合成射流对类车体流动控制的影响

崔文诗, 杨志刚, 朱　晖

(同济大学 上海地面交通工具风洞中心， 上海 201804)



合成射流对类车体流动控制的影响

崔文诗, 杨志刚, 朱晖

(同济大学 上海地面交通工具风洞中心， 上海 201804)

摘要：基于大涡模拟对有无合成射流控制的三维类车体流场进行仿真，与试验结果对比，验证仿真方法有效.平均场结果表明，当合成射流出口位于顶盖和斜背交界处时，可减弱流动分离, 缩小回流区, 改变背压，降低阻力.频谱分析显示，当激励动量系数超过1.0×10-4时，斜背表面压力、回流区速度和涡量以及阻力系数功率谱密度对应的峰值频率皆为激励频率.瞬态流场分析结果指出，合成射流与外流之间的交互作用导致了阻力系数曲线中出现周期性改变的波谷和波峰.

关键词：大涡模拟； 类车体； 合成射流； 气动减阻

汽车气动阻力主要为压差阻力，利用主动流动控制技术可控制汽车尾部背压，降低压差阻力，提高汽车燃油经济性，实现节能减排.2007年以来，国内外学者将等离子[1]、脉冲射流[2]、定常吹气[3]、合成射流[4]等技术引入汽车主动流动控制研究.

目前，合成射流出口速度瞬态峰值已达到100 m·s-1[5]，因其具有结构微型化、无需气源、响应频带宽等优点，被广泛应用于绕汽车的非定常外流场(外流)的主动控制研究中.如文献[4]利用声激励合成射流技术对二维类车体简化尾迹进行瞬态控制；文献[6-8]分别应用合成射流激励器(射流器)对三维类车体的平均场进行流动控制；文献[9-12]基于数值仿真研究了合成射流对二维类车体剪切层和尾迹的控制.

高效的主动控制研究关键在于对气动力随时间变化的曲线及瞬态流场结构进行分析，在此基础上，在适当的时间和位置对流场进行反馈控制.目前，对合成射流控制类车体瞬态气动力系数及流场的认识十分有限.由于试验和数值仿真条件有限[6-8,12]，以往研究多基于平均气动力系数和平均场流动现象，虽指出合成射流对减阻有效，但尚未分析阻力系数出现周期性变化的原因.

本文在验证数值仿真有效的基础上，对类车体进行了有无合成射流控制的计算，首先比较平均场结果，然后结合频谱和瞬态场结果，分析合成射流与外流之间的瞬态交互作用，指出气动力系数出现周期性变化的原因.

1数值仿真

1.1参考试验

以斜背与车顶夹角为25°的缩比为0.7倍的Ahmed body[13]模型为研究对象，缩比模型长、宽、高分别为L=0.761 m，W=0.272 m和H=0.212 m，后垂直背与斜背夹角为65°.

如图1a所示，合成射流激励器由腔体、出口喉部和激励源组成.对激励源发出周期性驱动信号，腔体内的气流在激励源和外界气流的共同作用下进行有规律的压缩和扩张，实现向外吹气和向内抽吸作用[14].

a Ahmed body模型及射流器结构

b 射流器布置位置

为验证数值仿真方法的有效性，依托上海地面交通工具风洞中心1/15整车缩比模型风洞，首先应用热线风速仪，对无控制下的Ahmed body模型斜背附近和尾迹内147个点的速度进行测量，热线风速仪探头型号为55P01.由于模型风洞最大风速为48 m·s-1，喷口面积为0.123 m2，为满足阻塞比，本次试验雷诺数ReL=1.1×106，与文献[7-8]中的雷诺数ReL=1.2×106有差距，但已处于同一自模区内，将每个点监控的时域信号转换为频域信号，得到的斯特劳哈尔数St0=A1/2·f0·V0-1应相等或相近，其中，A为Ahmed body模型的迎风面积；f0为速度的功率谱密度，即涡脱落频率；V0为当地气流速度.本文还参考了文献[7-8]基于合成射流技术对Ahmed body模型进行流动控制的阻力、压力、油流和速度场的试验结果.如图1所示，射流器安装在类车体顶部和斜背交界处.射流器出口为长槽型，其宽度和长度分别为d=0.000 5 m和l=0.234 m，出口位于车顶，到斜背距离为e=0.000 5 m.

