摘要
近年来,主动流动控制技术已用于汽车气动减阻研究,但较多针对无车轮的简化汽车模型开展且减阻量和净节率均有待提高。本研究针对原始及带有静止、旋转车轮的方背Ahmed汽车模型,采用数值模拟方法,在模型背部施加定常射流进行主动气动减阻规律的研究。首先,分析无射流工况下车轮对方背Ahmed汽车模型气动特性的影响;其次,重点探究有车轮工况下,射流槽布置形式、射流角度、动量系数等因素对气动阻力的影响规律。获得背部射流的最佳工况为:采用连续且距边缘较近的射流槽,射流角度45°,动量系数3%,减阻量可达9.5%,对应净节率为12.7 W。
为了满足愈发严格的油耗法规和排放标准的要求,汽车制造商必须更快速地着力发展汽车的节能减排新技术。研究表
Ahmed模型是一个最常用的研究汽车气动特性的三维钝体简化模
因此,本文针对原始及带有静止、旋转车轮的1/2缩比的方背Ahmed模型,利用基于雷诺平均的数值模拟方法,通过在模型背部施加定常射流进行气动减阻研究,雷诺数为1×1

a 原始方背

b 带有(静止/旋转)车轮的方背
图1 Ahmed模型
Fig.1 Ahmed model
关于模型背部射流槽布置形式的影响,主要研究射流槽的连续

a 离散6.5 mm

b 离散2 mm

c 连续6.5 mm

d 连续2 mm
图2 4种射流槽布置形式
Fig.2 Four types of jet groove arrangement
如

a 侧视图

b 俯视图
图3 模型背部射流角度定义
Fig.3 Definition of jet angle at the back of model
主动射流需要能量输入,本研究使用动量系数Cμ表征输入的射流能量大小,其定义如下:
(1) |
式中:Anozzles为正在工作的射流槽面积之和,
气动阻力系数Cd的定义如下:
(2) |
减阻量△Cd是用来表征使用射流进行主动控制后,相较于无射流基础工况,阻力值减小的程度,其定义如
(3) |
式中:Cd0为无射流基础工况的阻力值,Cd1为采用射流工况的阻力值。
如

图4 计算域及边界条件
Fig.4 Computational domain and boundary conditions
湍流模型采用基于雷诺平均方法的Realizable k⁃ε两方程模
针对Ahmed和SW模型分别设置4套不同尺寸的网格,以验证模型的网格敏感性,如
参数 | 网格A | 网格B | 网格C | 网格D | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
原始 | 静止车轮 | 原始 | 静止车轮 | 原始 | 静止车轮 | 原始 | 静止车轮 | |
全局目标面网格/mm | 160 | |||||||
全局最小面网格/mm | 1.25 | |||||||
车身表面尺寸/mm | 5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | ||||
尾流加密区尺寸/mm | 5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | ||||
车轮加密区尺寸/mm | 5 | 2.5 | 2.5 | 1.25 | ||||
射流器加密区尺寸/mm | disable | disable | 1.25 | 1.25 | ||||
网格数/万 | 115 | 140 | 406 | 428 | 664 | 690 | 1 119 | 1 171 |
Cd(CFD) | 0.275 | 0.386 | 0.270 | 0.379 | 0.265 | 0.376 | 0.264 | 0.376 |
可以看到,4套网格计算得到的Cd值相差不大,而且在不同尺寸网格下,原始方背Ahmed模型计算的Cd与Grandemang

图5 模型体网格分布及加密区
Fig.5 Grid distribution and encryption area of each model body
a Ahmed模型 b SW/RW模型

图6 无射流工况下3种模型的整体及各部件Cd值
Fig.6 Cd values of the whole and each component of the three models without jet flow
当把整车拆分为车身、背部、车轮/支撑杆3个主要部分,分别研究其阻力值变化时发现,增设车轮后车身阻力值从0.088增加到了0.124,但占整车阻力值的百分比维持在33%左右不变;车轮旋转使车身阻力略有减小,导致总阻力与静止车轮工况相比也有所降低;增设车轮后,背部阻力值略有降低,占整车阻力值的百分比从57.7%下降到40%左右,车轮旋转使背部阻力值增加到了略低于Ahmed的水平;相比于支撑杆,车轮的阻力值占整车阻力的百分比均大幅增加,例如阻力值从支撑杆的0.025(占比9.4%)增加到了旋转车轮的0.112(占比29%)。

