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基于合成射流的通用货车驾驶室的空气动力学流量控制

摘要：

本次试验工作展示了在通用车身上使用主动流量控制技术所取得的减阻效果。试验是在查莫斯大学的闭环风洞，雷诺数的条件下完成的。雷诺数是基于无干扰下的速度和模型宽度确定的。该模型由简化的货车驾驶室组成，其主要特征是顶部和底部有明显的边缘分离以及圆形垂直侧边缘上的压力引起的分离。压力引起的分离再现了真实货车A柱处发生的流动分离。关于驱动和非驱动的研究是通过时间分辨粒子图像测速的方法进行的。使用音箱作为驱动装置。这些特征在驱动研究前就表示出来了，并且突出了驱动频率和喷射涡流对尺寸之间的有趣对比。不同驱动方式的效果是通过热线式测速仪评估的。驱动效果是使用平均相位和模态分析研究的。观察到侧面再循环气泡的显著减少。研究了分离机制的实质，并且涉及从1到6.2的驱动频率。而雷诺数Re和无量纲频率Fthorn;则是基于无干扰速度和模型W的宽度确定的。

1. 介绍

驱动技术，也称为合成射流技术，在过去二十年里经历了指数式的增长。合成射流的主要特征是能应用流动系统的工作流体产生射流。这样就不需要复杂的管道产生正弦射流信号来操纵周围流场。这项技术被证实对不同流动控制装置都适用。航天研究人员是这项技术的主要研究人员。为了提高后失速翼型的空气动力学性能而进行的研究推动调查人员找到一个非侵入性技术，满足以下要求：

（1）对于流动情况需要较强的适应能力；

（2）应能在分离上流边界层引入动量；

（3）应嵌入机翼表面；

（4）应使用有限程度的能量

合成射流能满足所有上述要求。固定薄膜的机械运动能简便调制正弦射流的频率和幅值。通过边界层的声学激发控制流动分离的第一次尝试，已经被不同的作者报道（Huang等，1987；Hsiao等，1990，1994）。研究人员观察到在一种后失速的情况下，升力增加，之后通过量化，增加了超过50%（Chang等，1992）。之后发表的作品（Seifert等，1996；Wu等，1998；Amitay 和Glezer，2002a，2002b; Smith, 2002; Glezer等，2005）宣称了合成射流的潜力。在这几年，一些收集过去和最新的成果的评论出版了（(Seifert et al., 1996; Wu et al., 1998;Amitay and Glezer, 2002a, 2002b; Smith, 2002; Glezer 等, 2005)，虽然在Glezer（2011）出版的作品基于控制频率定义了一种有趣并且关键的区别，但是，在本文，作者区分了两种正弦射流控制策略的存在。第一种方法采用了与全球流动不稳定性相互作用的低频率。这样，驱动器能够将分离流体的运动锁定到其自己的频率。第二种策略采用了更高的频率，超出所谓的“可接受波段”的范围。在这种情况下，正如作者前述，控制频率与全局不稳定性解耦。所引用的举世瞩目的结果吸引了众多研究者，并开启了使这种控制策略适用于钝体的可能性。交通工具（如火车、货车、轮船和驱汽车等）确实以严重分离流动为特征。从20世纪80年代开始，在早期航空成就的促进下，汽车空气动力学取得重大发展，同时效率也得到提升。Choi (Choi 等, 2014), Ahmed (Ahmed 等, 1985), Modi(Modi 等, 1995) 和 Cooper (2003)的作品只是这项研究所取得的许多成就中的一些例子。同样的，通过主动流动控制策略操纵流动可以显著减少气动阻力，从而燃油消耗率也能显著降低，正如Seifert 等 (2015)和McNally 等 (2015)所示。一些研究也通过不同的控制策略减小钝体的分离流动区域和气动阻力，如：从等离子体激励器(Vernet等, 2015)到 脉冲射流 (Krajnovic等, 2010; Barros 等, 2016)和合成射流(Ben Chiekh 等, 2013)。本项工作提供了一种新颖的研究，据作者所知，其尝试在机翼采用合成射流控制技术，从而控制发生在货车驾驶室A柱的流体分离。这项试验成果是正在进行的关于货车流场分离区域控制方法的一部分。在Minelli 等 (2016)中可以找到同样课题的早期研究。对考虑货车的流动特征做进一步的研究，由于大量流动分离而造成的阻力主要有四个来源：车轮和车身下部、尾部、牵引车和挂车的间隙以及前部分离，如图1a所示。本项研究的主要对象为发生在货车驾驶室A柱处的前部分离，如图1b所示。采用简化模型再现了A柱处的流动分离，并进行控制，如图2和表1所示，实现了如下目标：

