第 1 章 緒  論

1.1  課題的研究背景和意義
汽車已經(jīng)成為人類日常生活、工作密不可分的代步工具，無論是貨物運輸、日常出行，汽車都作為一種便利快捷的交通工具。自從我國成為世界貿(mào)易組織成員國以來，我國的經(jīng)濟迅猛，汽車行業(yè)更是日新月異，在 2008 年，我國的汽車保有量約為 0.4 億輛，不僅中國的汽車保有量不斷攀升，即便在金融危機之中，我國汽車保有量也持續(xù)攀升，在 2009 年達到了 0.64 億輛，而 2012 年，更是相對于 2009 年翻了一倍，達到了 1.1 億輛。越多的汽車意味著越大的能源需求，在汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的同時卻也面臨著空前的壓力。 石油資源作為一種非可再生資源，早晚一天會耗費殆盡。能源危機離人類越來越近，其主要根據(jù)是世界大多數(shù)主要油田已經(jīng)度過了產(chǎn)量高峰，國際能源署對世界上達 900 處主要油田做了調(diào)查，據(jù)調(diào)查結果顯示，多數(shù)油田已過產(chǎn)量高峰期。其預計全球能源的生產(chǎn)高峰將會比大部分國家的預計要提前 10 年。 過去幾年的快速攀升油價凸顯了尋找新技術來減少車輛的阻力的迫切性。一個典型的汽車在公路上行駛的總燃料消耗的 45%，是由于空氣動力引起的。每減少百分之十的氣動阻力就意味著燃料消耗節(jié)省約百分之五[1]。全年燃油費估計用超過三百億元，用于本地的車輛。顯然，減少汽車的空氣阻力，可以節(jié)省大量的燃料成本。減少的燃油消耗量也意味著減少車輛排放的廢氣，這是目前空氣污染的主要因素之一。 被動減阻技術，如皮瓣和車體形狀的簡化，在減阻方面取得了很大的成功。然而，塑造車輛機構已經(jīng)基本達到最佳狀態(tài)，從這方面來看，主動控制可以顯著減少阻力。事實上，汽車行業(yè)已經(jīng)設定了一個目標，以減少的車輛空氣阻力至少 28%，而不影響乘客的舒適性，存儲和安全。通用的 Ahmed 模型也許是最廣泛研究的簡化汽車模型。這個有一個彎曲的早期預防流動分離的機構，直至車體和不同傾斜角度的尾部，以背面車為代表[2]。采用 Ahmed 模型的原因，在這篇論文中的平常流動的道路車輛的研究是雙重的。首先，一般的氣動特性的Ahmed 模型是代表真正的車輛。例如，一些典型的尾跡結構，如附近的后斜面和回流區(qū)的模型垂直基地背后的每一側邊縱向渦也可在實車后發(fā)現(xiàn)的。
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
汽車空氣動力學主要運用到流體力學的理論，探究汽車正常運行時，即與空氣發(fā)生相對運動時，汽車車體四周的空氣流場情況和空氣作用在汽車的作用力(稱為空氣動力)，以及汽車的各種外部結構對空氣本身流動和空氣動力的影響。在 19 世紀 20 年代就開始有了德國人對汽車進行風洞試驗的研究。并在后來的 20 年內(nèi)得到了長足的發(fā)展，但是由于歷史原因，汽車的空氣動力學并沒有航空空氣動力學成長迅速，特別是在二次世界大戰(zhàn)以后，汽車的空氣動力學并沒有得到人們的關注，到了 20 世紀 70-80 年代，當石油危機到來的時候，才讓人們意識到汽車空氣動力學研究的重要性。從這段時間以后，國外知名高校企業(yè)紛紛在汽車空氣動力學特性研究上投入巨大資金，系統(tǒng)的對汽車的空氣動力學進行探究，蘇聯(lián)的伏爾加建立了一個最高風速可以達到 26 m/s 的風洞，德國大眾購置了先進的計算機用于進行汽車空氣動力學計算，正是大量人力物力的投入，汽車空氣動力學的探究得到了長足發(fā)展，汽車阻力已經(jīng)降到了一個很低的水平。相比較國外而言，我國的汽車的空氣動力學探究開展的時間比較晚，起步于 19 世紀 80 年代，實驗設施相對落后。 普通的道路車輛是三維鈍體，其氣動阻力為主要所受阻力[4]。當車輛通過空氣行進時，氣流在車輛的前表面上的流動，但在后部的表面分離，從而導致在正面和后端之間的表面壓力的差異，這會導致汽車阻力[5]。過去的實驗和數(shù)值研究表明三個主要組成部分，在 Ahmed 模型周圍的流動情況：在傾斜的表面或后窗分離漩渦，一對反向旋轉的縱向或從后窗兩側邊的 C 柱渦，和垂直后背面的再循環(huán)的環(huán)面。氣動阻力與三種結構的相互作用有直接關系。它的相互作用取決于后傾斜角。兩個不同的制度已經(jīng)確定，在角度 30 度處區(qū)分。如圖 1-1為 Ahmed 汽車模型的空氣阻力系數(shù)傾斜后背面的傾角的變化結果。在相對小的角度，C 柱旋渦發(fā)生了。一方面，C 柱旋渦產(chǎn)生阻力。另一方面，旋渦誘導他們之間的下洗流，從而提高附著在后窗的壓力，綜合效果是減阻。最小阻力的發(fā)生角度增加到 12.5 度，在其中流動似乎是二維的，除了兩個 C 柱旋渦附近。一旦角度大于 15 度，壓差阻力迅速增加隨著角度升起。在角度為 30 度，渦量達到最大；阻力也是一樣的。如圖 1-2 為 Ahmed 模型下傾角為 30 度時的尾流結構，除了角度為 30 度，旋渦破裂和脫離的結構完全分離。 
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第 2 章 實驗平臺的搭建

