来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究.pdf

第29卷第4期江 苏 理 工 学 院 学 报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.29，No.4Aug.，20232023年8月近年来，全球环境问题受到广泛关注，减少化石燃料使用以及降低污染排放形势紧迫。电动汽车的出现推动了清洁技术的发展，低油耗汽车获得普遍青睐；然而，目前燃油汽车在市场上仍占据着主体地位，汽车的动力性、燃油经济性等依然是人们关注的重点。利用计算流体力学（CFD）对车辆表面部件进行优化研究已逐渐得到重视。作为汽车安全行驶的重要部件，后视镜以一个较大钝体的形式暴露在汽车外流场中，它影响了汽车A柱周围的气流，在产生噪音、降低车上人员舒适性的同时，也为汽车带来约2%7%的总阻力1。因此，汽车后视镜的气动减阻降噪引起了许多学者的关注。陈鑫等人2基于仿生非光滑结构对后视镜模型进行研究，通过改变边界层的流场结构，产生涡垫效应，从而减小了整车阻力。张亚等人3结合数值模拟和风洞试验，研究被动射流对后视镜模型的减阻效果，结果表明：被动射流后视镜改变了后视镜尾涡结构，减阻率达到7.1%；同时，改变射流角度可以增强减阻效果。来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究杨育飞，张 丹，胡 靖，孙 云，田 驰，郑 焱（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001）摘要：后视镜作为汽车安全行驶的重要部件，研究其尾部流场结构对汽车减阻降噪具有重要意义。基于粒子图像测速技术（PIV），分别测量了一般类后视镜钝体与带有来流侧分隔板的类后视镜钝体的瞬时尾部流场，在此基础上，展开了流场的统计学分析。时均流场表明，在来流侧采用分隔板削弱了后视镜的旋涡脱落强度，推迟了尾部分离区的形成。采用功率谱密度分布以及利用本征正交分解（POD）的方法研究2种类后视镜模型的尾流结构，分析表明：带有分隔板的类后视镜模型旋涡脱落频率有所下降，其尾部流场处于相对稳定的状态；在分隔板作用下，POD前两阶模态的能量占比明显降低，模态的空间分布出现了小尺度的旋涡结构，这进一步证实了分隔板对旋涡脱落的抑制作用以及对后视镜减阻降噪的积极影响。关键词：后视镜；分隔板；PIV；功率谱密度；本征正交分解中图分类号：U461.1文献标识码：A文章编号：2095-7394（2023）04-0019-11收稿日期：2022-10-12基金项目：国家自然科学基金项目“基于多尺度涡动力学的方柱展向周期性扰动减阻机理研究”（11802108）；江苏省高校自然科学基金重大项目“不同壁面条件下三维贴壁方柱流场特性及其减阻机理研究”（19KJA510002）；江苏省高校自然科学基金面上项目“方形钝体尾流特性及流动控制机理研究”（19KJB510025）；工业和信息化部重点实验室课题“基于多尺度解析的三维机翼非定常流动与控制研究”（KLUAFC-E-202102）；常州市科技支撑计划社会发展项目“基于仿生学的无人机机翼绕流场特性及其控制机理研究与应用”（CE20205036）；常州市科技支撑计划基础研究项目“考虑边界效应的有限高钝体三维绕流及其控制机理研究”（CE20220066）作者简介：杨育飞，硕士研究生，主要研究方向为车辆空气动力学。通讯作者：郑焱，副教授，博士，主要研究方向为车辆空气动力学与热流场性能优化、复杂流动现象解析及其控制。20第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报由于后视镜模型较为复杂，Siegert等人4-5首次提出利用通用侧视镜的类后视镜钝体作为后视镜简化模型进行研究。李红霞6基于后视镜振动，运用动网格技术研究圆柱、半圆柱和通用侧视镜流场，研究表明，通用侧视镜模型阻力系数最小，同时，该模型气流过渡更为平稳，自由端面几乎不存在回流区，来流向压差阻力更小。袁海东等人7针对包含类后视镜钝体在内的4种钝体进行PIV实验，通过本征正交分解对尾迹加以分析，研究表明，类后视镜钝体尾迹与有限长柱体类似，以大尺度涡脱落为主。对于分隔板在流场中的影响，国内外学者进行了一系列研究。Zhu等人8在低雷诺数下对加装分隔板的圆柱绕流进行研究，结果表明，加装来流侧分隔板会延迟圆柱尾涡脱落。郭涵慧等人9利用OpenFOAM平台对增加来流侧分隔板的圆柱在Re=3 900情况下进行研究，结果表明，附加分隔板会改变尾迹涡街脱落，并且分隔板可以有效降低圆柱的阻力和升力。Gao等人10在Re=2.66105情况下进行风洞试验，结果显示，当分隔板长度与圆柱直径相等时减小阻力系数的效果最为明显，阻力系数相较于原圆柱下降了18.7%。面对后视镜尾流这一复杂的湍流结构，最常见的是采用模态分解的方法得到降阶模型，再利用降阶模型提取出流场相干结构，Lumley等人11-12提出的POD方法是运用最为广泛的技术之一。