1.2数值仿真方法

依据车体尺寸，如图2所示，确定计算域长、宽、高分别为8倍车长、7倍车宽、4倍车高；流场空间采用六面体非结构化网格划分，保证近壁面第1层网格法向高度对应的量纲一化值y+小于1.如图3a，对车体斜背和近尾迹区进行加密，表面网格边长为0.1～2 mm，在无控制下体网格总数为2 445万.

图2　计算域

已知合成射流出口尺寸、激励频率和动量系数等条件，根据文献[14]总结的合成射流仿真控制模型，得到腔体简化几何参数.如图3b，h/d=2.6，s/D=2，D/d=2.45，其中,D为腔体宽度，h为出口喉部高度，s为腔体高度，对合成射流的腔体和出口喉部网格加密，有控制下的网格总数达2 498万.

a 车体表面网格

b 在面y=0上的射流器内部和车体周围网格

激励动量系数Cμ表征了合成射流强度[7-8].

(1)

(2)

使用商业软件Fluent16进行计算，采用WALE亚格子模型，迭代方法为SIMPLEC算法，计算时间步长为0.000 1 s.地面和车身采用无滑移边界条件.来流速度U0为25 m·s-1，对应雷诺数ReL=1.2×106.将激励作为速度入口条件，引入计算.以正弦波为激励的输入信号，定义射流器等效速度Va[14]为

(3)

2仿真结果验证及分析

2.1气动力比较

a无控制b有控制

文献[13]通过试验总结：阻力主要源于斜背压力，后垂直背贡献较小.如图5所示，有无控制下的压力差异也主要体现在斜背上，因此下文主要从斜背压力变化分析阻力系数.

2.2平均场比较

有无控制下的数值仿真与油流试验结果变化趋势一致.在斜背上，受流向涡和C柱拖曳涡共同作用，无控制下附着线呈“人”字型(如图6所示).由于试验安装射流器的需要，在C柱没有布置射流器出口，故合成射流未显著影响C柱拖曳涡的形成，而流向上布置的合成射流使得流体动量得到补充，增强了边界层抵抗逆压梯度的能力，减弱了流动分离，附着线更靠近并平行于顶部分离线，回流区减小，斜背压力升高，阻力系数降低.

a无控制b有控制

图5　车身表面的平均压力

图6斜背表面油流

Fig.6Oil-streamline on the slant

2.3频谱比较

有无控制下的数值仿真分别监控了流场中147个点的瞬态速度与涡量、车体表面10个监控点的瞬态压力，监控点位置如图7所示.图中，ni为监控点编号，i=1,2,3，…，12.

无控制下，风洞试验结果表明尾迹区各监控点频率值皆为自然涡脱落频率f0，数值仿真与试验得到的St0皆在0.44～0.48范围内.如图8所示，PSD为功率谱密度.施加激励动量系数Cμ2时，对于点n1的涡脱落频率、点n10和n11的压力功率谱密度，仿真预测值与试验结果[7-8]一致，皆为520 Hz.

合成射流对距离射流器出口较近的外流诱导作用较强，如图8a,8b,8c,8d,8e和8f，点n1,n2和n3的速度和涡量皆按fa改变.斜背回流区内速度和涡量的改变导致了斜背表面上点n10,n11和n12的压力随fa变化，如图8m,8n和8o所示，这些点的频谱峰值皆对应了fa，故瞬态压力系数Cp(t)可修正为

图7　压力和速度监控点

(4)

由于绕过类车体流动的非定常特点，其无控制下的阻力系数频谱含有自然峰值(如图8p，8q和8r所示).施加Cμ3的激励，如图8p和图9所示，瞬态阻力系数Cd(t)周期性震荡，阻力系数的频谱中仅含有激励峰值.如图9所示，随着Cμ的减小,Cd增大.当Cμ=Cμ2时，如图8q所示，频谱中已出现较弱的自然峰值，激励峰值减弱但仍占主导，且激励峰值高于无控制下的自然峰值；当Cμ=Cμ1时，如图8r所示，其激励峰值已小于自然峰值，继续减小Cμ，自然峰值突出，激励峰值更加微弱.故当Cμ≥Cμ2时，瞬态阻力系数Cd(t)可修正为

(5)

3瞬态流动分析

外流的发展历程包含多个合成射流工作周期，提取任意一个周期，如0.300 1 s到0.302 0 s，分解为4个工作相位：吹开始、吹最大、吸开始、吸最大，分别对应t1,t2,t3,t4时刻.

