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原文传递三维Ahmed车模绕流及组合吹气减阻机理实验研究

论文题名：	三维Ahmed车模绕流及组合吹气减阻机理实验研究
关键词：	汽车绕流;组合吹气;减阻机理;Ahmed车模;燃油消耗
摘要：	在巨大的燃油消耗和严峻的环境问题的双重压力下，开发更有效的汽车气动减阻技术显得尤为迫切。被广泛研究的简化Ahmed汽车模型为研究具有高度三维性和复杂性的真实汽车绕流提供了很好的参考。根据车模尾窗倾角（φ）的范围12.5??30?和大于30?，Ahmed车模尾流可以被分别分为高阻和低阻流态。一方面，先前对于低阻流态的理解十分有限，尤其是对非定常结构及其频率。另一方面，本团队前期研究发现，将位于高阻车模尾部不同位置的激励进行组合能显著降低阻力约30%至近似于低阻车模。然而其背后的减阻机理及与低阻流态的联系尚不明确。本文以深入理解汽车绕流及相关减阻机理为目的，对低阻Ahmed车模的非定常绕流及组合吹气控制对高阻Ahmed车模气动力和尾流的影响进行了系统的实验研究。本研究对我国汽车工业气动减阻技术的开发具有很高的工程意义和经济价值。此外，对类似的钝体尾流及控制问题也具有很强的理论意义。　　本文首先旨在深入理解低阻Ahmed车模的非定常绕流。实验研究在雷诺数φ∈[0.3,2.7]×105（基于车模迎风面积的平方根）范围内针对φ=35?低阻Ahmed车模进行了大量的热线、壁面压力、流动显示和粒子图像测速（PIV）测量。首先研究了主要的定常拟序结构，包括上下回流泡、角涡及各种流向涡。其中着重分析了位于倾斜尾窗底部的一个展向角涡及尾流中一对流向拖曳涡的结构特征及形成机理。其次，在车模尾流中总共捕捉到五个不同的非定常结构频率St。其中四个与高阻流态中的相同。本文重点研究了在车模垂直后背面下游检测到的另一个频率为Stw≈0.30的尾涡结构，其频率随流态和φ的变化较大。结合热线和PIV数据分析，研究了该尾涡的结构特征及其与高阻流态尾涡的差异，并进一步揭示了尾涡的形成机理。基于对该结构流动物理的理解，提出了一个表征回流泡结构大小的新特征长度αS，从而对不同流态和φ下的Swt进行了归一化。其中S为上、下回流泡分离点间的垂直距离，α是基于上回流泡有效分离角的偏转系数。此外，文中还研究了各非定常结构的来源、与定常结构的相互作用、空间发展及雷诺数对其频率的影响。最终，基于本文和先前的文献报道，针对低阻Ahmed车模提出了一个绕流结构概念模型，该模型同时涵盖了车模周围的各种定常和非定常拟序结构。　　对低阻流态及其与高阻流态对比的深入理解能进一步为气动减阻研究提供指导。为了深入理解组合控制在高阻Ahmed车模上产生显著减阻的机理及与低阻流态的关系，实验在φ=25?高阻车模上采用了四种独立的激励，包括沿着尾窗上边缘和两个侧边以及垂直后背面上、下边缘的定常吹气，分别表示为S1，S2，S3及S4。并在Re=1.67×105下进行了四种不同策略的组合，包括（S1，S2）、（S1，S2，S3）、（S1，S2，S4）及（S1，S2，S3，S4）。在不同的最佳组合控制下，通过系统的壁面压力和PIV测量研究了减阻的来源及流动控制对各主要尾流结构及其相互作用的影响，并进一步揭示了减阻机理。通过对比分析发现，组合控制通过对各尾流结构的全面有效操控，将高阻车模尾流转变为近似于低阻流态的形式，从而获得大量减阻。　　综上，本文通过实验研究深化了对低阻Ahmed车模非定常绕流的理解，并在高阻Ahmed车模上发现通过运用组合激励能将高阻流态转变为低阻流态而获得大量减阻。本文的研究结果对汽车空气动力学体系的完善做出了贡献，同时对其他钝体绕流问题的研究也具有很好的参考价值。
作者：	刘凯
专业：	流体机械及工程
导师：	周裕
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020