基于车尾风能回收的气动减阻装置

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27740

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基于车尾风能回收的气动减阻装置

冯雅婷, 张辉()

南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京 210094

收稿日期:2022-07-01 修回日期:2022-07-27 接受日期:2022-08-03 出版日期:2022-12-25 发布日期:2022-08-17
通讯作者: 张辉 E-mail:zhanghui1902@hotmail.com
基金资助:
国家自然科学基金(11672135)

Aerodynamic drag reduction device based on rear wind energy harvesting

Yating FENG, Hui ZHANG()

National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China

Received:2022-07-01 Revised:2022-07-27 Accepted:2022-08-03 Online:2022-12-25 Published:2022-08-17
Contact: Hui ZHANG E-mail:zhanghui1902@hotmail.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11672135)

摘要/Abstract

摘要：

在车尾同时安装隔板和风力发电机（以下简称“复合装置”），利用湍流RANS模型和风力发电机致动线模型对雷诺数 $R e = 1.43 × 106$ 工况下全车流场进行了数值计算。首先比较了无车尾隔板、有车尾隔板和复合装置3种情况下车尾流场和车体受力的变化。发现复合装置控制中，隔板提高了车尾背风面压力，减小了车尾斜面上的摩擦力，同时风力发电机在回流区中运转产生推力，这3部分组成复合装置的减阻总效果。其次，讨论了改变隔板长度对复合装置减阻效果的影响，发现隔板和风力发电机的减阻效果均随着隔板长度的增大而先增大后减小，其最大减阻率可达19.5%。

关键词: 流动控制, 减阻, 分离流, 隔板, 风力发电机

Abstract:

In this study， the plate and wind turbine are coupled on the rear of the vehicle （hereinafter referred to as “the composite device”）. Numerical calculation for the flow field around the vehicle at Reynolds number Re=1.43×10⁶ is conducted adopting the Reynolds Average Navier-Stokes（RANS） model and actuator line model. Three cases （that of no control， that with the plate control， and that with the composite control） are compared based on the flow field and aerodynamic force. In the composite control， the total effect of drag reduction can be divided into three parts， in which the pressure on the rear of the vehicle is increased， the friction on the slope decreased， and the thrust generated by the wind turbine. Moreover， the influence of the plate length is discussed based on the effect of drag reduction for the composite device. The results show that both the drag reduction effects of the plate and the wind turbine increase first and then decrease with the increase of the plate length. The attainable maximum drag reduction is 19.5%.

Key words: flow control, drag reduction, flow separation, plate, wind turbine

中图分类号:

O355

冯雅婷, 张辉. 基于车尾风能回收的气动减阻装置[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 180-191.

Yating FENG, Hui ZHANG. Aerodynamic drag reduction device based on rear wind energy harvesting[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2022, 43(S2): 180-191.

图/表 21

图1

图 2

图3

表1

车体计算域边界条件

边界	类型
计算域入口	u $= 1 0 0$ ， $∇ p ⋅$ η $= 0$
计算域出口	$∇$ u $⋅$ η $= 0$ ， $p = 0$
车身表面及地面	u $= 0 0 0$ ， $∇ p ⋅$ η $= 0$
计算域侧面及顶面	$∇$ u $⋅$ η $= 0$ ， $∇ p ⋅$ η $= 0$

表1

图4

表2

风力发电机计算域边界条件

边界	类型
计算域入口	u $= 1 0 0$ ， $∇ p ⋅$ η $= 0$
计算域出口	$∇$ u $⋅$ η $= 0$ ， $p = 0$
计算域侧面及上下面	$∇$ u $⋅$ η $= 0$ ， $∇ p ⋅$ η $= 0$

表2

表 3

不同网格条件下风力发电机功率P比较

网格方案

风力发电机

平面网格尺寸

功率P/MW

相对误差/%

网格1（20个致动点）

0.024 d

4.78

1.24

网格2（17个致动点）

0.030 d

4.84

0.26

网格3（14个致动点）

0.036 d

4.87

表 3

图5

表 4

不同网格条件下阻力系数比较

网格方案	车身表面网格尺寸	阻力系数 $C D$	相对误差/%
网格1（1 000万网格）	$0.008 L$	0.309	3.5
网格2（1 200万网格）	$0.006 L$	0.320	0.3
网格3（1 400万网格）	$0.004 L$	0.321

表 4

图6

表 5

与文献［31］中阻力系数的比较

方案	$R e L$	阻力系数 $C D$
误差/%		4.4
模拟值	$1.43 × 106$	0.320
实验值^［31］	$1.43 × 106$	0.335

表 5

图7

图8

图9

图10

图11

表 6

3种典型工况下车体各项阻力系数和减阻率比较

工况	压差阻力系数 $C D p$	摩擦阻力系数 $C D τ$	风力发电机推力系数 $C t$	汽车总阻力系数 $C D$	减阻率 $D R$ /%
无控制	0.272	0.048	0	0.320	0
隔板控制	0.223	0.043	0	0.266	16.87
复合控制	0.230	0.043	-0.013	0.260	18.75

表 6

图12

图13

图14

图15

参考文献 31

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