08车辆空气动力学156范亚军

第一届中国空气动力学会议2018.08。绵阳为双稳态尾流的0Ahmed模型减阻研究案例亚军为1，2，夏季为1，2，*宝1，2，*梁1，2，3 (1)。上海地面交通工具空气动力学和热环境模拟核心实验室，上海201804；2.同志大学上海地面交通工具风洞中心，上海201804；3.北京民用飞机技术研究中心，北京102211)通讯作者：chao.xia 1。引言引言是典型的三维钝体，Ahmed模型1是汽车空气动力学研究中最常用的简化模块。更改模型背面的后倾角大小，使Ahmed模型的尾部具有各种流动结构的相互耦合效果，如一对反向旋转流涡(c-column vortex)、马蹄涡(分离气泡)或环涡、KH不稳定性引起的过渡涡2，3。其中，倾角为零的Ahmed模型是最接近商用车的车身模型。以前学者的研究表明，在1: 0Ahmed模型中，70%以上的阻力归功于等负压的贡献，因此研究尾流特性对于减少商用车的阻力具有重要的研究价值。0 Ahmed模型尾流区的典型恒定流结构是从背边分离气流，形成涡流流环5。涡环是尾流区总压力损失的主要部分。在沿流动方向的纵向对称方面，方向漩涡是一对向相反方向旋转的漩涡，由于地面效应的影响，两个漩涡呈不对称状态。在沿流向的水平面上，胡椒敌人通常被认为是对称反向旋转的涡结构对。随着对0 Ahmed模型尾流的非正规研究的继续，学者们重新开始理解0 Ahmed模型的尾流结构。该模型没有倾斜的背部，因此不会产生垂直拖动的c柱漩涡，通常认为垂直或侧面的涡流主要从异常尾流中下落，并伴随着流向中拉长或缩短的逆流区域(pump 6)。近年来，0 Ahmed模型尾流区的双稳特性对Grandemange等7进行了细致的风洞实验，结果表明尾流区在垂直方向上具有截面对称的两个确定性和稳定的流结构，这两种稳定状态之间的随机切换是长周期的(T1000h/uu其中，h表示模型高度，U0远远大于典型的旋涡脱落和剪切层不稳定性周期(约5H/U0)。如果将一次转换的持续时间定义为不稳定的时间，则t的数量通常是的几倍。此外，两种稳定状态还受分离间隙和模型长宽比的影响，并且可以更改背部压力分布和气动属性8，9。G. Bonnavion等10通过风洞试验研究了两种雷诺(Renault)实车的尾流，结果表明，车水等车在偏角大的情况下(8.6)会产生稳态现象，在偏角为4时会发生背压分布的反转。本研究考虑了侧风的影响，可以更准确地模拟实际情况，对实际工程中的应用有意义4。通常应用于背侧车辆的有效减阻措施主要包括背侧的喷射装置、垂直分隔器、空腔和船尾结构11。近年来，以双稳现象为基础的矩形和轴对称钝体的许多研究都致力于寻找和解释更合适的流控制策略，这是抑制空间对称模式出现的主要控制手段。Ahmed等12表明，在0 Ahmed模型上安装等腔可以将阻力降低约9%。合适的空腔深度使尾部流场稳定对称，抑制双稳态的第一次中国空气动力学会议2018.08。因为棉量出现，循环循环区域减弱。同样，13(例如Cadot)在艾哈迈德模型尾迹区域垂直放置控制圆柱，表明如果布局合理，可以抑制稳态现象，减少阻力。在Erik Wassen等14正方形后模型的尾部边缘创建空隙，提供恒定射流的主动控制方法，使阻力减少10%以上。该方法延迟了剪切层涡流的形成，改变尾流结构，提高了背压，通过45射流角度获得了最佳减阻效果(11.1%)。O. Evstafyeva等15安装传感器和异常合成射流以衰减0 Ahmed模型背面的压力波动，从而实现线性反馈控制。此控件可以使滞后对称，并将气动阻力降低约3%。目前对双稳态现象的研究不少，但考虑双稳态流动结构的方白体模型的减阻政策的研究还很少。