風洞設備是空氣動力學研究中的重要設備，風洞實驗的結果具有直觀、可靠性高的優(yōu)點。本章簡單介紹了哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院的風洞，，詳細介紹了運用于汽車減阻實驗的 35 度下傾角的 Ahmed 模型，定常和非定常脈沖射流激勵器的設計以及在 Ahmed 模型上的布置，本章還介紹了風洞實驗六分量測力系統(tǒng)，壓力掃描系統(tǒng)以及用于定常和非定常脈沖射流發(fā)生裝置系統(tǒng)。 

2.1  低速風洞
風洞設備按照來流速度可以分為低速風洞、高速風洞和高超聲速風洞，還可以分為回流式風洞和直流閉口式風洞。本文中的所有實驗均是在哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院風洞試驗的低速回流式風洞中完成的。該風洞的試驗段總長為 5 m，試驗段寬度為 0.8 m，試驗段的高度為 1.0 m。該風洞的來流是由一個交流電機帶動葉片產(chǎn)生的，來流風速是通過一個變頻器調(diào)節(jié)電機的轉速來控制。風速范圍在不加過濾網(wǎng)的情況下為 3-50 m/s。在測試段中流場的不均勻性在我們測試的雷諾數(shù)范圍不超過 0.5%，來流徑向的湍流度大約 0.4%。來流速度是通過皮托管連接到 Furness FCO510 微壓計(0-20 mm H2O，0-18 m/s，精度小于2.0%)測量得到。 
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2.2  測量系統(tǒng)
天平是風洞測力實驗中最重要的測量裝置，其主要用于測量作用在模型上的力以及力矩，按照測力天平的測量原理可以分為機械式測力天平，應變片測力天平以及懸浮式測力天平，據(jù)測量的分量可分為：單分量天平和多分量天平。在本次試驗中采用的天平是由中國航空空氣動力技術研究院生產(chǎn)的型號為HGDDS-80-1 六分量應變片測力天平，如圖 2-1 所示。測力天平的詳細參數(shù)如表 2-1 所示。信號放大器的作用是通過給微弱信號一定的增益，將其放大為較大的信號。汽車模型在風洞中受到 3 個分量的力，模型所受力通過測力天平中的應變片來感應，應變片將模型所受力信號轉換為自身的形變，應變片的形變引起應變片的阻值的變化，進而轉換為微弱電信號。應變放大器將微弱電信號進行放大，傳輸給采集系統(tǒng)。
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第 3 章 AHMED 車體模型風洞減阻實驗 ...... 23 
3.1 AHMED 模型阻力的計算 ......... 23 
3.2 雷諾數(shù)對阻力系數(shù)的影響 ........ 24 
.3 定常射流激勵器對阻力系數(shù)的影響 ....... 25
3.4  非定常射流激勵器對阻力系數(shù)影響 ....... 30 
3.5  定常與非定常射流激勵器聯(lián)合減阻 ....... 35 
3.6  本章小結 ...... 36 
第 4 章 AHMED 模型的壓力掃描實驗 .......... 38 
4.1 AHMED 模型壓力的計算 ......... 38 
4.2 壓力掃描實驗結果 ..... 39 
4.2.1  定常射流激勵 S4控制下尾壓變化 ....... 39 
4.2.2  定常射流激勵 S5控制下尾壓變化 ....... 41 
4.2.3 定常激勵 S5和 S4組合控制下尾壓變化 ...... 42 
4.2.4  非定常射流激勵 S1控制下尾壓變化 .......... 44 
4.2.5 定常與非定常激勵組合控制下尾壓變化 ..... 46 
4.3  本章小結 ...... 47 