为了分析来流侧分隔板对后视镜尾部流场的影响，本文利用类后视镜钝体模型进行研究，通过PIV实验获得大量的瞬时流场数据，再结合分析功率谱密度分布，并利用POD方法研究分隔板对后视镜尾部流场的影响。1实验模型和PIV实验细节1 1.1 1实验模型实验模型为了研究分隔板对后视镜尾部流场的影响，本文使用2种类后视镜钝体模型进行PIV实验：一种是一般类后视镜模型，如图1所示为详细几何参数，其特征长度D=80 mm、高度为120 mm；另一种是带有分隔板的类后视镜模型，分隔板位于后视镜前部中央，如图2所示为详细几何参数，其长度为40 mm、宽度为3 mm。1 1.2 2PIVPIV实验细节实验细节以U0=0.18 m/s的恒定自由流速度进行高速PIV实验，实验在循环水槽中进行，该循环水槽试验段长为2 500 mm，截面为500 mm500 mm。如图3所示，将模型固定在平板上，分别测量后视镜的x-y平面（z=20 mm、40 mm、80 mm），x-z平面图1一般类后视镜模型三视图及基本尺寸图2带有分隔板的类后视镜模型三视图及基本尺寸第4期杨育飞，等：来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究21（y=0）。模型的特征长度为80 mm，对应的雷诺数为14 400。图3PIV测量示意图将高速摄像机和连续激光光源用于本次实验，利用连续高强度激光作为光源照亮被测平面，将平均直径为1020 m 的聚苯乙烯颗粒作为示踪粒子加入到水槽流动循环中，由于该颗粒非常接近水的密度，可近似忽略水的浮力或颗粒重力所带来的影响。所设置的高速摄像机分辨率为2 0482 048，以 250 Hz 摄像频率共拍摄 5 456张图像，利用 PIV 软件对图像进行分析，得到瞬态速度场。2实验结果与分析2 2.1 1时均流场结构时均流场结构如图4（a）、4（b）所示，分别为带隔板的类后视镜模型与一般类后视镜模型在y=0平面的速度流线和涡度轮廓图，以及2个模型的尾流在不同位置处平均时间流向速度分布图。从图4（a）可以看出：在后视镜模型后方出现了一个大尺度的涡，涡的停滞点大约在x/D=2.5处，在隔板后方以及后视镜后方均出现较大尺度的涡度轮廓；平均时间流向速度分布图显示，隔板后视镜尾流在z/D由2降至1.5处流向速度快速减小，尾流受到隔板的影响出现速度波动，这与后视镜模型尾流处的大尺度涡有关；由x/D=0.1的流向速度曲线图可以得出，在后视镜近壁面处流向速度接近于 0。从图 4（b）可以看出：在一般类后视镜模型后方同样出现了大尺度涡，涡的停滞点相较于图4（a）更靠近模型，大约在x/D=2.35处；缺少隔板对后视镜上方的影响，一般类后视镜模型后方只出现一个大的负涡度轮廓，但是，这个负涡度轮廓比带有隔板后视镜模型的更大；右侧流向速度曲线图显示，直到x/D=1.5时尾流流向速度才开始减小，但是减小的速度与图4（a）相比更快，可能是由于失去隔板的尾流与后视镜上方的尾流发生了相互作用。如图5、图6和图7所示，分别为带隔板的类后视镜模型与一般类后视镜模型在z=20 mm、z=40mm 以及z=80mm 平面处的速度流线、涡度轮廓以及时均流向速度图。2 种模型的尾流都呈现出有限长柱体的尾流特征。根据图5（b），一般类后视镜钝体在x/D=0.5 处尾流关于y/D=0 展现出两侧流速高中间流速低的特征，这说明在x/D=0.5 附近出现速度波动，并且这个速度波动也影响到x/D=1的流向速度。相比之下，图 5（a）显示后视镜受到来流侧分隔板影响，尾流中的速度波动明显减小。根据图6，在z=40 mm平面处，带有分隔板的类后视镜模型尾流旋涡中心在x/D=1.2处相较于一般类后视镜模型x/D=1明显靠后，这表明分隔板可以延迟后视镜尾涡脱落。根据图7，在z=80 mm平面处，2种类后视镜模型的尾流相比之前平面较不对称，可能的原因是受到顶部流场的侵入，在此平面的流场较不稳定；在流场尾部x/D=2和2.5处，带有分隔板的类后视镜模型尾流流向速度较小，表明它22第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报（a）带有分隔板的类后视镜模型（b）一般类后视镜模型图4在y=0平面处的速度流线、涡度轮廓以及时均流向速度分布图依然受到后视镜尾涡影响，这也说明分隔板的存在可以延迟后视镜的尾涡脱落。（a）带有分隔板的类后视镜模型第4期杨育飞，等：来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究23（b）一般类后视镜模型（a）带有分隔板的类后视镜模型图5在z=20 mm平面处的速度流线、涡度轮廓以及时均流向速度图（b）一般类后视镜模型图6在z=40 mm平面处的速度流线、涡度轮廓以及时均流向速度图24第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报（a）带有分隔板的类后视镜模型（b）一般类后视镜模型图7在z=80 mm平面处的速度流线、涡度轮廓以及时均流向速度图2 2.2 2功率谱密度分布功率谱密度分布为了获得流场振动的全局频率信息，本文使用功率谱密度函数分析来流波动速度。