定常喷/吸流动主动控制方法减阻研究

针对Ahmed类车体,在车身斜面选定位置处设置控制槽,采用证明为有效的大涡模拟数值方法,研究喷/吸流动主动控制方法的气动减阻机理及效果.基于流场数据分析发现喷射控制致使车体斜面上流动大分离发生,拖曳涡对得以消除,但尾迹区尺度增大,气动阻力上升;抽吸控制方法抑制和消除展向涡结构的产生及发展,但拖曳涡对未受显著影响,气动阻力下降.     

基于涡流发生器的Ahmed模型分离流被动控制实验

能源危机和环境恶化使人们意识到提高车辆燃油经济性的必要性,从而推动了车辆气动减阻技术的研究。选择具有尾部典型特征的30°倾角Ahmed模型为研究对象,通过在模型尾部安装涡流发生器控制装置,利用七孔探针测试技术研究了涡流发生器不同排列方式对尾流场的控制特性。结果表明,在实验状态下,Ahmed模型尾部存在大范围低压分离区,该分离区长度约为模型总长度的50%,是形成压差阻力的主要原因;涡流发生器排列方式对模型的尾流结构影响较大,当涡流发生器产生的流向涡与模型尾部分离涡运动方向相同时,分离流动控制效果明显,流向涡使得沿车身底层的动量掺混作用增强,模型尾流区的相对压差恢复系数可增加6.94%,尾流区长度降低40%;与之运动方向相反的流向涡会对模型尾部的分离涡运动产生阻碍作用,导致模型尾部流场中的压力降低。     

车尾水平收缩气动减阻的规律及机理

以MIRA两厢车为对象,采用风洞实验和数值仿真方法,对气动阻力受车尾水平收缩的影响规律进行研究,表明车尾水平收缩提高尾部表面压力水平,有效降低气动阻力;基于可靠性被验证的数值仿真结果,对尾流结构变化规律进行研究,表明车尾水平收缩为尾部死水区提供额外动能,抑制拖曳涡对的形成和发展,减小尾迹区流动能量损失,降低气动阻力.     

基于等离子体的GTS模型气动减阻研究

为探究等离子体对类厢式货车的气动减阻效果,以GTS模型为研究对象,采用数值仿真的方法,分别研究了当来流风速为20 m/s时,3个位置处等离子体布置角度、激励电压对GTS模型的气动减阻效果并分析其减阻机理,然后进行组合工况的分析.研究结果表明,等离子体是通过诱导近壁面气体定向流动使流动分离点后移、推迟流动的分离,从而减小GTS模型前后压差阻力、降低整车气动阻力系数,等离子体布置的位置在流动分离点后方并且靠近流动分离点.单个位置激励时,等离子体布置在GTS尾部两侧时气动减阻效果最好,最大减阻率为5.09%;组合工况时最大减阻率可达6.01%.当来流风速一定时,等离子体存在最佳布置角度与激励电压.     

类车体尾迹流动非定常特性

通过与已发表的数据相比对,对大涡模拟方法的有效性进行验证.采用该数值方法对高雷诺数下25°后倾角Ahmed类车体背部斜面及尾部垂直面处尾迹区的流动进行解算.通过对背部斜面处分离泡、背部斜面侧边"C柱"处卷起的拖曳涡对及尾部垂直面处回流区流场信息的采用及相关频谱特性分析,研究并明确了尾迹区起主导作用的大尺度相干结构及运动的非定常特性.在流动的不同区域,类车体尾迹区流动的非定常特性不尽相同,主要体现为背部斜面分离泡的拍击振动具有绝对不稳定性特征,由KelvinHelmholtz(KH)不稳定性诱发的大尺度相干结构具有对流不稳定性特征;两侧"C柱"拖曳涡对在背部斜面上与展向涡相互耦合,具有较好的对称性;拖曳涡对在垂直面处回流区内与该区展向涡相互混掺,但无耦合作用且不具有对称性;垂直面处回流区内上、下侧剪切层卷起的展向涡以类似卡门涡街形式交替产生并脱落;高雷诺数时,整个尾迹区流动的特征频率趋于一致.     