（1）展示驱动特性，其目的是研究不同驱动频率下形成的射流涡对；

（2）通过时间分辨PIV的方法研究驱动和未驱动的情况；

（3）采用适当的正交分解(POD)和快速傅里叶变换（FFT）对非驱动流场进行后处理分析；

（4）根据模态分析和Minelli等（2016）的研究成果，选取四种不同的驱动频率；

（5）实现所有侧向再循环气泡的减少，并对其进行了描述；

（6）描述每种驱动情况的物理定义（通过快照和相位平均的方法），证实频率“可接受波段”的存在；

（7）研究模型驱动的下流效应；

图1. 卡车的主要气动阻力源（a） A柱分离和效果（b）

2、试验设置

模型由简化的货车驾驶室组成，其主要特征是顶部和底部有明显的边缘分离以及圆形垂直侧边缘上的压力引起的分离。压力引起的分离再现了发生在真实货车A柱处的流动分离。模型的设计是突出了A柱处的分离，并进行了详细的研究。尤其，观察的两个区域是通过时间分辨的PIV的方法研究的。图2a和b显示了在装配阶段的模型。图4b中描述了采用4个扬声器(WAVECORSW182BD01)来复制射流。模型的前部和顶部的盖子一旦装配完成，扬声器就被密封，从而避免空气泄露。图2c和表1则展示了模型和测试区的主要参数。所有的参数均是按模型的宽度，相应比列确定的。模型是通过方形截面定义的，宽度和高度尺寸相同。

图2.开放模型（a和b）的视图。四个扬声器用作执行器。它们的膜运动产生射流，如图4b所示。 风洞试验部分和模型到位（c）。

表1.数值域的尺寸由模型宽度0.4m缩放。 R是圆角的无量纲半径，G是槽跨度尺寸（见图4a）。

试验在查莫斯理工大学的闭环风洞完成。测试区的尺寸是，速度范围是。湍流水平在0.15%以内。图2c显示了在风洞测试区的摆放的模型。采用热线式测量设备在表示驱动槽处的射流特性。速度平均的相位超过500次吹吸循环。由于热线式测量技术不能区分流动方向，对循环的测试部分实施了改进措施。因此，它最初是倒置的，以反映流动的正确行为。在这步操作中，关闭风洞来记录在开槽处的射流。这样，在知道驱动频率的情况下，将便于区分流动方向，如循环的抽吸部分。PIV图像由单色双层的 SCMOS相机记录的，速度仪表盘 M340由Dante制造，拥有2560像素和1600像素的分辨率,12位像素深度以及10-mu;m像素大小。摄像机配备了来自Sigma的105-mm

f/2.8的镜头。在双帧模式下，该摄像机以400赫兹的帧速率全分辨率记录图像对。采用喷雾发生器和乙二醇基液体进行流播。来自Litron的双功率Nd:YLF LDY300-PIV激光器在1000hz和527 nm波长下提供高达230mj的激光。该激光器配备了激光导杆和光学激光片。被照亮的流场区域有。使用Dantec Dynamic Studio2015软件进行数据采集和后处理。每个数据集包含800幅图像，测量周期为2 s，空间分辨率为像素。在尺寸渐减的窗口中多步骤地进行向量计算。最初的询问窗口大小为64像素，有50%的重叠，前两步的正方形权重为1:1。最后，以32像素的窗口、50%的重叠和圆形1:1高斯权重因子进行三次迭代。在试验中，采用2D快照记录流动。速度分量记录在两个平面区域，如图3所示。快照捕捉也应用于正交分解(POD)和快速傅里叶变换（FFT）的研究中。图3显示了观察区域的尺寸。

图3.试验观察区域的草图

2.1模态和频率分析

单个的正交分解时间系数能在不同频率下振动，而快速傅里叶分析则突出了流动的实际频率集中的区域。为了能从内能和特征频率两方面流动结构充分理解，对比这两种方法是很有趣的。

