基于等离子体的GTS模型气动减阻研究 王靖宇 周申申 胡兴军 惠政摘 要：为探究等离子体对类厢式货车的气动减阻效果，以GTS模型为研究对象，采用数值仿真的方法，分别研究了当来流风速为20 m/s时，3个位置处等离子体布置角度、激励电压对GTS模型的气动减阻效果并分析其减阻机理，然后进行组合工况的分析. 研究结果表明，等离子体是通过诱导近壁面气体定向流动使流动分离点后移、推迟流动的分离，从而减小GTS模型前后压差阻力、降低整车气动阻力系数，等离子体布置的位置在流动分离点后方并且靠近流动分离点. 单个位置激励时，等离子体布置在GTS尾部两侧时气动减阻效果最好，最大减阻率为5.09%;组合工况时最大减阻率可达6.01%. 当来流风速一定时，等离子体存在最佳布置角度与激励电压.Key：等离子体;激励电压;地面运输系统模型;汽车空气动力学;主动流动控制;车辆工程Abstract：In order to study the aerodynamic drag reduction effect of the plasma on kind of vans， ground transportation system（GTS） model was taken as the research object. Numerical simulation was used to investigate the aerodynamic drag reduction effect of plasma arrangement angle and excitation voltage at three positions on the GTS model when the incoming wind speed was 20 m/s，and the drag reduction mechanism was analyzed. Then， the combined working conditions were analyzed. The results show that plasma can make the separation point of the flow move back and delay the separation of the flow by inducing the directional flow of gas near the wall， so as to reduce the pressure difference between the front and rear of the GTS model and reduce the aerodynamic drag coefficient of the vehicle. Moreover， plasma should be set behind and close to the flow separation point. The aerodynamic drag reduction effect is the best when plasma is applied to both sides of the tail of GTS at a single position， and the maximum drag reduction rate is 5.09%. The maximum drag reduction rate can reach 6.01% under combined condition. When the incoming wind velocity is constant， the plasma has the optimal arrangement angle and excitation voltage.Key words：plasma;excitation voltage;Ground Transportation System（GTS） model;automobile aerodynamics;active flow control;vehicle engineering隨着能源问题的日益严峻、燃油价格的不断上涨，如何进一步降低汽车的气动阻力问题已成为研究热点[1]. 厢式货车车身流线型差，气动阻力系数较大，一般为0.6～0.7;当车速达到90 km/h时，发动机功率的80%将用于克服空气阻力[2]. 因此降低厢式货车的气动阻力对于节能减排具有重要意义.王靖宇等人[3]采用数值模拟的方法，在厢式货车前部加装导流罩，将整车气动阻力降低10%以上;杨小龙等人[4]通过采用尾部上翘角减小货车尾部分离区强度，当上翘角在10°时，整车气动阻力系数降低约6%.在过去的几年中，主动流动控制概念已经成为流体力学中越来越重要的课题. 等离子体流动控制技术具有结构简单、能耗低、动态响应快等优点[5-6]，受到相关学者的关注与研究.王靖宇等人[7]应用等离子体对后台阶流动的尾流场进行主动控制，将再附着位置提前45.27%;李正农等人[8]采用数值模拟与风洞试验相结合的方法，对低矮房屋平屋面进行等离子体流动控制，改善屋面的局部风压系数的大小及分布，提高建筑结构抗风能力.目前对等离子体流动控制的研究多集中在航空领域[9-12]，而本文将等离子体应用到汽车领域. 首先对由美国Sandia国家实验室提出的类厢式货车地面运输系统（GTS）模型进行外流场仿真，分析整车气动阻力系数较大的原因;然后以流场信息为指导布置等离子体的位置，揭示等离子体对流场控制的机理，并探究等离子体最佳布置角度与激励电压及其对应的气动减阻效果. 本文研究结果可对等离子体在汽车上的应用提供参考.1 等离子体气动激励及能耗分析1.1 等离子体气动激励等离子体是除了液态、固态以及气态之外的物质存在第四态.