高速列车底部导流板的气动减阻特性研究

为改善列车底部流场结构，进一步减低高速列车的气动阻力，基于底部导流的思想，设计了一种列车底部转向架舱前后位置布置、截面为三角形的导流板并开展其气动减阻特性研究.以300 km/h的速度明线运行的三车编组CRH380B型高速列车为研究对象，采用Realizable k-ε湍流模型，对4种典型的导流板安装位置进行探讨，并选择减阻效果最好的导流板安装位置，分别探究了5种角度和5种高度的不同组合下的导流板减阻特性差异，对比了安装导流板前后车体、转向架以及转向架舱上的阻力变化情况、压力分布变化情况以及转向架区域的流场结构变化情况.结果表明：仅在各转向架舱前双向开行的来流方向安装导流板时的减阻效果最佳；安装导流板后，车体、转向架舱上的气动阻力虽有所增加，但转向架上的阻力明显减少，转向架区域流速降低，前后压差减小，底部流场显著改善.同时发现，15°、100 mm组合的导流板减阻效果最佳，三车减阻率达7.08%.数值仿真证明了底部导流板能有效减小列车运行阻力.     

基于等离子体流动控制的车辆减阻试验研究

在25°Ahmed汽车模型尾部斜面上端布置介质阻挡放电(DBD)等离子体激励器,通过风洞试验,研究了激励器频率为9 k Hz时不同激励电压对模型气动阻力系数的影响、10～25 m/s风速下的最大减阻率和此时对应的最佳激励电压. PIV测得的流场图以及PSI压力扫描系统测得的模型尾部斜面的压力值显示,在DBD开启时,激励器周围及尾部斜面近壁面区域流速提高,尾部分离区减小,尾部斜面上测压点处的压力升高;根据天平传感器测量结果,试验风速为15 m/s时获得最大减阻率,为7. 28%,对应的最佳激励电压为18. 5 k V. DBD激励器通过降低模型的压差阻力起到减阻效果.随着激励电压的提高,气动阻力系数呈现先下降后趋于平稳的趋势,且存在一个最佳激励电压;随着风速的增加,需要更高的激励强度才能起到较好的减阻效果.     

一种厢式货车被动减阻技术研究

针对货车气动阻力较高问题,研究了尾部上翘角对货车减阻效果的影响.货车采用简化的Ahmed模型,运用SSTk-ω湍流模型进行CFD模拟,针对不同尾部上翘角对货车外流场的影响因素进行了研究,包括气动阻力系数、表面压力系数及尾部涡结构等.研究结果表明,通过采用尾部上翘角能够减小货车尾部分离区强度,从而降低阻力.尾部上翘角在10°时阻力系数达到最小,减小阻力系数约6%.     

基于非稳态模拟的SAE车模气动减阻降噪研究

以20°后背倾角阶梯背式SAE（Society of Automotive Engineers）模型为参考模型，基于改进延迟分离涡模拟（Improved Detached Eddy Simulation， IDDES）湍流模型，研究了分别在车模后倾斜面顶部和尾部添加涡发生器 （Vortex Generators， VGS）和沟槽（Riblets， RTS）时的非稳态流场结构，分析了两种被动减阻装置的减阻机制.同时通过提取流场声源信息，利用计算气动声学方法（Computational Aeroacoustics， CAA）和Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程对汽车噪声进行分析，研究了两种附加装置的声学特性.结果表明，两种附加装置减小了尾部涡结构强度，降低了气动阻力，同时降低了脉动压力，不仅实现了减阻还具有降噪的效果.减阻率分别为2.41%、2.76%，总声压级最大降低值分别为9.55 dB、5.46 dB.     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

