王冰心， 楊志剛,2，朱 暉

(1. 同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804；2. 北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211)

作為汽車(chē)氣動(dòng)減阻方法之一的流動(dòng)主動(dòng)控制法包括定?？刂萍夹g(shù)與非定?？刂萍夹g(shù)，其中后者較前者更具優(yōu)勢(shì).Brunn等[1]在35°后傾角Ahmed類(lèi)車(chē)體背部斜面上側(cè)分離線(xiàn)處采用非定?？刂萍夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)減阻率2.5%；Krentel等[2]在25°后傾角Ahmed類(lèi)車(chē)體背部斜面下側(cè)分離線(xiàn)處采用非定常控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減阻率5.7%；Pastoor等[3]采用非定常控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上下剪切層同步，減阻率達(dá)15%.非定常主動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用的成功與否依賴(lài)于對(duì)車(chē)體繞流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其非定常運(yùn)動(dòng)特性的研究[4].

針對(duì)Ahmed類(lèi)車(chē)體，以往的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)分析指出其尾跡區(qū)由3個(gè)主要部分組成：背部斜面上的分離泡、背部斜面?zhèn)取癈柱”處卷起的拖曳渦對(duì)及尾部垂直面后部的回流區(qū)[5]，氣動(dòng)阻力與這三種相干結(jié)構(gòu)的相互作用有直接的關(guān)系[6].Minguez等[7]用高階大渦模擬法研究發(fā)現(xiàn)在ReH=7.78×105時(shí)背部斜面出現(xiàn)主頻，對(duì)應(yīng)的Str=0.27，垂直面后部回流區(qū)出現(xiàn)主頻，對(duì)應(yīng)的Stb=0.42，并指出背部斜面馬蹄渦的頻率起主導(dǎo)作用.

Thacker等[8-9]研究了不同雷諾數(shù)下背部斜面的主頻，Str=0.18～0.21分別對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)ReH=(3.89～7.78)×105，相比其他研究其結(jié)果偏小，且指出馬蹄渦對(duì)應(yīng)的頻率不是背部斜面的主導(dǎo)頻率，而應(yīng)為高頻特性，與文獻(xiàn)[7]相矛盾.Heft等[10]在ReH=7.78×105時(shí)得出背部斜面主頻Str=0.18；Pierric等[4]研究了不同雷諾數(shù)時(shí)背部斜面處與垂直面處流動(dòng)的主頻特性，Str=0.29～0.43與Stb=0.44～0.45對(duì)應(yīng)ReH=(3.89～7.78)×105，指出主頻會(huì)隨雷諾數(shù)增大而增大，而高頻特性對(duì)應(yīng)由KH不穩(wěn)定性造成的剪切層卷起頻率.Zhang等[11]由主頻特性與雷諾數(shù)關(guān)系的擬合曲線(xiàn)得出在ReH=7.78×105時(shí)，Str與Stb分別為0.52與0.46.由此可知，針對(duì)Ahmed類(lèi)車(chē)體尾跡區(qū)非定常特性的研究結(jié)果存在明顯差異.Jean-Francois等[12]定性地解釋了背部斜面分離泡與“C柱”拖曳渦對(duì)存在競(jìng)爭(zhēng)作用關(guān)系：較強(qiáng)較大的背部斜面分離泡會(huì)產(chǎn)生較低的背壓，在使阻力增加的同時(shí)，導(dǎo)致從背部斜面?zhèn)取癈柱”處卷起的拖曳渦對(duì)更強(qiáng)；另一方面，較強(qiáng)的“C柱”拖曳渦對(duì)在其渦核中心誘導(dǎo)出較大的低壓區(qū)，從而延緩了背部斜面分離泡的分離，而且較強(qiáng)的“C柱”拖曳渦對(duì)誘導(dǎo)流體產(chǎn)生的下洗作用較強(qiáng)，減小了背部斜面分離泡尺度從而使阻力減??；但作者并未對(duì)此作進(jìn)一步定量的論證.因此，有必要對(duì)Ahmed類(lèi)車(chē)體尾跡區(qū)不同相干結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行深入研究.

本文以大渦模擬為手段，在高雷諾數(shù)(ReH=7.78×105)下，獲取25°后傾角Ahmed類(lèi)車(chē)體尾跡區(qū)不同部位處流場(chǎng)參數(shù)的時(shí)變信息，依據(jù)所得數(shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果，進(jìn)一步明確尾跡區(qū)流動(dòng)的非定常特性.