通过PIV实验，在250 Hz的采样频率中获得5 456个瞬时速度场数据，所得到的频率分辨率约为0.045 8 Hz。如图8（a）、图8（b）所示，分别为2种模型在3个不同高度平面的x/D=2.5、y/D=1位置处的功率谱密度分布图。图8（b）显示，功率谱密度在斯特罗哈尔数（St=fD/U）约为0.183时出现峰值，这明显反映了后视镜尾流大尺度旋涡的脱落频率，表明在后视镜尾流中大尺度旋涡结构占据主导地位；并且，随着平面的上升在低频处能量占比降低，原因是流体经过后视镜顶部分离区流场向下侵入，对上方平面流场波动影响较大。图8（a）显示，功率谱密度的峰值频率在St=0.165处略有下降，表示带有分隔板的后视镜尾涡脱落变慢，这与上文时均流场一致。如图9所示，为3个不同高度平面处2个模型的功率谱密度分布图。图 9（a）显示：在低频区（St为0.0300.165），z=20 mm 平面的功率谱占比带分隔板的类后视镜模型相较于一般类后视镜模型有明显下降，这是由于分隔板对后视镜的作用影响了底部两侧分离区流场的流动。图9（b）显示：在后视镜中间截面（z=40 mm）处，2种模型的功率谱密度分布大体相近。图9（c）显示：在较高频率区域（St为0.1651），z=80 mm平面的功率第4期杨育飞，等：来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究25（b）一般类后视镜模型（a）带分隔板的类后视镜模型图8不同高度平面的x/D=2.5、y/D=1位置处2个模型的功率谱密度分布图谱密度频谱出现了 2 个 高 峰，分 别 在St=0.876和St=0.788处，这是由于后视镜模型受到后视镜顶部分离作用影响而出现高频速度波动；而在高频率区域（St1），3个不同平面中带有分隔板的类后视镜模型的功率谱密度占比都比一般类后视镜大，这意味着分隔板触发了顶部尾流的不稳定性，促使大尺度涡转变成中小尺度涡，从而减小了后视镜后方的能量消耗，达到减阻降噪的效果。2 2.3 3PODPOD技术技术POD 技术是从能量含量的角度来阐释湍流结构。本文利用 PIV 实验得到 5 456 个瞬时速度场，通过 Sirovich13提出的快照 POD 方法得出5 456 个模态。如图 10 所示，分别为 2 种模型在z=40 mm 平 面 的 前 30 阶 模 态 能 量 分 布图。可以看出：一般类后视镜模型前 2 阶模态 占 比 达 到 23.7%和 17.2%，前 30 阶 模态的能量总占比为72.9%；而带分隔板的类后视镜模型尾流前两阶模态能量占比分别为 14.2%、11.2%，并 且 前 30 阶 模 态 的 能 量 总 占 比 为54.7%。可见，带有分隔板的类后视镜模型前30阶模态能量占比相较于一般类后视镜模型有明显下降，并且下降主要集中在前两阶模态的能量占比，表明分隔板能够有效削弱后视镜大尺度尾流的振荡作用。)1-zHW(/度密谱率功StSt)1-zHW(/度密谱率功26第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报（a）z=20 mm平面（b）z=40 mm平面（c）z=80 mm平面图9不同高度平面处2个模型的功率谱密度分布图)1-zHW(/度密谱率功)1-zHW(/度密谱率功)1-zHW(/度密谱率功StStSt第4期杨育飞，等：来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究27（b）一般类后视镜模型（a）带分隔板的类后视镜模型图10在z=40 mm平面处的前30阶POD模态能量分布图如图11所示，为2种模型前两阶模态的空间结构，图11（a）、图11（b）、图11（c）、图11（d）为一般类后视镜模型的POD模态，图11（e）、图11（f）、图11（g）、图11（h）为带有分隔板的类后视镜模型的POD模态。其中：前2列为POD模态横向速度方向的分量；后2列为POD模态来流速度方向的分量。图11显示：前2列横向分量的POD模态都出现关于y/D=0近似对称分布，后2列流向分量则呈现出关于y/D=0不对称分布，并且都是正负速度交替出现，这与尾流涡脱落的特性是一致的，代表了前两阶模态与后视镜尾流大尺度涡街脱落有关，第二阶模态和第一阶模态相差大约1/4个相位。由图11（a）、图11（b）、图11（e）、图11（f）可以看出：2种模型的模态正负速度波动出现的位置大体相近，说明出现这一现象是受来流流速影响，分隔板对其影响不大；但是，在图11（e）、图11（f）中，模态波动状态出现破裂，这表明分隔板导致后视镜后方大尺度涡结构出现破裂分离，降低了后视镜后方大尺度涡波动能量。