第 4 章 Ahmed 模型的壓力掃描實驗

本章詳細介紹了 Ahmed 汽車模型的壓力掃描實驗，壓力掃描實驗利用壓力掃描儀測量汽車模型背部壓力，研究了在單個射流激勵器工作下 Ahmed 模型的背部壓力，通過壓力掃描實驗驗證了汽車模型的減阻效果，并對模型的減阻結果做出了一定的解釋。本章所有壓力掃描實驗均在風速為 15  m/s，雷諾數(shù)為1.67×105下進行，采樣頻率為 650 Hz，采樣點數(shù)為 30000 個點。 

4.1 Ahmed 模型壓力的計算

為了驗證在控制下的減阻結果的有效性，本文研究了汽車模型傾斜后背面P1 孔以及垂直后背面上 P2 孔的壓力回復在沒有控制和有控制兩種情況下的壓力變化，P1 孔位于傾斜后背面的中心位置，P2 孔位于垂直后背面的中心位置，從模型正后方看向模型，其布置如圖 4-1 所示。本文完成了所有單個執(zhí)行器控制情況下的壓力掃描實驗，包括定常吹氣和非定常脈沖射流，從而驗證通過測阻力得到的減阻效果： （1）在單個向上 45 度噴射的定常射流激勵 S4控制下，汽車模型傾斜后背面的 P1 孔的壓力系數(shù)以及汽車模型垂直后背面上 P2 孔壓力系數(shù)的變化。 （2）在垂直后背面兩側向內(nèi) 45 度噴射的定常射流激勵 S5控制下，汽車模型傾斜后背面的 P1 孔的壓力系數(shù)以及汽車模型垂直后背面上 P2 孔壓力系數(shù)的變化。 （3）在定常射流激勵 S5和 S4組合控制下，汽車模型傾斜后背面的 P1 孔的壓力系數(shù)以及汽車模型垂直后背面上 P2 孔壓力系數(shù)的變化。 （4）在單個脈沖射流非定常激勵 S1控制下，汽車模型傾斜后背面的 P1 孔的壓力系數(shù)以及汽車模型垂直后背面上 P2 孔壓力系數(shù)的變化。 （5）在非定常脈沖射流激勵 S1、定常射流激勵 S5和 S4組合控制下，汽車模型傾斜后背面的 P1 孔的壓力系數(shù)以及汽車模型垂直后背面上 P2 孔壓力系數(shù)的變化。

 

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結  論

本文以利用主動流動控制的手段提高汽車的氣動特性為研究背景及主要研究目標,根據(jù)汽車模型的尾流結構，以下傾角為 35 度的 Ahmed 汽車模型為研究對象，根據(jù)文獻，采用了兩種射流控制方法，分別是：定常射流控制和非定常脈沖射流控制，設計了射流執(zhí)行器，并將其安裝于 Ahmed 汽車模型上，研究了在單個射流激勵器控制下的減阻，并找到了最佳效果，根據(jù)不同控制方法的效果，分別進行了定常射流的多個執(zhí)行器的組合控制，和非定常脈沖和定常射流間的組合控制，找到了最大控制效果，利用壓力掃描實驗的方法針對不同射流方法控制產(chǎn)生的減阻原因進行了解釋。 實驗結果表明，在不同射流激勵器控制下產(chǎn)生了不同的效果，其中向上 45度噴射的定常射流激勵 S4、垂直后背面兩邊向內(nèi) 45 度的定常射流激勵 S5和非定常脈沖射流激勵 S1均實現(xiàn)了減阻，降低了模型前后壓力差，其相互組合進一步提升了減阻效果。本文在前人設計的 4 個射流激勵器的基礎上，完成了第 5個位置的射流激勵器的設計以及加工，并將其安裝到 Ahmed 模型上。將汽車模型安裝到風洞測試段中，采用單個定常向上 45 度噴射的射流激勵器 S4、單獨定常向內(nèi) 45 度噴射的射流激勵器 S5和單個非定常脈沖射流激勵器 S1在雷諾數(shù)為 1.67×105下進行減阻實驗。根據(jù)在單個射流激勵器控制的減阻效果，在雷諾數(shù)為 1.67×105下針對采用向上 45 度噴射的定常射流激勵 S4、單獨定常向內(nèi) 45度噴射的射流激勵器 S5和非定常脈沖射流激勵 S1利用壓力掃描閥對汽車模型傾斜后背面和垂直后背面上的壓力完成了壓力掃描實驗，并針對不同射流激勵器間的組合完成了壓力掃描實驗。
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參考文獻(略) 

本文編號：49932