1 數(shù)值仿真模型與計(jì)算方法

1.1 數(shù)值仿真模型

采用全尺寸 Ahmed類(lèi)車(chē)體作為研究對(duì)象，具體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示.整車(chē)置于長(zhǎng)×寬×高為8.352 m×2.723 m×1.152 m的計(jì)算域中，車(chē)頭距入口1.566 m，車(chē)尾距出口5.742 m，阻塞比3.57%.

為降低數(shù)值黏性，在計(jì)算域內(nèi)采用空間切塊映射法構(gòu)造六面體網(wǎng)格，如圖2所示.車(chē)身表面網(wǎng)格尺寸<4 mm，車(chē)身表面第一層邊界層網(wǎng)格高度為0.03 mm，地面第一層網(wǎng)格高度為0.05 mm，以1.10的增長(zhǎng)率生成20層形成邊界層網(wǎng)格；邊界層網(wǎng)格以1.15的比例與外側(cè)體網(wǎng)格過(guò)渡；在確保第一層網(wǎng)格高度量綱為一參數(shù)Y+≤3的前提下，體網(wǎng)格總數(shù)為2 200萬(wàn)單元，圖3顯示了中截面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu).

圖1 類(lèi)車(chē)體構(gòu)造及尺寸(單位：mm)Fig.1 Structure and size of Ahmed body(Unit：mm)

圖2 計(jì)算域分塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Blocks structure of computational domain

圖3 體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of volumetric mesh

1.2 數(shù)值模擬方法

流場(chǎng)求解基于Fluent仿真平臺(tái)完成，湍流模型采用LES框架中的動(dòng)態(tài) Smagorinsky-Lilly亞格子模型.與傳統(tǒng)Smagorinsky亞格子模型相區(qū)別，Smagorinsky-Lilly亞格子模型計(jì)算渦黏系數(shù)μt的方程為

(1)

(2)

(3)

Ls=min(kd,CsV1/3)

(4)

本文Ma<0.3，所以不考慮空氣壓縮性，認(rèn)為空氣的溫度、參考?jí)簭?qiáng)、黏性及密度不變，表1列出了計(jì)算條件下的主要物性參數(shù).邊界條件見(jiàn)表2，來(lái)流(V0)方向垂直于計(jì)算域進(jìn)口.

表1 物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

采用SIMPLEC(意為“協(xié)調(diào)一致的求解壓力耦合方程組的半隱式方法”)壓力速度耦合算法進(jìn)行迭代計(jì)算，松弛因子為默認(rèn)值.基于可實(shí)現(xiàn)K-ε湍流模型得到流場(chǎng)的定常解進(jìn)行LES模型的非定常計(jì)算，非定常時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-4s，單位時(shí)間步進(jìn)行30次子迭代.整個(gè)計(jì)算共歷經(jīng)30 000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，將最后5 000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果用于數(shù)據(jù)分析.

1.3 數(shù)值方法初步驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值方法的有效性，以來(lái)流速度為比例尺，在對(duì)稱(chēng)截面作流向速度型曲線(xiàn)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[15]，如圖4所示，X為流向尺度，Z為垂向尺度.由圖可知：計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合良好，且在尾跡區(qū)的對(duì)比一致性高于斜面區(qū).Re=7.78×105時(shí)氣動(dòng)阻力系數(shù)CD的計(jì)算結(jié)果為0.317 9，實(shí)驗(yàn)值為0.312 0[4]，誤差1.9%.

圖4 流向速度型曲線(xiàn)Fig.4 Profile of longitudinal velocity

2 數(shù)值結(jié)果與分析

Ahmed類(lèi)車(chē)體尾跡區(qū)展向流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5所示.主要渦結(jié)構(gòu)由尾跡區(qū)上、下展向渦對(duì)(渦核中心N1、N2)及斜面分離泡(渦核中心N3)構(gòu)成.尾跡區(qū)上、下展向渦對(duì)中、上側(cè)展向渦的尺度較大，下側(cè)展向渦的尺度較小.上、下展向渦對(duì)形成鞍點(diǎn)S1.

圖5 對(duì)稱(chēng)截面Y=0時(shí)均流線(xiàn)Fig.5 Time-averaged streamlines of the symmetric plane

使用Q準(zhǔn)則顯示類(lèi)車(chē)體尾跡區(qū)空間渦系結(jié)構(gòu)，如圖6 所示.從圖6可知，Ahmed類(lèi)車(chē)體尾跡分離結(jié)構(gòu)主要可劃分為3個(gè)部分，即背部斜面上的分離泡、從背部斜面?zhèn)冗吘砥鸬耐弦窚u以及垂直面處回流區(qū).

