flaps 车辆减阻流动控制技术简析

由于气动减阻和燃油消耗改善是车辆的主要关注点，而控制机制是改善车辆性能所必需的，因此流量控制的研究也在不断更新。因此，有必要列出现有技术的更新结果，尤其是急需的更新技术。在这个推送中，我们将简要分析现有的技术，主要分为三类。

显然，流量控制的第一步是研究车身周围的自然流量。与传统的被动气动装置相比，电子元件控制的引入使不同驾驶条件下的车辆能够根据其所需的特性减少阻力。这部分技术中经常提到的可移动下体扩压器技术，通过控制尾部流场来降低飞行器的气动阻力。

1.2稳吹稳吹

有学者以尾翼倾角为25°的Ahmed为实验模型，在车顶与倾斜后窗分界线下游6 mm处装备了一系列稳定的微射流。评价了这种驱动方法对减小或抑制斜面上的三维封闭分离泡以减小气动阻力的有效性。通过气动载荷的测量，量化了控制方法的效率。采用粒子图像测速、壁压测量和表面摩擦可视化技术检测控制时的流场变化。需要注意的是，减阻效果与雷诺数有关。

图2: 25艾哈迈德稳定微射流驱动器阵列。

在我们课题组已发表的研究中，选取尾部倾角为35°的模型作为研究对象，针对喷孔位置和射流速度，采用定常射流方法进行减阻控制研究，在模型尾部各面交界处设置喷孔。通过仿真分析，深入分析了尾流结构与空空气阻力的关系。详见autoaero 201906《35 Ahmed模型气动射流减阻主动控制研究》。

详细文章参考:张英超，杜冠茂，田思，张哲. 35 35艾哈迈德模型空气动力射流减阻主动控制[J]。吉林大学学报(工程版)，2019，49(02):351-358。

1.3合成射流

合成射流致动器一般由孔板、腔体和压电致动器或膜片组成，其中流体通过膜片的运动通过一个小开口来回运动。一些学者在艾哈迈德模型中使用了12种合成射流进行气动阻力的实验研究。采用的合成射流促动器组件如下图所示。在两种不同的尾翼倾角下，阻力系数在25°倾角时减小，但在35°倾角时增大。几个实验发现最大减阻取决于雷诺数。

图3:合成射流致动器的部件

关于这种方法在赛车中的应用，本微信官方账号也在AutoAero201916《通过主动流量控制改善方程式赛车的空气动力学设计》中有介绍，有兴趣的读者可以访问。

1.4脉冲射流

脉冲射流实验已被证明能有效减少尾坡处的回流气泡。这种控制技术通过作用于尾流的运动来改变车辆几何形状中的壁压和剪应力的分布。一些学者还研究了强迫参数(无量纲频率、喷射动量)对阻力系数的影响以及它们对不同位置静压的影响。根据脉冲射流驱动的类型和位置，通过增加喷射动量或定义最佳脉动频率，可以达到最大的减阻效果。

图4:(a)艾哈迈德上致动器阀体的位置(b)纵向截面

1.5稳定吸入稳定吸入

稳定吸力是一种主动流动技术，它改变影响车辆尾流的涡流。通过实验和数值方法对简化后的快速返回小车的几何形状进行了评价。该技术可抑制后窗分离，阻力降低17%。通过等压损失等值面上的流动拓扑分析了该方法对分离区的贡献。结果表明，抽吸能有效地消除分离层的形成，使流体重新附着。

图5:(1)使用的几何示意图(2)控制系统的实施

图6:吸力对后窗的影响(a)不受控制(b)受控制

1.6等离子激励器等离子激励器10 DBD激励器位置

图8:三种常见的等离子体驱动器(a)电晕(b)介质阻挡放电(DBD) (c)滑动放电

第2部分被动流量控制等级

被动流量控制系统需要额外的装置，这些装置永久安装在需要流量控制的车辆表面。主动流量控制技术虽然更容易在车身上构建和应用，但它消耗了车辆的能量。在这方面，如果将该技术适当应用于车辆被动流量控制技术，将是一个更好的选择。以下各节将介绍不同的被动流量控制技术。

2.1涡流发生器涡流发生器

涡流发生器是固定在车辆上的气动机构，具有一定的气流方向和角度。一般来说，垂直腔室成组放置，以产生顺时针或逆时针涡流(根据其配置)，并增加壁面附近的动量，从而抑制分离或向下游转移。

关于平板边界层中涡流发生器引起的扰动的性质，实验表明，涡量是由涡流发生器底部周围通过组合点涡机制形成的马蹄形涡引起的。马蹄涡相互作用形成一对反向旋转的纵向涡。这些涡流将根据空改变边界层特性。

图9 (a)阿迈德尾巴的钝体(b)一组附在电动转轴上的涡流发生器

2.2扰流板收线机

扰流板是附着在车辆后部的外部结构，用于控制车辆下游的气流，帮助减少车辆后面的湍流，增加向下的压力，降低升力。对图10所示的扰流器对汽车空的空气动力学影响进行了数值研究。结果表明，在速度为30m/s时，扰流器的阻力和升力分别降低了5%和100%以上..

图10:扰流板位置(a)三维视图(b)截面图

2.3襟翼

襟翼是附着在车身上的另一个延伸面，可以改变车辆后部的气流，降低车辆的阻力，提高车辆的气动性能。如图11所示，一种叫做自动移动偏转器的特殊类型的襟翼已经在艾哈迈德身上进行了实验测试。

图11:(a)AMD对艾哈迈德的位置；(二)AMD的详细资料

在我们课题组发表的研究中，我们在25°和35°后坡的Ahmed模型中使用了两种类型的襟翼结构进行实验，并将其添加到这两种模型的斜面边缘。为了便于比较，在不同的角度添加了不同的襟翼。综合分析了大安装角范围内“大”襟翼和“小”襟翼对艾哈迈德模型气动阻力和近尾流的影响。速度和压力曲线表明，减阻的关键是减少(如果不是消除)主销后倾角侧面产生的纵向涡流。

图12斜面四边襟翼结构类型:(a)顶式(b)侧式(c)底式

参见田，j .，张，y .，朱，h .，&肖，H. (2017)。艾哈迈德带襟翼机身的气动减阻和气流控制机械工程进展，9 (7)，1-17

2.4车身改装

车身重建包括车身的形状、前后部分和车身下部的几何形状。有时附加表面或扩散器会改变车身底部的几何形状。除了形状优化外，底部扩压器的角度优化和“酒窝状”非光滑表面的设计也是经常被谈论的问题。在AutoAero 201820的“电动汽车气动减阻的相关概念空”一文中，详细介绍了扩散器角度优化在电动汽车中的应用研究。对非光滑表面的研究可以在《自动》201719的“非光滑表面减阻特性的数值模拟分析”一文中找到。