低阻车体模型的主动减阻技术研究

发布时间：2016-05-26 07:09

第 1 章 绪  论

1.1  课题的研究背景和意义
汽车已经成为人类日常生活、工作密不可分的代步工具，无论是货物运输、日常出行，汽车都作为一种便利快捷的交通工具。自从我国成为世界贸易组织成员国以来，我国的经济迅猛，汽车行业更是日新月异，在 2008 年，我国的汽车保有量约为 0.4 亿辆，不仅中国的汽车保有量不断攀升，即便在金融危机之中，我国汽车保有量也持续攀升，在 2009 年达到了 0.64 亿辆，而 2012 年，更是相对于 2009 年翻了一倍，达到了 1.1 亿辆。越多的汽车意味着越大的能源需求，在汽车工业蓬勃发展的同时却也面临着空前的压力。 石油资源作为一种非可再生资源，早晚一天会耗费殆尽。能源危机离人类越来越近，其主要根据是世界大多数主要油田已经度过了产量高峰，国际能源署对世界上达 900 处主要油田做了调查，据调查结果显示，多数油田已过产量高峰期。其预计全球能源的生产高峰将会比大部分国家的预计要提前 10 年。 过去几年的快速攀升油价凸显了寻找新技术来减少车辆的阻力的迫切性。一个典型的汽车在公路上行驶的总燃料消耗的 45%，是由于空气动力引起的。每减少百分之十的气动阻力就意味着燃料消耗节省约百分之五[1]。全年燃油费估计用超过三百亿元，用于本地的车辆。显然，减少汽车的空气阻力，可以节省大量的燃料成本。减少的燃油消耗量也意味着减少车辆排放的废气，这是目前空气污染的主要因素之一。 被动减阻技术，如皮瓣和车体形状的简化，在减阻方面取得了很大的成功。然而，塑造车辆机构已经基本达到最佳状态，从这方面来看，主动控制可以显著减少阻力。事实上，汽车行业已经设定了一个目标，以减少的车辆空气阻力至少 28%，而不影响乘客的舒适性，存储和安全。通用的 Ahmed 模型也许是最广泛研究的简化汽车模型。这个有一个弯曲的早期预防流动分离的机构，直至车体和不同倾斜角度的尾部，以背面车为代表[2]。采用 Ahmed 模型的原因，在这篇论文中的平常流动的道路车辆的研究是双重的。首先，一般的气动特性的Ahmed 模型是代表真正的车辆。例如，一些典型的尾迹结构，如附近的后斜面和回流区的模型垂直基地背后的每一侧边纵向涡也可在实车后发现的。
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1.2  国内外研究现状
汽车空气动力学主要运用到流体力学的理论，探究汽车正常运行时，即与空气发生相对运动时，汽车车体四周的空气流场情况和空气作用在汽车的作用力(称为空气动力)，以及汽车的各种外部结构对空气本身流动和空气动力的影响。在 19 世纪 20 年代就开始有了德国人对汽车进行风洞试验的研究。并在后来的 20 年内得到了长足的发展，但是由于历史原因，汽车的空气动力学并没有航空空气动力学成长迅速，特别是在二次世界大战以后，汽车的空气动力学并没有得到人们的关注，到了 20 世纪 70-80 年代，当石油危机到来的时候，才让人们意识到汽车空气动力学研究的重要性。从这段时间以后，国外知名高校企业纷纷在汽车空气动力学特性研究上投入巨大资金，系统的对汽车的空气动力学进行探究，苏联的伏尔加建立了一个最高风速可以达到 26 m/s 的风洞，德国大众购置了先进的计算机用于进行汽车空气动力学计算，正是大量人力物力的投入，汽车空气动力学的探究得到了长足发展，汽车阻力已经降到了一个很低的水平。相比较国外而言，我国的汽车的空气动力学探究开展的时间比较晚，起步于 19 世纪 80 年代，实验设施相对落后。 普通的道路车辆是三维钝体，其气动阻力为主要所受阻力[4]。当车辆通过空气行进时，气流在车辆的前表面上的流动，但在后部的表面分离，从而导致在正面和后端之间的表面压力的差异，这会导致汽车阻力[5]。过去的实验和数值研究表明三个主要组成部分，在 Ahmed 模型周围的流动情况：在倾斜的表面或后窗分离漩涡，一对反向旋转的纵向或从后窗两侧边的 C 柱涡，和垂直后背面的再循环的环面。气动阻力与三种结构的相互作用有直接关系。它的相互作用取决于后倾斜角。两个不同的制度已经确定，在角度 30 度处区分。如图 1-1为 Ahmed 汽车模型的空气阻力系数倾斜后背面的倾角的变化结果。在相对小的角度，C 柱旋涡发生了。一方面，C 柱旋涡产生阻力。另一方面，旋涡诱导他们之间的下洗流，从而提高附着在后窗的压力，综合效果是减阻。最小阻力的发生角度增加到 12.5 度，在其中流动似乎是二维的，除了两个 C 柱旋涡附近。一旦角度大于 15 度，压差阻力迅速增加随着角度升起。在角度为 30 度，涡量达到最大；阻力也是一样的。如图 1-2 为 Ahmed 模型下倾角为 30 度时的尾流结构，除了角度为 30 度，旋涡破裂和脱离的结构完全分离。 
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第 2 章 实验平台的搭建