控制箱的操縱面板和內(nèi)部顯示器是主要的人機(jī)交互界面。擴(kuò)展設(shè)備中包括鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、外置顯示器等外部交互設(shè)備。水下本體的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)為大華的球型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

圖6 Q準(zhǔn)則等值面(Q=3.13×105 s-2)Fig.6 ISO-surface of vortices in the wake using Q- criterion when Q=3.13×105 s-2

2.1 背部斜面分離泡非定常特性

在背部斜面上方布置A1～A4測(cè)點(diǎn)如圖7所示，X方向坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在計(jì)算域入口，Y方向坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在中間對(duì)稱(chēng)面，Z方向坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在地面.點(diǎn)A1～A4的坐標(biāo)分別為[2.373,0,0.339]、[2.430,0,0.326]、[2.487,0,0.315]、[2.544,0,0.302]，單位m.

圖7 A1～A4測(cè)點(diǎn)分布Fig.7 Layout of sampling points from A1～A4

圖8 A1～A4測(cè)點(diǎn)壓力功率譜Fig.8 PSD of the pressure at sampling points from A1 to A4

背部斜面分離泡拍擊振動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)為分離泡持續(xù)放大(剪切層不斷卷起并累積)與縮小(大尺度相干結(jié)構(gòu)脫落流向下游)的交替過(guò)程.而大尺度相干結(jié)構(gòu)起源于剪切層的卷起，而剪切層卷起的直接原因?yàn)镵H不穩(wěn)定性.根據(jù)不穩(wěn)定性理論，如果瞬時(shí)擾動(dòng)取消后，擾動(dòng)隨時(shí)間增長(zhǎng)且向下游傳播從而離開(kāi)擾動(dòng)的初始空間位置，在空間固定位置處，擾動(dòng)將逐漸衰減，最終保持平靜，那么流動(dòng)是對(duì)流不穩(wěn)定的；如果瞬時(shí)擾動(dòng)取消后，擾動(dòng)在初始空間位置處隨時(shí)間增長(zhǎng)，同時(shí)向上、下游傳播，最終導(dǎo)致整個(gè)空間的擾動(dòng)隨時(shí)間增長(zhǎng)，那么流動(dòng)是絕對(duì)不穩(wěn)定的.

如圖9所示，在背部斜面壁面上布置T1～T4測(cè)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為[2.344,0,0.337]、[2.349,0,0.335]、[2.392,0,0.315]、[2.406,0,0.309]，單位m.T1點(diǎn)、T2點(diǎn)在分離線(xiàn)附近，T3點(diǎn)、T4點(diǎn)在附著線(xiàn)附近.測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜分析結(jié)果如圖10～圖12所示，其中互相關(guān)函數(shù)見(jiàn)式(5).Pxy(f)為信號(hào)X與信號(hào)Y的互功率譜密度；Pxx(f)、Pyy(f)分別為信號(hào)X與信號(hào)Y的自功率譜密度.表3給出目前較為公認(rèn)的相關(guān)程度劃分標(biāo)準(zhǔn).

(5)

由圖10a可知，T1、T2測(cè)點(diǎn)互譜曲線(xiàn)在分離泡拍擊振動(dòng)特征頻率Str=0.49附近的低頻帶內(nèi)呈現(xiàn)中度相關(guān)性，表明低頻運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地影響了分離線(xiàn)附近區(qū)域的流動(dòng)相關(guān)性.而在該低頻帶對(duì)應(yīng)的相譜曲線(xiàn)圖10 b中，在0°相位角下相譜曲線(xiàn)幾乎不隨頻率變化，表征了與分離泡拍擊振動(dòng)對(duì)應(yīng)的低頻運(yùn)動(dòng)是一種絕對(duì)不穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng).如圖11所示，在分離泡拍擊振動(dòng)特征頻率Str=0.49附近的低頻帶內(nèi),T1,T3測(cè)點(diǎn)互譜曲線(xiàn)呈現(xiàn)中度相關(guān)性，表明低頻運(yùn)動(dòng)影響了整個(gè)背部斜面分離泡，進(jìn)一步證實(shí)了與分離泡拍擊振動(dòng)對(duì)應(yīng)的低頻運(yùn)動(dòng)是一種絕對(duì)不穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng).圖12 a顯示T3、T4測(cè)點(diǎn)的互譜曲線(xiàn)在表征KH不穩(wěn)定性的高頻帶內(nèi)呈現(xiàn)中度相關(guān)性，圖12 b所示相譜曲線(xiàn)在從低頻至高頻的范圍內(nèi)呈現(xiàn)準(zhǔn)線(xiàn)性關(guān)系，這證實(shí)了具有高頻特性的KH不穩(wěn)定性是一種對(duì)流不穩(wěn)定性[9].文獻(xiàn)[9]得出對(duì)流速度Vc=0.5V0的結(jié)論，并給出了從相譜曲線(xiàn)推導(dǎo)Vc的表達(dá)式如下：