仿生球体形态对高速磁浮列车减阻的影响

采用基于SST k-ω双方程的IDDES湍流模型,在高速磁浮列车流线型部位设置不同形态的仿生球体结构,对其减阻性能进行瞬态模拟。研究结果表明：仿生球体结构不仅可以有效降低尾流流速,削弱尾流的整体强度,而且能够约束尾涡的发展,减小尾涡的辐射范围;球体结构减小了尾车流动分离位置处的高速流区面积,并有效延缓了湍流的猝发性,使得湍流强度降低,边界层厚度变窄;仿生球体结构对列车风产生一种吸附作用,使得高速区被集中在距离尾车鼻尖更近的部位,尾流的流速波动变小;球体形态差异对流场结构的影响较大,与凸包形态的球体结构相比,凹坑形态的球体结构对尾流强度的削弱作用更显著,对流动分离位置边界层的作用效果更好,对列车风的吸附能力更强;凸包形态和凹坑形态的仿生球体结构可分别减小7.64%和14.58%的尾车气动阻力,但会分别增大2.33%和1.16%的头车气动阻力。     

基于车轮的整车气动减阻的研究

针对国内某运动型多用途汽车(SUV),采用均匀设计方法,应用计算流体力学(CFD)技术,进行了车轮气动减阻研究.研究发现:使用均匀设计方法基于车轮的气动减阻能够有效地降低整车气动阻力系数,降幅可达15.9%,;前轮阻流板宽度对于针对车轮气动减阻的气动阻力系数的影响最大,前轮、后轮阻流板高度、宽度,轮辋面积对气动阻力系数存在不同的影响趋势.     

车轮宽度对轿车风阻的影响

针对某三厢轿车,采用计算流体动力学(CFD)数值计算方法,研究车轮宽度对整车气动性能的影响.通过综合分析不同宽度孤立车轮周围的流场结构变化及具有不同宽度车轮的整车周围流场的结构特性,得到结论:车轮宽度每减小5%,单车轮模型气动阻力约减小9.2%,整车模型气动阻力约减小2%.这是因为减小车轮宽度可以减小车轮两侧的气流分离,缩小尾部涡流区域,降低车轮及汽车尾部湍流强度,从而有助于降低车轮及整车气动阻力.     

平头卡车气动减阻设计及试验研究

为改善某平头卡车气动特性，降低风阻，通过卡车整车风洞试验研究不同部件对阻力系数的贡献，发现导流罩、领口板、后视镜、侧裙板对阻力系数的贡献很大. 根据空气动力学原理对导流罩等对阻力系数贡献大的部件进行气动减阻优化设计，并通过试验对减阻效果进行验证. 通过后视镜与导流罩的改型设计，改善卡车前端流场；对货箱尾部导流片进行参数组合设计，改善卡车尾部流场；得到各部件减阻效果较好的组合方案. 风洞试验结果表明，经过气动减阻设计，卡车车身气动性能得到明显改善，相比于初始模型，最佳气动性能组合方案的减阻效果约为7%.     

尾部特征参数对气动阻力交互影响与全局优化研究

汽车尾部结构气动减阻优化时,各几何特征参数间往往存在此消彼长的现象,使得优化变得盲目而复杂.对此,为探明关键几何参数的交互影响规律,以Ahmed类车体为研究对象,在HD-2风洞试验对标验证基础上,对后背3个主要特征参数进行了CFD仿真研究,并在此基础上,为克服盲目性,应用集成优化平台对尾部特征参数进行优化设计.结果表明,后背倾角角度对减阻的贡献量最大,背部两侧圆角半径次之,后背顶部圆角半径最小;三者的改变对气动阻力的影响都具有非单调性;当后背倾角角度、后背顶部圆角半径和背部两侧圆角半径分别为13°、283 mm、58 mm时,能有效减小气动阻力,减阻率达到11.76%,为具体车型减阻优化研究提供借鉴.     