3.1有无控制比较

无控制下，外流沿着车顶向下游运动，如图10a和11a所示，瞬态速度始终较小，在斜背产生较大回流区，涡量较高.合成射流的吹气和抽吸作用都为边界层注入了动量，如图10b、图10c和图11所示，速度增大，提高了抵抗逆压梯度的能力，减弱流动分离，斜背回流区减小，涡量减小，能量耗散得以补偿，背压升高，阻力系数减小.

3.2抽吸和吹气相位流动和减阻机理

任意时刻流动均受前一时刻流动影响，在描述t1时刻流动前，首先描述前一周期最后时刻t0的流动，此刻激励源抽吸强度达到最小，如图12所示，局部流速差导致了腔体和出口喉部内有多对漩涡，外流向下游运动.

在t1时刻，合成射流抽吸作用结束，开始进入吹气工作阶段.在较低强度的吹气作用下，前一时刻腔体内的漩涡减弱，少量气流注入外流.在t2时刻，激励源的吹气强度达到最大，腔体内漩涡被打碎，出口喉部内漩涡减弱，大量气流从出口流出.在t3时刻，合成射流开始抽吸作用，腔体的两侧气流受抽吸作用，中心气流受之前吹气作用影响，不同流速的气流间产生剪切作用，形成1对漩涡；在出口喉部内，中心气流仍受吹气影响，少量外流流入出口喉部，气流间的速度差导致了较强漩涡.在t4时刻，激励源抽吸强度达到最大，使得更多的外流流入出口喉部，前一刻射流器内形成的多对漩涡减弱或被打碎；外流在遇到出口喉部和腔体后，因分离形成漩涡，解释了前一周期最后时刻射流器内漩涡的来源.随着时间的推移，合成射流不断影响外流.

在合成射流一个工作周期内，t4时刻的抽吸相位将低速气流吸入射流器内，如图10，出口速度达最大，边界层抵抗逆压梯度的能力最强，对流动分离的抑制能力最强，如图13和14，斜背回流区范围和涡量最小，背压最高，阻力系数达最小值0.310 1.

在t2时刻，吹气带来的高速气流与外流相互掺混，如图10所示，与无控制下相比，出口速度增大，边界层提高了抵抗逆压梯度的能力，减弱了气流的分离作用，提高了背压，实现了减阻.但是，在合成射流一个工作周期内，t2时刻阻力系数皆高于其他时刻对应值.这一方面是由于t2时刻出口速度达到工作周期内最小值，对流动分离的抑制能力最弱；另一方面，腔体内的涡量随着吹气作用向外流输运，裹挟着涡量的外流与自由剪切层相互耦合(如图13和14所示)使得斜背回流区范围和涡量达到最大，背压最低，阻力系数达最大值0.322 5.

a Cμ2控制下点n1的涡量

b Cμ2控制下点n2的涡量

c Cμ2控制下点n3的涡量

d Cμ2控制下点n1的速度

e Cμ2控制下点n2的速度

f Cμ2控制下点n3的速度

g 点n4的速度

h 点n5的速度

i 点n6的速度

j 点n7的速度

k 点n8的速度

l 点n9的速度

m Cμ2控制下的n10的压力

n Cμ2控制下点n11的压力

o Cμ2控制下点n12的压力

p 无控制和Cμ3控制下的阻力系数

q 无控制和Cμ2控制下的阻力系数

r 无控制和Cμ1控制下的阻力系数

图9　阻力系数曲线

从吹气到抽吸过程，出口速度增大，分离减弱，回流区减小，涡量减小，背压增大，阻力升高.故当抽吸和吹气分别达到最大时，阻力系数分别达到波谷和波峰.

a 无控制

图10　在面y=0上的射流器出口瞬态速度

a无控制b有控制

4结论

通过与试验结果对比，验证了数值仿真方法的有效性，进一步分析得到以下结论：

a t0时刻

b t1时刻

c t2时刻

d t3时刻

e t4时刻

(1) 合成射流激励器布置在类车体顶部和斜背交界处，可降低阻力系数.抽吸相位将低速气流吸入射流器内，吹气带来的高速气流与外流相互掺混，吹吸气的作用皆使得出口速度增大，边界层抵抗逆压梯度的能力增强，流动分离减弱，斜背回流区减小，涡量减小，背压升高，实现减阻.

at1时刻bt2时刻

ct3时刻dt4时刻

图13　在面y=0上的合成射流不同相位下的涡量

at1时刻bt2时刻

ct3时刻dt4时刻

图14　在合成射流不同相位下的车身表面压力

(2) 合成射流的吹气和抽吸工作相位使出口速度、涡的来源与输运、斜背回流区分离作用等产生差异，工作相位的交替变换导致斜背回流区覆盖范围、涡量和速度等流场参数按激励频率变化.流场的变化使得压力周期性改变，进而导致了阻力系数随之周期性震荡，产生波峰和波谷.

