基于等离子体气动激励的汽车标准模型尾部流场控制机理研究

Active flow control technology, as an important mean of manipulating flow field around the body, offers a new way to minimize the aerodynamic drag of automobile and automobile emission and provides key support for resolving outstanding issues, such as energy shortage and air pollution. The mechanism of flow control over an automotive standard model is still unclear. Most of the current researches mainly focused on the control effect evaluation of actuators by using time-averaged measurements, such as force measurement, pressure measurement, and flow field measurement. The investigation on the interaction between flow around the automotive standard model and the induced flow by actuators remains limited. Initially, flow control on an Ahmed body with a slant angle of 25 degree using plasma actuators will be studied in this project. Particle Image Velocimetry experiments, dynamic force measurement, hot wire measurement are conducted in a wind tunnel for gaining a relatively thorough understanding of the coupling mechanism between a separation bubble on the slanted surface, a pair of counter-rotating C-pillar vortices emanating from the side edges of the slanted surface and a recirculation bubble behind the vertical base, and analyzing the effect of unsteady flow structures around the rear body on dynamic forces of Ahmed model. The highlight of the present research is to reveal the interaction mechanism between the induced flow by plasma actuators and flow structures around the rear body and propose a new way of controlling the Ahmed body. In addition, based on the aforementioned investigation, flow control on a DrivAer model using plasma actuators will be studied for verifying a new method of flow control. This work will lay a foundation for improving the control effect of the plasma actuator and reducing the aerodynamic drag of automobile.

流动控制技术作为改变流动状态的重要手段，为降低汽车阻力，减少汽车排放，解决能源短缺、空气污染等突出问题提供了重要支撑。目前，大部分汽车流动控制研究主要通过平均阻力、时均流场等结果去评估激励器的减阻效果，而激励器诱导流场与汽车尾部流场之间的耦合过程却鲜有研究。本项目从“分离泡、C柱涡、马蹄涡等汽车尾部流场结构之间的耦合作用机制”与“汽车尾部流场控制机理”这两个科学问题出发，以等离子体激励器为控制方式，采用高频PIV、动态测力等研究手段开展风洞实验研究。首先以斜面倾角为25°的Ahmed模型为研究对象，理顺尾部流场结构间的相互关系，分析瞬态尾部流场对瞬时气动力的影响规律，重点开展激励器诱导流场与尾部流场的耦合机制研究，揭示减阻机理，提出流动控制新方法；在此基础上，以快背式DrivAer模型为研究对象，开展减阻技术工程应用探索研究，验证控制新方法，为等离子体流动控制技术在实车上的应用积累基础。

流动控制技术作为改变流动状态的重要手段，为降低汽车阻力，减少汽车排放，解决能源短缺、空气污染等突出问题提供了重要支撑。目前，大部分汽车流动控制研究主要通过平均阻力、时均流场等结果去评估激励器的减阻效果，而激励器诱导流场与汽车尾部流场之间的耦合过程却鲜有研究。本项目从“分离泡、C柱涡、马蹄涡等汽车尾部流场结构之间的耦合作用机制”与“汽车尾部流场控制机理”这两个科学问题出发，以等离子体激励器为控制方式，采用高频PIV、动态测力等研究手段开展风洞实验研究。首先以斜面倾角为25°的Ahmed模型为研究对象，理顺了尾部流场结构间的相互关系，分析了瞬态尾部流场对瞬时气动力的影响规律，重点开展了激励器诱导流场与尾部流场的耦合机制研究，揭示了减阻机理，提出流了动控制新方法；在此基础上，以快背式DrivAer模型为研究对象，开展减阻技术工程应用探索研究，验证了控制新方法，为等离子体流动控制技术在实车上的应用积累基础。.在激励器特性研究方面，一是发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象，丰富了已有的关于等离子体空气动力学描述方面的研究理论；二是首次采用非正弦激励电压增加介质表面沉积电荷密度、提高放电强度的方式，增强了声激励强度，为提升控制效果提供了新思路。三是厘清了激励器诱导流场在刚施加电压时的发展情况，揭示了诱导流场的完整演化过程，增进了对等离子体激励器诱导流场演化规律的理解与认识。在汽车流动控制方面，一是提出了“基于对称布局等离子体激励器的虚拟可动表面附面层控制”的流动控制新方法；阐明了该方法具有以诱导流场与来流耦合形成的诱导涡增强掺混、以声流与诱导流场相互作用产生的拟序结构进行动量传输等流动控制机理，为等离子体减阻技术的工程应用提供了科学基础；二是采用等离子体激励在贴近真实汽车的DrivAer模型上实现了减阻效果，进一步提升了等离子体减阻技术的成熟度。