柔性飘带长度对Ahmed模型气动阻力的影响

为降低汽车行驶过程中的气动阻力,以尾部倾角为25°的Ahmed类车体模型为研究对象,提出在其尾部垂直面下边缘添加不同长度柔性飘带的控制方法,采用格子玻尔兹曼方法与有限元分析相结合的流固耦合计算方法,探讨了柔性飘带长度对汽车气动阻力的影响。首先对汽车模型进行格子尺度优化,得到模型的空气阻力系数;然后研究了柔性飘带对汽车气动阻力的影响;最后对模型尾部流场、柔性飘带附近流场以及模型尾部表面压力系数进行了分析。仿真结果表明：在模型尾部添加适当长度的柔性飘带,改善了尾流结构,提升了尾部表面压力,减小了车体的压差阻力,减阻率最高为12.25%。     

合成射流激励频率对D型体流动减阻控制的影响

采用合成射流作为主动控制手段,对自由空间中D型体尾流的控制机理和气动减阻进行了数值仿真。合成射流布置在D型体垂直背上下缘处并同时作用,射流方向与来流方向平行,频率从40 Hz变化到500 Hz。结果表明,在整个频率范围内都实现了减阻。在低频激励(65 Hz)作用下,尾流上下两侧剪切层趋于同步化,汇合位置延后,卡门涡街强度减弱;在高频激励(500 Hz)作用下,伴随着整流,剪切层向内偏转,尾流夹带现象减弱,回流区略延长。卡门涡街的抑制对于钝体尾流的形成以及减阻效果有着显著的影响。     

风力机叶片翼型气动特性数值模拟

为研究风力机转子叶片的翼型特征,通过Fluent软件对改进的NACA类风力机转子叶片翼型的绕流流动气动特性参数进行数值模拟分析.结果表明:对于改进的NACA类转子叶片,翼型特征的优化保留了叶片高升力,进一步降低了阻力,在多攻角范围内均获得了较好的升力系数和升阻比.当攻角较小时,叶片绕流流动即呈现较小的分离涡,随着攻角的上升,叶片正负压强差进一步增大,表面压力系数特征规律趋于稳定,尾部涡进一步扩大,表现出强烈的分离流动特性.翼型的优化设计可以直接提高风力机转子叶片的气动特征,进而提高风力机的工作性能.     

MIRA模型组尾部造型风洞试验研究

汽车尾涡是整车气动阻力主要来源之一,而汽车尾涡直接受尾部造型的影响.因此,研究车身尾部造型对气动阻力的优化具有重要意义.以MIRA标准模型组为研究对象,通过风洞试验,运用表面压强测量技术和粒子图像测速(PIV)技术,得到MIRA模型组各模型的阻力系数以及车身纵对称面表面压强分布和尾部速度流场,并对此进行了定性、定量分析,获得了模型组中各模型阻力系数变化与车身尾部造型的关系.试验结果表明,在模型组中,斜背的阻力系数最小,阶梯背较大,直背最大,且这3种模型的尾部负压区、尾涡涡核距车身距离、尾涡扩散范围依次呈现增大趋势.     

低雷诺数下的Ahmed模型绕流流场结构分析

基于较低雷诺数(1.48×10~4)条件下的Ahmed模型水洞实验,采用大涡模拟的方法研究了Ahmed模型绕流非定常流场,通过流场时均流线分布及相关频谱特性分析了Ahmed模型外部绕流流场的涡系结构特点及其演化过程,并绘制出该模型的外部流场拓扑结构图。结果表明,Ahmed模型顶部涡与侧向涡是模型前端来流发生了分离卷曲而形成的,顶部涡在向下游流动的过程中强度逐渐减弱,直至到达模型尾部倾斜面上方边缘处时基本消散;模型顶部来流在模型尾部倾斜面上方分离并形成分离泡;模型顶部与侧面来流在其尾部倾斜面两侧形成了C柱涡;在模型尾迹区域分布范围较广的分离泡是模型尾部倾斜面上的下洗流与底部上洗流相互作用的结果;Ahmed模型尾迹区域地面附近不仅存在底部涡,同时还有因模型底部侧向来流造成的侧向间隙涡。