本文報道了1/12階背式MIRA模型在雷諾數(shù)Re=6.9e+5下的尾流場實驗研究，聚焦于背部與行李箱蓋的流動非對稱性。在背部和行李箱蓋設置了40個測壓點來獲得其表面壓力分布，用2維PIV技術研究了尾流結構。對階背結構上方瞬時壓力信號進行分析，發(fā)現(xiàn)壓力在展向上表現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，并在兩個傾向值之間切換，而在垂直方向上沒有這種現(xiàn)象。在z/H = 0.8平面上的瞬時速度場可分為三種模式，分別是兩種雙穩(wěn)態(tài)和一種轉換狀態(tài)，非稱狀態(tài)的順序是隨機的。為了深入了解雙穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，對壓力數(shù)據(jù)和基于PIV圖片的獲得的非定常尾流進行了條件平均，提取了這三種狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)兩種雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象統(tǒng)計對稱。但在z/H = 0.44的平面上，并不存在雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。

介紹

汽車研究人員往往通過優(yōu)化幾何結構或控制策略來抑制尾流帶來的不利影響，以實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。與方背式車和快背式汽車相比，階背式車的尾流結構更為復雜。背部后端的流動結構具有準二維及三維分離、回流流動、高湍流度等特點。Carr記錄了不同頂蓋長度、高度和背部傾斜角度組合下的表面流場模式，觀察到剪切層從車頂后緣分離并重新附著在頂蓋上。在背部后還發(fā)現(xiàn)了一個橫向渦旋。Nouzawa等人研究發(fā)現(xiàn)，階背的尾流模式基本由拱形渦和拖曳渦組成。階背模型會增加阻力是因為頂端分離流降低了拱形渦內的壓力，產生了強彎曲氣流，彎曲氣流產生了強的下洗氣流，增加了尾渦的循環(huán)。然后Nouzawa等人進行了與Carr類似的研究，發(fā)現(xiàn)剪切層在一定條件下重新附著在行李箱蓋上，同時也研究了背部后拱形渦增阻的非定常特性。Gilhome等人的研究發(fā)現(xiàn)了背部與行李箱蓋相交區(qū)域存在回流泡，隨后在頂蓋上再附著，這是一個不穩(wěn)定特征。Jenkins總結得到在頂板尾緣的流動分離是由兩個頂蓋渦主導的，這兩個渦反向旋轉，與后柱渦旋轉方向相反，在背部后形成并向頂蓋中心延伸。然而該研究并沒有對流動結構進行完整的描述。Lawson等人在比例模型后觀察到了流動的不對稱，流動可視化的初步結果表明，起源于背部區(qū)域的流動不對稱現(xiàn)象對雷諾數(shù)非常敏感，然而，PIV數(shù)據(jù)和流動靜壓數(shù)據(jù)結果表明，從背部到行李箱蓋區(qū)域的不穩(wěn)定程度對雷諾數(shù)幾乎不敏感。因此，這種不對稱是雙穩(wěn)態(tài)行為還是對雷諾數(shù)敏感目前不得而知。Gaylard等人匯總了許多案例，包括真實車輛和模型，觀察到了階背式車輪尾流不對稱，根據(jù)這些情況并基于實驗得出結論：這種不對稱對自由流速度的變化不敏感。Gaylard等人]強調，需要進一步的工作來理解不同階背幾何的影響。此外，還不清楚不對稱車輪的升、阻力性能有什么影響。Okada等人研究發(fā)現(xiàn)，非定常氣動力是由行李箱蓋上方獨特的渦結構引起的，會導致車輛行進穩(wěn)定性能的不同。Sims-Williams等人研究了階背幾何形狀、氣動阻力、流動不對稱及非定常尾流結構之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)不對稱源于背部和行李箱蓋區(qū)域，并隨著階背深度的增加而逐明顯。Wood對不同背部角度下階背模型的流場形式型進行了研究，得到35°背部下的高阻流場結構和低阻流場結構，并且發(fā)現(xiàn)40°背部角度下的階背尾流結構與其他背部角度下的有很大不同。