图7 无射流工况下3种方背Ahmed模型的车身及车轮前部压力分布
Fig.7 Pressure distribution of the body and wheel front of the three models without jet flow
a 原始 b 静止车轮 c 旋转车轮

a 原始

b 静止车轮

c 旋转车轮

图8 无射流工况下3种方背Ahmed模型的中截面速度场流线图分布
Fig.8 Velocity field and streamlines distribution of the middle section of three square-back Ahmed models without jet flow
针对四种背部射流槽布置形式,选用SW模型、射流角度θ=45°、动量系数Cμ=3%的工况,比较其对于有车轮情况下的减阻效果。

a 减阻量

b 净节率
图9 4种射流槽布置形式
Fig.9 Drag reduction and net saved energy of four jet groove arrangements
此外,

a RAL

b RAS

c RSL

d RSS

图10 4种射流槽布置形式的背压分布对比(每幅图左右侧分别为无、有射流工况)
Fig.10 Comparison of back pressure distribution of four jet groove arrangements
在以上研究基础上,选定距离边缘为2 mm的连续射流槽,探究SW模型在动量系数Cμ=3%时,背部射流角度变化对减阻效果的影响。

图11 静止车轮Ahmed模型在不同射流角度下的减阻量和净节率
Fig.11 Drag reduction and net saved energy of SW at different jet angles

a θ=0°

b θ=45°

c θ=60°

图12 静止车轮方背Ahmed模型在不同射流角度下的背压分布
Fig.12 Back pressure distribution of SW at different jet angles

a 无射流

b θ=0°

c θ=45°

d θ=60°

图13 静止车轮方背Ahmed模型在不同射流角度下的中截面速度场和流线分布
Fig.13 Velocity field and streamline distribution in middle section of SW at different jet angles
在射流槽布置形式及射流角度研究的基础上,选取射流槽为距离边缘较近的连续射流槽且射流角度θ=45°进行动量系数的影响研究。

a 减阻量

b 净节率
图14 不同动量系数Cμ对3种方背Ahmed模型减阻量和净节率的影响
Fig.14 Effect of different Cμ values on drag reduction and net saved energy of three square-back Ahmed models

a Cμ=3%

b Cμ=7%

图15 旋转车轮方背Ahmed模型在不同动量系数Cμ下的背部压力分布
Fig.15 Back pressure distribution of rotating wheel square-back Ahmed model at different momentum coefficient Cμ values

a Cμ=0

b Cμ=3%

c Cμ=7%

图16 旋转车轮方背Ahmed模型在射流角度θ=45°时的中截面速度场
Fig.16 Middle section velocity field of Ahmed model of rotating wheel square back at a jet angle θ of 45°
本文采用基于雷诺平均的数值模拟方法,针对1/2缩比的Ahmed,SW,RW模型,通过在模型背部施加定常射流进行气动减阻研究,雷诺数为1×1
(1)车轮不会影响不同工况射流的变化规律,但会大幅地降低减阻量,尤其是旋转车轮。因此,在研究主动射流减阻问题时应当考虑车轮对减阻效果的影响。
(2)射流槽布置形式是影响背部射流效果的重要因素。连续射流槽相比于离散射流槽可以更有效地稳定、偏转剪切层,同时避免在背部诱导出二次涡;且射流槽距离模型边缘越近,减阻效果越好。
(3)射流角度若小于30°,不能充分地稳定、偏转剪切层,若大于60°,则会在背部诱导出二次涡,因此,射流角度应适中,如30°~45°,减阻效果较好。
(4)增大动量系数,减阻量持续增加,但净节率将先增后降,峰值出现在Cμ=3%附近。由于主动射流需要能量消耗,因此设计时不以追求最大减阻量为单一目标,Cμ应选取一个适中、净节率高的值。
(5)最终得到有车轮方背Ahmed汽车模型背部射流的最佳工况为:采用连续射流槽(边缘距离2 mm),射流角度为45°,动量系数为3%时,减阻量可达9.5%,对应净节率为12.7 W。
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