布較均勻，平均壓力系數(shù)在-0.22左右。這與Volpe等［25］的試驗(yàn)結(jié)果一致。

安裝激勵(lì)器后，壓力云圖右上方出現(xiàn)一個(gè)局部的高壓區(qū)域，這是由于上側(cè)和右側(cè)導(dǎo)流板連接縫隙，引入了部分尾流，導(dǎo)致此處壓力偏高。對比不同激勵(lì)電壓下的壓力云圖可以看出，隨著激勵(lì)電壓的升高，尾部整體壓力也逐漸升高，且模型右側(cè)邊緣附近和模型尾部中線附近的壓力變化最為明顯，主要是由激勵(lì)控制后模型尾部兩個(gè)對稱橫向渦的變化引起的。底部未加裝激勵(lì)器，所以壓力變化較小。

表2為不同速度、不同電壓控制下的減阻率。由表可見：隨著激勵(lì)電壓的提高，主動(dòng)減阻率和總減阻率逐漸增大，這與圖11中尾部壓力變化的趨勢一致；在10 m／s、17 kV的激勵(lì)電壓下，達(dá)到最大的減阻效果，此時(shí)主動(dòng)減阻率為-4.58%，總減阻率為-9.02%。

表2 不同速度、不同電壓控制下的減阻率

對比不同風(fēng)速下的減阻率可以看出：隨著風(fēng)速的提高，激勵(lì)器減阻效果和綜合減阻效果皆明顯下降，在17 kV而速度提升至15 m／s時(shí)，主動(dòng)減阻率降至-3.18%，總減阻率降至-7.31%；風(fēng)速進(jìn)一步提升至20 m／s后，在較低激勵(lì)電壓下，幾乎起不到控制效果，在最大的激勵(lì)電壓17 kV下，其主動(dòng)減阻率降至-1.35%，總減阻率降至-5.37%。此時(shí)相對于原車，其主要的減阻貢獻(xiàn)來自于導(dǎo)流板，由于激勵(lì)器產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流強(qiáng)度有限，在高風(fēng)速下的減阻貢獻(xiàn)較小。

4 結(jié)論

導(dǎo)流板和等離子體激勵(lì)器的控制導(dǎo)致了尾流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，上側(cè)氣流下引和左右兩側(cè)的氣流向中間匯集，導(dǎo)致尾部分離區(qū)縮小，尾跡縮短，同時(shí)縱向渦和橫向渦的減小，使尾部氣流變得光順，降低了尾流區(qū)的能量耗散。以上流場的變化，使尾部壓力提升，從而起到減阻的效果。

主動(dòng)流動(dòng)控制效果隨著激勵(lì)電壓的增長而提高，在17 kV的激勵(lì)電壓下，主動(dòng)減阻率為-4.58%，總減阻率達(dá)-9.02%。但該研究受離子風(fēng)強(qiáng)度限制，并未達(dá)到模型的減阻極限，若繼續(xù)對激勵(lì)器的氣動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化，有望獲得更大的減阻效果。

等離子體激勵(lì)器可有效推遲尾部氣流的分離，減小分離流長度，從而提升尾部壓力，減小模型壓差阻力，最終達(dá)到減阻的目的。