其他軸對稱體上也存在非對稱現(xiàn)象，Mair等人發(fā)現(xiàn)在某種軸對稱鈍體后面很難得到軸對稱分布的壓力分布。Fabreet等人研究了球和平圓盤尾流的分岔和對稱破裂。Herry 等人研究了零度滑移時三維雙后向臺階下游的流動雙穩(wěn)態(tài)特性。Grandemange等人報道了一個三維鈍體后部層流三維尾流的對稱破裂的實驗觀察，發(fā)現(xiàn)這種破裂在大雷諾數(shù)下是持久的，雙穩(wěn)態(tài)湍流流尾流的產生與這一現(xiàn)象相關。隨后，Grandemange等人對三維鈍體后的雙穩(wěn)態(tài)行為進行了全面的研究。Grandemange等人進一步發(fā)現(xiàn)湍流尾流經過不同縱橫比的平行六面體時具有雙穩(wěn)態(tài)特性。Volpe等人研究了全尺寸方背Ahmed模型非定常自然尾流中的雙穩(wěn)定性。Pavia et al.研究了Windsor模型雙穩(wěn)態(tài)尾流中不同動力學模式之間的隨機關系（casual relationship），并提出了一個相平均低階模型來詳盡的描述雙穩(wěn)態(tài)之間轉換的機理。綜上所述，階背型汽車的流動非對稱現(xiàn)象早已被發(fā)現(xiàn)，似乎與方背式Ahmed模型后部的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象相類似。然而，我們還不理解這種類型的尾流運動情況以及非定常尾流與背壓之間的聯(lián)系。本研究關注階背式MIRA模型的非定常尾流，和背部和行李箱蓋上方上的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。使用壓力傳感器探測瞬態(tài)背壓，使用粒子圖像測速(PIV)測量瞬時流場結構，利用條件平均技術揭示近尾流的運動特性。下文由實驗設置、結果、結論和討論四個部分組成。

實驗設置

實驗在同濟大學比例模型風洞(TUWT)進行。TUWT是一個亞音速，3/4開口閉環(huán)風洞，試驗段長0.997米，寬0.433米，高0.283米，如圖1(a)所示。最大流速為49m/s，收縮段出口縱向湍流強度小于0.5%，試驗段軸向靜壓梯度小于0.005 Pa/m。使用的汽車模型是帶車輪的1/12 MIRA比例模型，其全尺寸模型長4165mm，寬1625mm，高1421mm，本實驗模型尺寸如圖1（b）(c)所示?；谡队懊娣e，堵塞比為10.48%，來流流速為30m/s，由此得到基于車身長為特征長度的雷諾數(shù)Re=6.9e+5。模型由風洞地板下的四個空心圓柱支柱支撐在天平上，前保到噴口的距離為1.27H，來流方向定義為x正向，垂直地面為z方向，展向為y方向，如圖1(a)所示。


圖1


圖2

通過在模型表面的40個孔，使用24端口壓力掃描儀來測量表面壓力，掃描儀精度為±3 Pa，測量前每個端口都校準到精度0.001。如圖2所示，背部和行李箱蓋上分別分布著20個孔。550mm的乙烯管穿過模型的四個支撐點，減小對車底的流動的干擾。壓力掃描儀每秒采集50個壓力樣本?？偟牟蓸訒r間是120秒，選擇前20秒是為了清晰的觀察到雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。壓力系數(shù)Cp定義如下:



采用TSI PIV系統(tǒng)測量MIRA模型后的尾流。由玉米油產生的煙霧散部在整個流場，粒子直徑約1-5 μm。流場由兩個波長為532 nm的Vlite-500脈沖激光源照亮，每個脈沖最大輸出能量為500 mJ，持續(xù)0.01μs。使用CCD相機記錄下粒子圖像。(PowerviewPlus 29 M型，雙幀，6600像素×4400像素)。由610036激光脈沖同步器實現(xiàn)圖像捕捉和流場照明之間的同步。在z/H = 0.8, z/H = 0.44的兩個(x, y)平面和在y/H = 0的一個(x, z)平面進行了PIV測量，如圖1(b)所示。使用互相關算法，詢問區(qū)域為48 × 48像素，在兩個方向上有50%的重疊，采樣頻率為1.5 Hz，采集了1200對圖像來計算每個平面的時間平均流。