由图 11（c）、图 11（d）、图 11（g）、图 11（h）可以看出：带有分隔板的类后视镜模型POD模态在来流速度方向分量上有着向外扩散的趋势，这意味着分隔板会使类后视镜模型后方两侧的尾流速度波动变大；类后视镜模型受到分隔板影响增大了后方两侧尾流的波动速度，减小了后方大尺28第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报注：（a）（b）分别为一般类后视镜模型垂直来流方向POD分解第一和第二阶模态；（c）（d）分别为一般类后视镜模型来流方向POD分解第一和第二阶模态；（e）（f）分别为带有分隔板的类后视镜模型垂直来流方向POD分解第一和第二阶模态；（g）（h）分别为带有分隔板的类后视镜模型来流方向POD分解第一和第二阶模态。图112种模型前两阶模态的空间结构度涡街的波动能量，说明增加分隔板能够降低大尺度涡能量并能将其转换成后视镜后方两侧的小尺度涡，这也解释了图10中带有分隔板的类后视镜模型其前两阶模态能量为何是偏低的。3结论本文对2种类后视镜模型进行PIV实验，结合功率谱密度分布分析以及利用POD方法，研究分隔板对于后视镜尾部流场的影响，得出如下结论：（1）2种类后视镜模型都呈现出有限长柱体的尾流特征，相比之下，带分隔板的类后视镜模型可以延迟后视镜尾涡的脱落。（2）从功率谱密度分布看，带有分隔板的类后视镜模型在St约为0.165处峰值频率下降，小于一般类后视镜模型，这意味着分隔板减缓了尾涡脱落速度。在低频区域，带有分隔板的类后视镜模型功率谱密度占比小，其原因是分隔板对后视镜的作用影响了底部两侧分离区流场的流动；在高频区域，带有分隔板的类后视镜模型功率谱密度占比大，减小了后视镜后方的能量消耗，从而达到减阻降噪的效果。（3）POD分析表明2种模型的前两阶模态能量偏大，拥有主要的流场相干结构。带有分隔板的类后视镜模型降低了前两阶模态的能量占比，即分隔板削弱了后视镜尾流大尺度旋涡的作用。（4）尾迹POD分析表明，后视镜尾流的主要特征是以大尺度涡脱落为主。带有分隔板的类后视镜模型在POD模态的横向速度分量中出现分裂以及在流向速度分量中出现扩散，这说明增加分隔板能够降低大尺度涡能量，并通过将其转换成后视镜后方两侧的小尺度涡，实现后视镜的减阻降噪。参考文献：1 HUCHO W H.Der luftwiderstand von personenwagenM/Aerodynamik des Automobils.Wiesbaden:Vieweg+Teub-ner Verlag，2005：157-284.2 陈鑫，阮新建，汪硕，等.仿生非光滑车外后视镜罩气动减阻降噪机理研究J.湖南大学学报（自然科学版），第4期杨育飞，等：来流侧分隔板对后视镜尾部流场影响的研究29Research on the influence of the incoming flow side partition plate on theflow field of the rearview mirror tailYANG Yufei，ZHANG Dan，HU Jing，SUN Yun，TIAN Chi，ZHENG Yan（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）Abstract：As an important part of automobile safety driving，it is of great significance to study the rear flow fieldstructure of rearview mirror for automobile drag reduction and noise reduction.Based on particle image velocime-try（PIV），the instantaneous tail flow fields of the general rearview mirror blunt body and the rearview mirrorblunt body with inflow side partition are measured.On this basis，the statistical analysis of the flow field was car-ried out.The time-average flow field shows that the vortex shedding strength of the rearview mirror is weakened，and the formation of the tail separation zone is delayed by using the separator on the inflow side.The power spec-tral density distribution and the proper orthogonal decomposition（POD）method are used to investigate the wakestructure of the two rearview