(3) 随着动量系数的减小，合成射流对外流输入动量减少，流动分离的控制作用减弱，这一方面导致了斜背回流区增大，阻力系数随之增大；另一方面，阻力系数的激励峰值不断降低至消失，自然峰值增高.

(4) 合成射流可使车辆斜背压力和阻力系数按自定义的激励频率和动量系数信号进行周期性变化，为实现反馈控制奠定了基础，但选取模型表面哪些点的压力作为反馈，以提高鲁棒性，需继续研究.

参考文献:

[1]Boucinha V, Weber R, Kourta A. Drag reduction of a 3D bluff body using plasma actuators [J]. International Jounal of Aerodynamics, 2011, 1(3/4): 262.

[2]Gillieron P, Kourta A. Aerodynamic drag control by pulsed jets on simplified car geometry [J]. Experiments in Fluids, 2013, 54(2): 1.

[3]Aubrun S, Mcnally J, Alvi F,etal. Separation flow control on a generic ground vehicle using steady microjet arrays [J]. Experiments in Fluids, 2010, 51 (5):1177.

[4]Pastoor M, Henning L, Noack B R,etal. Feedback shear layer control for bluff body drag reduction [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2008, 608(15):161.

[5]Jabbal M, Liddle S, Potts J,etal. Development of design methodology for a synthetic jet actuator array for flow separation control applications [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2011, 227(1):110.

[6]Park H, Cho Jun-Ho, Lee Joonho,etal. aerodynamic drag reduction of ahmed model using synthetic jet array [C/OL].[2015-01-04]. http://papers.sae.org/2013-01-0095.

[7]Kourta A, Leclerc C. Characterization of synthetic jet actuation with application to Ahmed body wake [J]. Sensors & Actuators A Physical, 2013, 192(4):13.

[8]Leclerc C. Réduction de la tranée d’un véhicule automobile simplifié à l’aide du contrle actif par jet synthétique [D]. Toulouse:[s.n.], 2008.

[9]Han Xingsi, Krajnovic S, Basara B. Study of active flow control for a simplified vehicle model using the PANS method [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2013(42):139.

[10]Parkin D J, Thompson M C, Sheridan J. Numerical analysis of bluff body wakes under periodic open-loop control [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2014, 739 (1):94.

[11]Krajnovic S, Fernandes J. Numerical simulation of the flow around a simplified vehicle model with active flow control [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2011, 32 (1):192.

[12]Agarwal R K. Computational study of drag reduction of models of truck-shaped bodies in ground effect by active flow control [C/OL].[2015-02-01]. http://papers.sae.org/2013-01-0954/.

[13]Ahmed S R, Ramm R, Faltin G. Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake [C/OL].[2015-03-01].http://papers.sae.org/8403001.

[14]Kotapati R B, Mittal R, LNC lii. Numerical study of a transitional synthetic jet in quiescent external flow [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2007, 581 (74):287.

收稿日期：2015-08-07

基金项目：国家“九七三”重点基础研究发展计划(2011CB711203)

通讯作者：杨志刚(1961—),男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为汽车空气动力学．E-mail：zhigangyang@tongji.edu.cn

中图分类号：U270.1； O357.5+2

文献标志码：A

Influences of a Synthetic Jet Actuator on the Flow Around Ahmed Body

CUI Wenshi, YANG Zhigang, ZHU Hui

(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804,China)

Abstract：Large-eddy simulation (LES) was used to study the unsteady flow around Ahmed body in both natural and controlled flow. The simulation results were validated against the experimental data. The mean-time results indicated that flow separation could be suppressed when a synthetic jet actuator was located at the junction of the roof and the slant, which could result in a smaller separation zone and aerodynamic drag reduction. Spectrum analyses revealed that with the momentum coefficient of excitation is more than 1.0×10-4，the peak frequency of power spectral density surface pressure on the slant，velocity and vortices in the recirculation zone, as well as drag coefficient is related to driving frequency. The transient flow results suggest that the interaction between the jet and the flow lead to periodical changes of the peak and trough of drag coefficient.

Key words：large-eddy simulation; Ahmed body; synthetic jet; aerodynamic drag reduction

第一作者： 崔文诗(1986—),男，博士生，主要研究方向为汽车空气动力学．E-mail：1210765@tongji.edu.cn