[13] 介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）是產生稳定低温等离子体的有效方法，其基本结构如图1所示.一方面，在高压电源的作用下，上电极附近空气被电离成电子和离子共同存在的等离子体状态，在电场的作用下，正离子向负极板（下电极）定向运动，伴随着与部分空气分子发生碰撞，整体表现为诱导壁面附近气体向右定向移动;另一方面，等离子体放电过程中也会产生局部温度和压力变化而引发温升及脉冲效应. 二者的共同作用实现等离子体对流场的主动干扰.1.2 等离子体数值仿真验证对于介质阻挡放电等离子体模型，采用由Shyy等人[14]提出的等离子体对流场作用方程的简化模型，综合考虑等离子体激励电压、频率、极板几何形状等因素，将试验工况时等离子体的流动控制效果写成如下方程：选用三维长方体空腔模型进行等离子体数值仿真的验证，将地面作为等离子体布置位置，其几何模型纵向中截面如图2所示. 由于等离子体的产生及在电磁场作用下的运动核心区域大小为3 mm×1.5 mm，因此在产生等离子体处需对网格进行加密，本文在该处最小尺寸取0.1 mm，使该区域内有足够的网格数，以呈现等离子体诱导风速随远离电极板而衰减的趋势. 仿真边界条件如表1所示.由于等离子体核心作用区域大部分处于边界层内部，故为准确描述等离子体对近壁面流动的控制效果，选取湍流模型为SST k-ω. 经计算得到2 m/s来流风速时纵向中截面仿真速度云图如图3所示.由图3可以看出，布置等离子体的效果为对近壁面附近空气诱导出水平向右、具有一定速度的气流，并且在等离子体布置位置处诱导速度最大;随着流动向后发展，速度值逐渐衰减. 为检验仿真结果的准确性，在等离子体布置位置右侧3.8 mm处，作垂直于地面纵向中线的一条线，如图2所示虚线AB. 监测各来流风速下此虚线上沿y轴的速度分布，并将本文仿真结果与文献[14]仿真结果进行对比，结果如图4所示.图4中，u为虚线AB上速度值;V∞为自由来流速度. 由图4可以看出，本文的仿真结果与文献[14]仿真结果基本一致，且各来流风速下诱导最大风速的误差小于3%，由此验证本文对等离子体仿真的准确性.1.3 能耗分析等离子体是通过能量的输入改变流动边界层的特性来实现主动流动控制，因此，存在成本与收益问题，这就是等离子体是否具有实用价值的关键所在. 傅鑫[15]以试验研究为手段，探究等离子体消耗电功率与其各放电参数间的相互关系，并得到极板间水平距离为2 mm、激励频率为3 kHz、激励电压小于8 kV时（与文献[14]一致），等离子体消耗功率不超过3 W.由此可以看出，虽然为获得低温等离子体所需激励电压较高，但其电流值仅为电子撞击上电极的累积效果，因此该值较小，故所消耗功率较小. 消耗电能与气动阻力系数减小量之间的关系为：2 GTS模型外流场仿真分析本文所选厢式货车模型为1/14 GTS模型，根据其标准尺寸[16]，建立几何模型如图5所示.在ICEM-CFD软件中进行计算域的选取及相应网格的划分. GTS模型特征长度L = 0.2 m，取GTS头部到计算域前端为4L，尾部距计算域出口为7L，车身左右距计算域两侧各5L，上部距计算域顶端为6L，由此得到GTS的阻塞比小于1%，利于流动充分发展.对模型进行相应的网格划分，整体采用三棱柱加四面体的混合网格方案. 经网格无关性验证后发现，GTS车身表面最大网格尺寸取10 mm即可达到仿真精度要求. 为准确计算边界层内部的流动，取第1层网格到圆柱表面量纲化的距离y+=1，在边界层网格划分时，基层厚度取0.015 mm，共15层，由此得到总厚度为0.72 mm的边界层. 整体网格情况如图6所示.在上述网格方案的基础上，采用双精度的计算方法在Fluent软件中迭代计算. 仿真边界条件如表2所示.为准确计算边界层内部的流动状态，湍流模型选择SST k-ω. 经迭代后计算结果显示，GTS整车气动阻力系数为0.492 5，与现有试验值[17]误差小于2%，由此验证本文对GTS模型仿真的准确性. 作沿x方向纵向中截面速度矢量图及GTS模型头部压力云图如图7所示.由图7可以看出，GTS头部两侧出现流动的分离、其尾部后方存在较大面积的负压区，这导致GTS前后压差阻力较大，从而整车气动阻力较大. 因此考虑在GTS头部和尾部流动分离区域布置等离子体来降低整车气动阻力系数. 等离子体具体待布置位置如图8所示，位置1为GTS尾部上方，位置2为尾部左右两侧，位置3为头部竖向两侧.3 等离子体对GTS模型减阻效果研究为方便等离子体的布置及改变等离子体流动控制方向，同时尽可能多位置布置等离子体以及考虑到厢式货车装卸货的方便性，对GTS模型尾部上方及左右两侧进行倒圆改型，倒圆半径r=30 mm，下部保持其原有的形状. 改型后的GTS尾部形状如图9所示.采用与改型前相同的网格策略及数值模拟设置方案对改型后的GTS模型进行仿真，并将此状态作为基础工况. 经迭代计算后得到改型后GTS整车气动阻力系数Cd为0.445 8. 这与改型前的0.492 5相比降低了9.48%.改型后沿x方向基础工况尾部上方速度矢量图和基础工况GTS模型尾部上方剪切应力图分别如图10和图11所示. 由此计算得到基础工况时GTS模型尾部上方流动分离点为a0 = 9.92°.3.1 位置1处等离子体不同布置角度对GTS模型气动减阻效果在分离点后部选取a分别为10°、15°、20°、25°、30° 5个等离子体待布置角度，具体位置如图12所示. 由于等离子体的产生及在电磁场作用下運动的核心区域大小为3 mm×1.5 mm，因此在产生等离子体处需对网格进行加密，本文在该处最小尺寸取0.1 mm，使该区域内有足够的网格数，以呈现离子与空气分子作用的体积力随远离电极板而衰减的趋势，其余网格方案与基础工况保持一致. 由此得到的尾部网。