mirror models.The analysis shows that the vortex shedding frequency of the rearviewmirror with a partition plate decreases，and the flow field in its tail is in a relatively stable state.Under the actionof the partition plate，the energy ratio of the first two modes of POD is significantly reduced，and the spatial distri-bution of the modes shows a small-scale vortex structure，which further confirms that the splitter plate has an in-hibitory effect on vortex shedding and a positive effect on the drag and noise reduction of the rearview mirror.Key words：rearview mirror；partition plate；PIV；power spectral density；proper orthogonal decomposition2020，47（4）：16-23.3 张亚，王昊，张丹，等.基于被动射流的汽车后视镜减阻研究J.江苏理工学院学报，2022，28（4）：66-74.4 HOELD R，BRENNEIS A，EBERLE A，et al.Numericalsimulation of aeroacoustic sound generated by generic bod-ies placed on a plate.I-Prediction of aeroacoustic sourcesC/5th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference and Exhib-it，1999.5 SIEGERT R，SCHWARZ V，REICHENBERGER J.Numer-ical simulation of aeroacoustic sound generated by genericbodies placed on a plate.II-Prediction of radiated soundpressure C/5th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conferenceand Exhibit，1999.6 李红霞.车外类后视镜钝体振动对流场影响的数值模拟研究D.长春：吉林大学，2022.7 袁海东，杨志刚，单希壮，等.类后视镜钝体尾迹分析J.湖南大学学报（自然科学版），2019，46（2）：28-35.8 ZHU H J，LI G M，WANG J L.Flow-induced vibration of acircular cylinder with splitter plates placed upstream anddownstream individually and simultaneouslyJ.AppliedOcean Research，2020，97：102084.9 郭涵慧，赵伟文，万德成.加装来流侧分隔板的圆柱绕流三维数值模拟研究J.中国造船，2020，61（S2）：132-141.10 GAO D L，CHEN G B，HUANG Y W，et al.Flow charac-teristics of a fixed circular cylinder with an upstream split-ter plate:on the plate-length sensitivityJ.ExperimentalThermal and Fluid Science，2020，117:110135.11 LUMLEY J L.The structure of inhomogeneous turbulentflowsJ.Atmospheric Turbulence and Radio Wave Propa-gation，1967：166-178.12 LUMLEY J L.Stochastic tools in turbulenceM.NewYork：Academic Press，1970.13 SIROVICH L.Turbulence and the dynamics of coherentstructures.III.Dynamics and scaling J.Quarterly of Ap-plied Mathematics，1987，45（3）：583-590.责任编辑盛艳