风洞设备是空气动力学研究中的重要设备，风洞实验的结果具有直观、可靠性高的优点。本章简单介绍了哈尔滨工业大学深圳研究生院的风洞，，详细介绍了运用于汽车减阻实验的 35 度下倾角的 Ahmed 模型，定常和非定常脉冲射流激励器的设计以及在 Ahmed 模型上的布置，本章还介绍了风洞实验六分量测力系统，压力扫描系统以及用于定常和非定常脉冲射流发生装置系统。 

2.1  低速风洞
风洞设备按照来流速度可以分为低速风洞、高速风洞和高超声速风洞，还可以分为回流式风洞和直流闭口式风洞。本文中的所有实验均是在哈尔滨工业大学深圳研究生院风洞试验的低速回流式风洞中完成的。该风洞的试验段总长为 5 m，试验段宽度为 0.8 m，试验段的高度为 1.0 m。该风洞的来流是由一个交流电机带动叶片产生的，来流风速是通过一个变频器调节电机的转速来控制。风速范围在不加过滤网的情况下为 3-50 m/s。在测试段中流场的不均匀性在我们测试的雷诺数范围不超过 0.5%，来流径向的湍流度大约 0.4%。来流速度是通过皮托管连接到 Furness FCO510 微压计(0-20 mm H2O，0-18 m/s，精度小于2.0%)测量得到。 
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2.2  测量系统
天平是风洞测力实验中最重要的测量装置，其主要用于测量作用在模型上的力以及力矩，按照测力天平的测量原理可以分为机械式测力天平，应变片测力天平以及悬浮式测力天平，据测量的分量可分为：单分量天平和多分量天平。在本次试验中采用的天平是由中国航空空气动力技术研究院生产的型号为HGDDS-80-1 六分量应变片测力天平，如图 2-1 所示。测力天平的详细参数如表 2-1 所示。信号放大器的作用是通过给微弱信号一定的增益，将其放大为较大的信号。汽车模型在风洞中受到 3 个分量的力，模型所受力通过测力天平中的应变片来感应，应变片将模型所受力信号转换为自身的形变，应变片的形变引起应变片的阻值的变化，进而转换为微弱电信号。应变放大器将微弱电信号进行放大，传输给采集系统。
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第 3 章 AHMED 车体模型风洞减阻实验 ...... 23 
3.1 AHMED 模型阻力的计算 ......... 23 
3.2 雷诺数对阻力系数的影响 ........ 24 
.3 定常射流激励器对阻力系数的影响 ....... 25
3.4  非定常射流激励器对阻力系数影响 ....... 30 
3.5  定常与非定常射流激励器联合减阻 ....... 35 
3.6  本章小结 ...... 36 
第 4 章 AHMED 模型的压力扫描实验 .......... 38 
4.1 AHMED 模型压力的计算 ......... 38 
4.2 压力扫描实验结果 ..... 39 
4.2.1  定常射流激励 S4控制下尾压变化 ....... 39 
4.2.2  定常射流激励 S5控制下尾压变化 ....... 41 
4.2.3 定常激励 S5和 S4组合控制下尾压变化 ...... 42 
4.2.4  非定常射流激励 S1控制下尾压变化 .......... 44 
4.2.5 定常与非定常激励组合控制下尾压变化 ..... 46 
4.3  本章小结 ...... 47 