本文通过风洞测试方法研究了0 Ahmed模型尾流的异常特性，利用POD提取主要一致结构，同时基于双稳定现象进行减阻设计，寻找理想的减阻策略，并通过POD等分析方法说明了减阻策略的减阻机理。2风洞试验风洞试验设定试验设定2.1试验设定本试验将在上海地面交通工具风洞中心1/15收缩比的模型风洞中进行。该模型风洞具有3/4开口逆流风洞，喷嘴面积为0.123m2，风洞测试段长度为1000mm，喷嘴宽度为432mm，高度为288mm，最大风速为49m s-1，测试段轴向静压梯度小于0.005m-1，湍流流量小于0.5%。实验模型是四分之一收缩率的方形背面Ahmed模型，如图1所示，模型大小为261mm(长)97.25mm(宽)72mm(高)，地面间隙为12.5mm。在此实验中，正向风速为20m/s，对应的雷诺数Re=9.2 104。该测试的内容包括表面压力测量和PIV测试测量速度字段。如图2(a)、(b)所示，模型的四个支撑支柱通过圆形转盘通过两个转换平台连接到支撑平台。模型表面的水平和垂直中间剖面和背面共有64个压力测量孔，如图2(d)所示。压力测量时，模型表面的压力测量孔位置为50HZ，取样时间为600秒，通过1mm不锈钢管道进行压力测量。压力系数Cp定义为=0 1 20 2 (1)。其中是空气密度，0是自由流动压力，0是自由流动速度。Pivot测试主要测量模型尾部区域中其他截面的速度分布，包括两个测量平面：水平中间平面z/H=0.67和垂直中间截面y/H=0。位置分布如图2(c)所示。用于测量的PIV激光的最大脉冲能量为500mJ，CCD相机分辨率为66004400pixel，PIV采样频率为1.25Hz。图1四方形back Ahmed模型第一次中国空气动力学大赛2018.08。绵阳图2测试设备设置和坐标系：(a)主视图；(b)平面图；(c)等轴侧视图和PIV拍摄平面；(d)模型背面25个压力测量点布局2.2减阻策略设置，将长度不同的船尾结构(Boat-tail)和壁流装置(Coanda)的两个附件安装在1/40 Ahmed模型的背面，如图3所示。其中船尾结构向内9，长度为5mm、9mm、14mm、20mm、30mm、36mm；壁流装置被半直径为9mm的圆弧形面包围。图3(a)船尾结构；(b)附着壁流动装置图3。实验结果分析3.1表面压力系数第一次中国空气动力学会议2018.08。绵阳图4模型等压力测量点面积平均压力系数CP: (a)原始状态；(b)co anda 9毫米；(c)boat-tail 9mm；(d)boat-tail 20mm；(e)Boat-tail 30mm图4反映了模型背部安装其他附件时压力测量点区域中平均压力系数的变化。可以观测到设置船尾结构和扶壁流动装置后等压力升高。另一方面，随着船尾的长度越来越长，背压逐渐升高。如果Boat-tail长度为30mm，则背部平均压力系数Cp=-0.031比原始状态(Cp=-0.176)提高82.4%，这是减少阻力的直接原因。安装9mmCoanda时，背部平均压力系数Cp=-0.153，与原始状态相比略有上升。图5等两个对称点的压力系数随时间变化为：(a)9 MMC oanda；(b)30mmBoat-tail压力系数的概率密度分布：(c)左侧压力计点(y/H=-0.23，z/H=0.67)；(d)右侧压力表点(y/H=0.23，z/H=0.67)图5显示了等两个对称位置的压力表在一段时间内的压力系数和概率密度分布(100秒)。在基本状态下，压力系数Cp较低，在两个特定值之间转换。安装9mmCoanda后，压力系数Cp略有增加，但在图5(c)，(d)所示的概率密度分布的两个特定值(如两个峰值)之间继续转换。