等离子体主动射流在汽车尾流控制上的应用与研究

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表面介质阻挡放电(SDBD)等离子体作为一种新兴的主动流动控制技术因其激励器结构简单、响应迅速、功耗低、易于布置等优点,已经逐渐成为流动控制领域的热点研究方向之一。同时,由于全球能源日渐枯竭以及日趋严重的“温室效应”,人们对于汽车的燃油经济性及尾气排放标准提出了更高的要求。本文拟将表面介质阻挡放电等离子体主动流动控制技术应用于汽车尾流流动控制研究,通过对比控制前后气动力及尾流流场变化,阐述了等离子体主动流动控制对Ahemd类车体模型尾流场的控制机理及规律。首先,在静止空气中对Y.B.Suzen等人提出的等离子体唯象学模型进行了数值模拟验证。但是,由于该模型给出的相关经验参数只针对了某一个特定激励参数下的情况,还无法满足当前研究的需要。所以,通过文献资料给出的在不同激励电压下等离子体放电所产生的电荷密度分布规律以及等离子体诱导流体的速度特性,对现有的等离子体模型进行了参数修正。这为后面研究等离子体激励器及其参数对Ahemd模型尾流流动控制的影响规律提供了相关数据基础。其次,利用单个线型等离子体激励器对斜背倾角25。的Ahemd模型尾部流动进行了流动控制研究。通过分析激励器布置位置、激励电压、来流速度对尾流流动控制效果的影响,我们可以发现,单个线型等离子体激励器布置在模型尾部斜背顶端流动分离点附近其流动控制效果最好,等离子体激励通过增加流动分离点附近边界层内的流体速度,使得边界层内法向速度分布更加饱满,进而增强了边界层抵抗逆压梯度的能力,从而抑制了模型尾部斜面上方分离气泡的产生。在10m/s的来流速度及激励器电压值为20k V下,最大减阻率达到7.1%。虽然,在施加等离子体激励的下游附近由于气流加速导致局部压力下降,但分离气泡的抑制使得斜面整体的压力得到较好的恢复,从而减小了气动阻力。同时,增大激励电压和减少来流速度均有利于得到一个比较不错的流动控制效果,而当流动分离气泡完全得到抑制后,再增大激励电压降阻效果不再明显,这反而会增大激励器的功耗。最后,利用多个线型等离子体激励器组合在相对较高来流速度下对模型尾部流动进行了主动控制研究。通过结果分析发现,虽然相比于单个激励器,多个激励器同时工作有利于提升其流动控制效果。但从能量转换率看,几倍增加的能量注入并没有换来成倍提高的降阻效果,说明此降阻方案并不是很经济。本文通过数值模拟方法将等离子体主动流动控制技术应用于汽车降阻研究,推动了其在汽车空气动力学领域的发展,为该技术实际应用到汽车空气动力学中积累了经验与数据基础。
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