第 4 章 Ahmed 模型的压力扫描实验

本章详细介绍了 Ahmed 汽车模型的压力扫描实验，压力扫描实验利用压力扫描仪测量汽车模型背部压力，研究了在单个射流激励器工作下 Ahmed 模型的背部压力，通过压力扫描实验验证了汽车模型的减阻效果，并对模型的减阻结果做出了一定的解释。本章所有压力扫描实验均在风速为 15  m/s，雷诺数为1.67×105下进行，采样频率为 650 Hz，采样点数为 30000 个点。 

4.1 Ahmed 模型压力的计算

为了验证在控制下的减阻结果的有效性，本文研究了汽车模型倾斜后背面P1 孔以及垂直后背面上 P2 孔的压力回复在没有控制和有控制两种情况下的压力变化，P1 孔位于倾斜后背面的中心位置，P2 孔位于垂直后背面的中心位置，从模型正后方看向模型，其布置如图 4-1 所示。本文完成了所有单个执行器控制情况下的压力扫描实验，包括定常吹气和非定常脉冲射流，从而验证通过测阻力得到的减阻效果： （1）在单个向上 45 度喷射的定常射流激励 S4控制下，汽车模型倾斜后背面的 P1 孔的压力系数以及汽车模型垂直后背面上 P2 孔压力系数的变化。 （2）在垂直后背面两侧向内 45 度喷射的定常射流激励 S5控制下，汽车模型倾斜后背面的 P1 孔的压力系数以及汽车模型垂直后背面上 P2 孔压力系数的变化。 （3）在定常射流激励 S5和 S4组合控制下，汽车模型倾斜后背面的 P1 孔的压力系数以及汽车模型垂直后背面上 P2 孔压力系数的变化。 （4）在单个脉冲射流非定常激励 S1控制下，汽车模型倾斜后背面的 P1 孔的压力系数以及汽车模型垂直后背面上 P2 孔压力系数的变化。 （5）在非定常脉冲射流激励 S1、定常射流激励 S5和 S4组合控制下，汽车模型倾斜后背面的 P1 孔的压力系数以及汽车模型垂直后背面上 P2 孔压力系数的变化。

 

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结  论

本文以利用主动流动控制的手段提高汽车的气动特性为研究背景及主要研究目标,根据汽车模型的尾流结构，以下倾角为 35 度的 Ahmed 汽车模型为研究对象，根据文献，采用了两种射流控制方法，分别是：定常射流控制和非定常脉冲射流控制，设计了射流执行器，并将其安装于 Ahmed 汽车模型上，研究了在单个射流激励器控制下的减阻，并找到了最佳效果，根据不同控制方法的效果，分别进行了定常射流的多个执行器的组合控制，和非定常脉冲和定常射流间的组合控制，找到了最大控制效果，利用压力扫描实验的方法针对不同射流方法控制产生的减阻原因进行了解释。 实验结果表明，在不同射流激励器控制下产生了不同的效果，其中向上 45度喷射的定常射流激励 S4、垂直后背面两边向内 45 度的定常射流激励 S5和非定常脉冲射流激励 S1均实现了减阻，降低了模型前后压力差，其相互组合进一步提升了减阻效果。本文在前人设计的 4 个射流激励器的基础上，完成了第 5个位置的射流激励器的设计以及加工，并将其安装到 Ahmed 模型上。将汽车模型安装到风洞测试段中，采用单个定常向上 45 度喷射的射流激励器 S4、单独定常向内 45 度喷射的射流激励器 S5和单个非定常脉冲射流激励器 S1在雷诺数为 1.67×105下进行减阻实验。根据在单个射流激励器控制的减阻效果，在雷诺数为 1.67×105下针对采用向上 45 度喷射的定常射流激励 S4、单独定常向内 45度喷射的射流激励器 S5和非定常脉冲射流激励 S1利用压力扫描阀对汽车模型倾斜后背面和垂直后背面上的压力完成了压力扫描实验，并针对不同射流激励器间的组合完成了压力扫描实验。
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参考文献(略) 

本文编号：49932