此处的正交分解是基于恒定时间步长采样的速度快照。例如，通过在时间，m=1，hellip;，M和时间，描述快照在壁面法相速度分量，并且分别用单位向量，，描述笛卡尔坐标系。

与Lumley（1970）最初提出的方法一样，该方法基于快照相关矩阵计算的正交结构的能量排序。使用奇异值分解的方法对提到的快照集进行正交分解分析。注意快照的正交分解方法，将POD的模式数目限制到M-1。在目前的POD方法中，壁面法向速度分解为中间场速度lt;vgt;和波动速度v#39;，即v(x,t)= lt;vgt;（x） v#39;(x,t)。

然后用奇异值分解的方法估计波动部分，其模态分别为空间相关模态和时间相关模态系数，即。

如果将取 1，取lt;vgt;，上述定义能够用更简洁的方式表达，如下：

（Rempfer 和Fasel，1994）

POD模态系数的一阶矩和二阶矩分别为：

lt;gt;=0；lt;gt;=

单模态的能量含量由模态系数进行估计，

总能量通过评价

在目前的工作中，POD的研究进行了超过800个时间步长。每张快照间的时间步长。这样，最高无因次频率通过奈奎斯特频率定义为高速摄像机帧频率的一半，为。在当前的POD中，模态1代表了流场的平均值，并且包含最多的能量。在快速傅里叶变化分析中，采用了一种经典的方法设置快照。平面快照的每个格点的离散时间信号转换为离散的频域。这样，在2维区域内，各频率所包含的能量将根据格点进行划分。图9b和13显示在定义域内各点所选频率的能量含量。

2.2 驱动器参数

驱动区域（图4a中的G）的速度的大小通过正弦射流信号（图4b）进行控制，如下所示：，其中是自由流动速度的大小，是选择的驱动频率。两个无因次参数描述了驱动器的性能。第一个参数是动量系数，。它是驱动器（）相对于未驱动流动所消耗能量的指示。

其中，是流体的密度，T是驱动器的周期。较低，但刺激边界层已经足够了并且流动的特征是自然的不稳定性。目前的工作的所有频率均以第二个无量纲参数来描述，即衰减的频率（也称为驱动器斯特鲁哈尔数）。

其中，f代表赫兹描述的频率。

图4.a圆角和槽位置的缩放 b.由固体膜运动产生的射流。

3、结果

在不同振幅和频率下，沿射流槽中心线测量了速度幅值的时间序列。当改变电压，E和扬声器输入信号的驱动频率，射流峰值速度（自然也发生改变，如图5b所示。在这些测量中，热线式探针和孔口间的距离固定在J=1.7G。之前的工作（Smith和Glezer）描述了抽吸循环随着射流孔距离而改变。作者指出，随着诱导速度的峰值保持稳定，超过J=5G，抽吸的最小值将大大减小，成为峰值速度的一小部分。在J=2G时，抽吸的最小值减小为峰值速度的10%。这个趋势被目前工作中收集到的测试成果所证实。图5c显示了在不同频率下，一个驱动周期的相位平均速度。尤其，研究了四种不同频率的驱动情况下，发出了同样的峰值速度（）。随着频率的增加，扬声器需要更高的电压来发出同样的峰值速度。因此，选择以下配置进行分析：1.4V电压下，频率为50HZ; 1.4V电压下，频率为100HZ; 2.5V电压下，频率为150HZ以及6V电压下，频率为300HZ。

图5c中观察到的趋势与理解卷升和平流有关，平流定义了执行器孔处涡对的形成。对比Smith和Glezer(1998)展示的测量结果，探针的位置保持不变，而改变驱动频率，如图6a所示。比较Smith和Glezer(1998)发现的结果和图5c，可以观察到不同抽吸循环外形的类比。在这项研究中，如图5c所示，速度峰值随频率增加而时时改变（图5c从左到右）。速度曲线的外形也发生变化。观察驱动周期为正的部分，可以注意到几乎为正弦形状，由第一驱动（50Hz）产生，在第二（100HZ）和第三驱动（150HZ）变为顶部更加突出的形状，并且，在第四驱动（300HZ）变为更加规律的轮廓。驱动循环为正的部分随着频率的增加而增加。当热线式探针的位置改变，而频率保持不变时，Smith和Glezer(1998)也得到了这三个特征。这些类比能通过观察图6中的草图得到解

资料编号：[3463]