結果

1）背部瞬態(tài)壓力

圖3展示了前20秒背部的瞬時壓力信號Cp。B1和B5是背部由上至下編號的第一行對稱點，如圖2所示。這對點的Cp值在-0.22和-0.30之間移動，如圖3(a)所示。每個值的持續(xù)時間是隨機的，最長大于2s，最短不大于1s。兩個點是同時發(fā)生變化的。因此，在一種狀態(tài)下，當B1為-0.22時，B5的Cp為-0.30，在另一種狀態(tài)下，B5為-0.22,B1為-0.30，這種兩種穩(wěn)定狀態(tài)就是雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，可能是背部后面后尾流的左右運動的轉移形成的。


圖3


圖4

B11、B15是位于背部第三排的另一對對稱點，如圖3(c)所示，此處也可以觀察到同樣的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，但傾向值分別為-0.24和-0.32。在背部其他對稱點的Cp波動也有同樣的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，此處沒有列出。在圖3(b)中，B1、B6、B11、B16為圖2所示背部同側點，壓力變化是同步的，但傾向值不同。從圖3(d)中可看出另一側的點B5、B10、B15、B20也有同樣現(xiàn)象。圖4分別顯示了背部展向的Cp梯度(∂Cp/∂y)和豎直方向的Cp梯度(∂Cp/∂z)，其定義如下：



（?y是 B1和B5之間的距離,?z 是B1和B11之間的距離,H是模型的高度)展向Cp梯度圖4 (a)在0.15和-0.15之間隨時間跳動用,本文用P狀態(tài)來表示∂Cp /∂y > 0的情況,∂Cp /∂y < 0的情況用 N狀態(tài)來表示，∂Cp /∂y = 0為轉換狀態(tài)。當梯度值是-0.15時，背部壓力從左到右遞減。當梯度值為0.15時，壓力變化趨勢相反。因此，展向的壓力梯度也表現(xiàn)出相同的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，在兩個傾向值之間移動，并在一段隨機的時間內維持不變。圖4(b)中垂向的Cp梯度在0.1上下波動，沒有在兩個傾向值之間移動，也沒有持續(xù)，這說明著背部上方壓力始終高于下方,沒有雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。圖4(c)和(d)分別顯示了120s期間，所有樣本的平均基壓與∂Cp/∂y、∂Cp/∂z的關系。平均基壓從-0.29到-0.27變化很小小,但∂Cp /∂y集中在兩個值,一個值是0.15的P狀態(tài)，另一個是-0.15的N狀態(tài),值為0附近的轉換狀態(tài)是在P和N狀態(tài)切換中捕獲到的信號。以0為中心的點比其他兩個位置的點要少得多，說明P態(tài)和N態(tài)之間的切換非常快。然而，圖4(d)中的∂Cp/∂z集中在0.1，沒有出現(xiàn)兩個不同的位置。為了更深入地了解壓力信號，并清晰地了解每種雙穩(wěn)狀態(tài)的基壓，根據(jù)圖4(a)中的壓力梯度，將120秒的瞬時壓力信號分為三組(∂Cp /∂y > 0.05 (P狀態(tài)),-0.05 <∂Cp /∂y < 0.05(轉換狀態(tài)),∂Cp /∂y < -0.05 (N狀態(tài)))。在圖5(a)中，對于P狀態(tài)，背部表面壓力從右上角到左下角逐漸減小，而圖5(b)中的N狀態(tài)則正好相反。N態(tài)和P態(tài)的低壓區(qū)主要位于背部兩側的下角。在圖5(c)中，對于轉換狀態(tài)，壓力幾乎是對稱的，與平均表面壓力系數(shù)相同，如圖5(d)所示。


