基于尾部流动结构的车辆气动减阻技术研究

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1、摘要基于尾部流动结构的车辆气动减阻技术研究汽车是人类生产生活中的重要工具之一。随着汽车保有量逐年升高，能源与环境问题日益凸显。面对能源危机与环境恶化，人们意识到降低车辆行驶阻力，提高燃油经济性的必要。汽车行驶中所受阻力分为气动阻力与滚动阻力。当车速较高时，气动阻力在总阻力中所占比例较大，发动机做功的较大一部分用于克服气动阻力，因此降低车辆气动阻力对提高燃油经济性意义重大。汽车行驶时所受气动阻力主要来自于车身前后的压差阻力，车身尾部分离流动在尾部形成的负压区是汽车压差阻力的主要来源。如果能够提高车身尾部压力，那么将使车身前后压力差减小，气动阻力随之降低。而车身尾部压力与尾部分离流动结构直接相

2、关，因此为了降低汽车气动阻力，改变车身尾流结构是非常重要的。本文依托吉林省科技发展计划支撑项目，针对汽车尾流结构开展气动减阻研究。由于汽车尾部造型各有不同，为避免不同车型的尾部造型差异所带来的影响，对比以往研究，本文选择具有车辆尾部典型特征的35°倾角Ahmed模型作为研究对象，采用数值仿真与风洞实验相结合的研究方法，使用隔板与圆孔射流技术两种方法对模型尾流结构进行控制，研究这两种方法的减阻机理。首先，本文进行了Ahmed模型尾流场的仿真与实验验证研究。使用雷诺时均法SSTk-ω湍流模型对35°Ahmed模型尾流场进行数值仿真，发现流动在该模型尾部近场分离产生四个主要分离涡，即顶部与底部的

3、横向分离涡及两侧分离产生的纵向拖拽涡对，拖拽涡对在模型下游发展时成为主要流动结构。模型顶部分离涡与底部分离涡构成模型尾部回流区，其中顶部分离涡所占空间较大，因此其对模型尾部压力分布影响较大。使用针对本模型设计低干扰风洞实验台对数值仿真结果进行风洞实验验证，发现仿真结果与实验结果吻合较好，验证了本文采用的数值仿真方法的正确性与可靠性。使用SST-DES方法获得Ahmed模型尾部y=0截面瞬时流场信息，利用POD本征正交分解对所得瞬态流场进行分解，分析模型尾流场中的含能结构，发现尾部分离涡结构占总能量比例较高。其次，开展了门字形隔板对Ahmed模型尾流结构控制的减阻研究。针对Ahmed模型尾流

4、结构特点，提出门字形隔板减阻方法。在Ahmed模型尾部斜面上布置门字形隔板将模型尾部两侧分离产生的纵向拖拽涡与顶部分离产生的顶部分离涡隔离，I研究隔板的宽度及布置位置变化对模型气动阻力的影响。研究表明门字形隔板可以有效抑制两侧拖拽涡的发展，模型顶部分离位置推迟到顶部隔板后缘，顶部分离涡涡核向模型后上方偏移，模型尾部斜面压力升高，气动阻力系数降低。使用针对本模型设计的低干扰风洞实验台对隔板数值仿真结果进行风洞实验验证，发现仿真结果与实验结果所得减阻规律一致。在所研究的三种宽度的隔板中，宽度w=50mm的隔板减阻效果较好。本研究中最佳减阻效果为隔板宽度w=50mm、间距e=10mm，数值仿真最

5、佳减阻率为8.39%，风洞实验验证减阻效果为7.63%。再次，进行了射流对Ahmed模型尾流结构控制的减阻研究。针对Ahmed模型尾流结构特点，使用射流对模型顶部分离涡进行控制。在风洞实验研究中，由于所使用的射流孔孔径及射流速度较小，减阻效果并不明显。在数值仿真研究中，使用孔径较大的射流孔，发现射流可以有效控制尾流结构，抑制模型尾部拖拽涡，顶部分离涡向下游移动，提高了模型尾部压力系数，使得模型气动阻力降低。其中在顶盖后缘及斜面上边缘布置法向射流可以达到5%的减阻效果，而在斜面上边缘使用水平射流在较低的射流速度下才有减阻效果。顶盖后缘及斜面上边缘设置法向射流，随着射流速度的增加，气动阻力系数

6、先减小后增加，而在斜面上边缘设置水平射流时，随着射流速度升高，气动阻力系数先减小后增加，在射流速度高于32m/s后失去减阻效果。然后，针对某卡车模型进行门字形隔板对尾流控制减阻应用研究。在某卡车模型尾部添加门字形隔板对模型顶部及两侧分离流动进行控制，发现门字形隔板使货箱尾部分离向后移动至隔板后缘，尾部分离区变窄，货箱尾面压力升高，模型气动阻力降低。对比不同位置和不同宽度隔板对气动阻力的影响，具有较好减阻特性的是宽度w=50mm的隔板，而当e=10mm时，达到最佳减阻效果3.88%，风洞实验得此种工况减阻效果为4.10%。最后，针对某轿车模型进行射流对尾流控制减阻应用研究。借鉴射流在Ahme

7、d模型上的减阻研究，在顶盖与后风窗交接处添加射流孔，发现射流使后风窗上的气流不再附着，而是提前分离，车身行李箱盖竖直面与后围表面压力系数升高，气动阻力降低。数值仿真与风洞实验所得气动阻力系数随射流速度变化趋势一致，均为先减小后增加。风洞实验的减阻效果略低于数值仿真，两种方法在射流速度为40m/s时，减阻效果最佳，其中数值仿真减阻3.51%，风洞实验减阻3.26%。本文以35°Ahmed模型为研究对象，利用数值仿真与风洞实