也就是说，尾流区域仍存在双稳态现象。安装30mmBoat-tail后，左右两个压力计的压力系数在相同范围内波动，相应的概率密度分布仅出现一个峰，这是第一次中国空气动力学比赛2018.08。表示绵阳抑制了双稳态现象。图6说明了背面水平和垂直方向的压力梯度与背压的关系。如图7(a)所示，当背部压力拔模远离零点时出现双稳定状态时，原始状态的轨迹图显示为“8字体”，因为平均背压系数Cp较低，与转换状态对应的Cp值通常较高，并且在后面添加30mm Boat-tail时，水平方向的压力系数在零点附近聚合。一般来说，双稳态现象是等压力降低，阻力增大的重要原因，因此，减阻策略应考虑到稳态对背压的影响，尽可能地抑制双稳态的作用。图6压力梯度的轨迹相图：(a)水平压力梯度；(b)垂直压力梯度3.2尾流区域流动结构图7显示了尾流区域水平的剖面z/H=0.67中的瞬时流动状态。左、中、右三行分别是原始启动状态、9mmBoat-tail安装和30mmBoat-tail安装，每个条件选择三个代表瞬间时间。在原始状态下，尾涡区表示稳定的大尺度涡结构在左右位置交替出现，大尺度涡的一侧没有产生小尺度涡的双稳定状态。安装9mmBoat-tail后，仍然出现双稳态现象。也就是说，在回流区，涡旋左右不对称，剪切层偏转和下游方向的涡流与当前不对称位置有关。但是此时，大涡结构比原来的状态减少，意味着双稳定现象受到了一定程度的抑制。如果Boat-tail长度为30mm，则双稳现象完全受到抑制，在前两个条件下未观察到发生的大涡结构，这意味着左右涡流脱落，涡强度减小，涡针强度减小。图8的左侧显示了尾流区域横断面的z/H=0.67 (a)、(b)、(c)分别为原始状态、9mmBoat-tail和30mm boat-tail。如图所示，安装了bott-tail结构后，尾流区域的宽度变窄，剪切层向内偏转的曲率增加，并且随着Boat-tail长度的增加，这种趋势更加明显。还可以观察到回流区涡结构随波-尾长度的增加而变小的趋势。图8的右侧显示了同一平面的流动方向的脉动速度场，在原始状态下涡流脱落，与图7的原始状态对应的瞬时场现象一致，因此，模型背面的左右速度脉动很大。增加波台(Boat-tail)将显着降低流动方向的脉动速度，减少主流能源消耗，再次表明，波台(b)，(c)可以减弱涡流的强度，如图98的右图(b)，(c)所示。第一届中国空气动力学会议2018.08。绵阳图87尾流区域横断面z/H=0.67处的瞬时涡流场和流线：原始状态(左)；Boat-tail 9mm(中等)；Boat-tail 30mm(右侧)；(a)，(b)，(c)三个不同的瞬时时间图8尾流区域横截面z/H=0.67中的时间平均速度字段(左)和脉动速度字段(右):(a)原始状态；(b)boat-tail 9mm；(c)Boat-tail 30mm图9显示了尾流剖面y/H=0处的瞬时流场。左、中、右三列分别为以下三个条件选择了三个瞬时时间：原始状态、安全9mmBoat-tail和安装30mmBoat-tail。所有这三个条件都可以观察到，当气流从模型的背部上下分离时，上下剪切层向内偏转，向下形成离散涡结构，与原始状态相比，Boat-tail尾迹值变小。此时，横截面z/H=0.67中观察到的不对称大涡结构不会出现，这是垂直方向第一次中国空气动力学大会2018.08。绵阳意味着没有双稳态现象。原因是，在发生恒稳态现象的情况下，必须满足一定间隙和模型的高长宽比9，在方形背面Ahmed模型中，在垂直方向上不能满足长宽比要求。图9尾流区纵向剖面y/H=0处的瞬时涡流场和流线：原始状态(左)；Boat-tail 9mm(