圖5

2）行李箱蓋的瞬態(tài)壓力

圖6顯示了20秒內行李箱蓋上的瞬時壓力信號Cp。D1和D5的壓力隨時間變化基本相同，沒有在兩個傾向值之間變化，說明該位置沒有雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象?？赡苁且驗楸巢颗c行李箱蓋相交處出現(xiàn)橫向渦,行李箱蓋上最靠近背部的第一排孔被橫向渦包裹著，因此橫向渦對第一排孔板起到了屏蔽作用。D6、D10和D16、D20是圖2所示的行李箱蓋上的兩對點，在背部仍然有圖6(b)和(d)所示的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。除第一行之外的所有對稱點都有雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象(本文沒有列出所有對稱點)。D6、D11、D16和D10、D15、D20分別為圖2所示的行李箱蓋兩側的點，行李箱蓋同側點的波動趨勢相同，如圖6(c)和(f)所示。平均Cp值在接近車頂后緣時增大，說明表層壓力增大。從背部B1和行李箱蓋上D16的波動線可以明顯看出，它們從一個傾向值到另一個傾向值的移動時刻不同，意味著背部和行李箱蓋上的雙穩(wěn)態(tài)不是同步的。圖7顯示了行李箱蓋上沿展向的Cp梯度(∂Cp/∂y)，其定義如下:



(?y 是D6與D10之間的距離，H是模型高度)圖7(a)和(b)展示了與背部看到的相同的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，但是移動范圍更小，說明背部的壓力變化更強烈。圖8為行李箱蓋的條件平均壓力等云圖。如圖8(a)所示，蓋板P狀態(tài)表面平均壓力從左上角到右下角逐漸增大。圖8(b)中的N狀態(tài)則相反，低表面壓力區(qū)位于行李箱蓋的前部。在圖8(c)的轉換狀態(tài)下，后備箱兩側的表面壓力幾乎是對稱的，前部為低壓區(qū)，后部為高壓區(qū)。在圖8(d)中，各狀態(tài)的平均表面壓力與轉換狀態(tài)相似，但左側壓力較高，這可能是由于N狀態(tài)出現(xiàn)頻率較高，持續(xù)時間較長所致。結合背部和行李箱蓋的表面壓力可以知道，車頂?shù)暮缶墘毫Ω?然后至背部與行李箱蓋交界處逐漸降至最低值,最后到行李箱蓋的后緣上升到最高值。


圖6


圖7


圖8

3）尾流瞬時速度

基壓特征是尾流運動的直接表現(xiàn)，因此本文主要討論了MIRA比例模型的雙穩(wěn)態(tài)尾流結構。利用尾流的全局量來鑒別雙穩(wěn)態(tài)。由于它的演化過程時間比較長，因此可以用1.5 Hz的PIV測量進行分析。在z/H = 0.8的平面上，動量虧損重心（barycenter of momentum deficit）yb作為尾流位置的指標，定義為:



(yb是動量虧缺重心，yd = y/H，模型高度是H,ux = u/ U，實際流向速度u，初始速度U)，積分區(qū)間為ux < 1。因此，在PIV快照上動量虧損重心位置總是位于流動速度較低的一側。圖9為z/H = 0.8平面上瞬時流線圖，轉換狀態(tài)動量虧損重心位置約為0，P狀態(tài)的yb明顯大于0,N狀態(tài)的yb明顯小于0。因此，可以通過尾流速度分布來區(qū)分尾流狀態(tài)。在轉換狀態(tài)下可以看到兩個大渦，其速度在y/H = 0的幾乎是關于流向對稱分布的。在P狀態(tài)或N狀態(tài)時，速度場向一側傾斜，導致了如圖5(a)&(b)和圖8(a)&(b)所示的不對稱壓力云圖。但是如圖10，在z/H = 0.44平面上的瞬時速度流線圖中沒有觀察到從尾流左到右搖擺，意味著在行李箱后沒有出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。


圖9


圖10

基于動量虧損重心yb，對z/H= 0.8平面尾流的瞬時速度場進行了條件平均，如圖11所示。狀態(tài)P和狀態(tài)N對應的結果分別如圖11(c)和(d)所示，且平均再循環(huán)流場不對稱，離背部較遠的渦旋遠大于對側的渦旋。但如圖11(a)所示，所有狀態(tài)的平均尾流與轉換狀態(tài)的平均尾流基本相似，均呈現(xiàn)對稱分布。表1是根據(jù)圖11給出的漩渦中心到背部的距離，表2是漩渦中心到流向軸y/H = 0的距離。圖11(c)中P狀態(tài)下對應上渦的大渦與背部和流向軸的距離分別為0.265H和0.299H，對應下渦的小渦與背部和流向軸的距離分別為0.192 2h和0.180H。在N狀態(tài)下，圖11(d)中低渦對應的大渦與背部和流向軸的距離分別為0.271 1h和0.296H，低渦對應的上渦對應的小渦與背部和流向軸的距離分別為0.199H和0.176H。因為它們的渦旋大小和到背部和流向軸的距離相差很小，可以推測，P態(tài)和N態(tài)對壓力的影響幾乎是相同的。此外,與所有狀態(tài)的平均結果相比,轉換狀態(tài)渦心的到背部的距離較大,而流向軸心距離較小(見表1和2),這表明轉換狀態(tài)可能對背部和行李箱蓋的壓力貢獻較小。此外，雙穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的改變可能會對側向力產生影響，進而對操縱性有影響。然而，雙穩(wěn)態(tài)尾流現(xiàn)象與空氣動力學之間的聯(lián)系還沒有被完全理解，需要進一步研究。圖12為尾流在y/H = 0平面上的平均速度場和瞬時速度場。在圖12(a)中，中段平均尾流在背部和頂蓋上方出現(xiàn)一個大渦。此外，在行李箱基面后面可以看到一對反向旋轉的渦對。流場從車頂后緣分離，然后撞向行李箱蓋，再循環(huán)形成大渦，這可以解釋為什么在第一行孔板上不存在雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。行李箱蓋后的氣流在尾緣分離，與底部氣流相互作用形成了渦對，從瞬時尾流可以觀察到背部后尾流的上下擺動，如圖12(b)、(c)和(d)所示。此外，從圖12(b)、(c)和(d)可以觀察到行李箱蓋后反向旋轉渦對的交替脫落。


圖11


圖12

表1


表2


結  論

基于階背式1/12 MIRA模型長度，在雷諾數(shù)6.9+e5情況下對其尾流進行了研究。對背部和行李箱蓋瞬時壓力信號的分析均呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，在展向上在兩個傾向值之間轉換。雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)順序是隨機的，但其在背部和行李箱蓋側的同一側的變換是同步的，但背部和行李箱蓋二者之間并不同步。N狀態(tài)和P狀態(tài)的表面壓力云圖幾乎對稱。平均后尾流在z / H = 0.8平面出現(xiàn)了一對對稱的大渦,這是長時間平均的結果并且不反映非定常流的結構。根據(jù)瞬時流場分析，回流區(qū)有對稱破裂位置，這導致了尾流的數(shù)據(jù)統(tǒng)計后的對稱，可能導致非定常側力向，而在行李箱后不會出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。根據(jù)對渦位置的初步分析，抑制雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可能具有減小氣動阻力，但還需要進一步證實。

討  論

因為這種長時間尺度的行為已經在其他軸對稱三維幾何形狀的尾流中觀察到，雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可能是尾流紊流的一個重要特征。不對稱狀態(tài)P和N的共存非常依賴于實驗設備的對稱程度。此外，流場經過長時間平均后是統(tǒng)計對稱的，所以在數(shù)值模擬中，只有在足夠的物理時間下，才能看到非定常模型的雙穩(wěn)態(tài)行為。進一步工作將致力于雙穩(wěn)態(tài)對氣動性能的影響。

文章來源：Yan, G., Xia, C., Zhou, H., Zhu, H. et al., "Experimental Investigation of the Bi-Stable Behavior in the Wake of a Notchback MIRA Model," SAE Technical Paper 2019-01-0663, 2019, https://doi.org/10.4271/2019-01-0663