圖9 T1～T4測(cè)點(diǎn)分布Fig.9 Layout of sampling points from T1 to T4

a 互譜

b 相譜圖10 T1與T2測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.10Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsT1andT2

圖11 T1與T3測(cè)點(diǎn)壓力互譜Fig.11 Coherence function from cross-spectra of the pressure between sampling points T1 and T3

a 互譜

b 相譜圖12 T3與T4測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.12Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsT3andT4

表3 相關(guān)程度Tab.3 Relationship correlation

(6)

式中：ΔL為兩測(cè)點(diǎn)間距離；H為車(chē)高；dθ/dSt為相譜曲線(xiàn)中相位角θ對(duì)于頻率St的斜率.由圖12 b中的T3、T4相譜曲線(xiàn)得到Vc≈0.56V0，與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論基本符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的有效性.

2.2 “C柱”拖曳渦對(duì)非定常特性

如圖13所示，在背部斜面兩側(cè)上方布置了關(guān)于Y=0平面對(duì)稱(chēng)的B1～B4、C1～C4兩列測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)為[2.373,?0.194 5,0.339]、[2.430,?0.194 5,0.326]、[2.487,?0.194 5,0.315]、[2.544,?0.194 5,0.302]，單位m.圖14為B、C兩列測(cè)點(diǎn)壓力功率譜的分析結(jié)果，可知：“C柱”拖曳渦對(duì)(s)的特征頻率為Sts=0.49，隨著流動(dòng)往下游發(fā)展，峰值頻率對(duì)應(yīng)的能量增強(qiáng).

圖13 B1～B4與C1～C4測(cè)點(diǎn)分布Fig.13 Layout of sampling points from B1 to B4 and from C1 to C4

圖15為A、C兩列對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜分析結(jié)果.由圖可知，A、C測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)在特征頻率St=0.49時(shí)具有高度或中度相關(guān)性，且以同相位振動(dòng)，表明背部斜面處的分離泡與“C柱”拖曳渦對(duì)具有很強(qiáng)的耦合作用：流過(guò)背部分離線(xiàn)的流體遠(yuǎn)離壁面，從而在背部斜面處產(chǎn)生低壓區(qū)；流過(guò)斜面?zhèn)冗叺牧黧w在外部流場(chǎng)高壓與斜面低壓的壓差作用下產(chǎn)生向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的“C柱”拖曳渦對(duì)，在拖曳渦對(duì)的誘導(dǎo)作用下流體向斜面下洗.

圖16～圖19為B、C兩列對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力與速度分量互譜與相譜分析結(jié)果.可知：“C柱”拖曳渦對(duì)的壓力脈動(dòng)在特征頻率Sts=0.49時(shí)具有顯著的高度相關(guān)性，且以同相位振動(dòng)；X、Y方向上的運(yùn)動(dòng)相對(duì)縱向?qū)ΨQ(chēng)面呈高度對(duì)稱(chēng)性，且在Y方向的運(yùn)動(dòng)特征為同時(shí)向?qū)ΨQ(chēng)面靠近或遠(yuǎn)離的擺動(dòng)；Z方向速度呈低度相關(guān)或不相關(guān)特性，相譜在特征頻率Sts=0.49時(shí)存在既非0°又非180°的相位差，表明Z方向上的流動(dòng)隨機(jī)性強(qiáng).

a B1～B4測(cè)點(diǎn)

b C1～C4測(cè)點(diǎn)圖14 B1～B4與C1～C4測(cè)點(diǎn)壓力功率譜Fig.14 PSD of the pressure at sampling points from B1 to B4 and from C1 to C4

a 互譜

b 相譜圖15 A列與C列測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.15Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsA-seriesandC-series

a 互譜

b 相譜圖16 B列與C列測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.16Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsB-seriesandC-series

a 互譜

b 相譜圖17 B列與C列測(cè)點(diǎn)X向速度互譜與相譜

Fig.17Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraoftheX-velocitybetweensamplingpointsB-seriesandC-series

a 互譜

b 相譜圖18 B列與C列測(cè)點(diǎn)Y向速度互譜與相譜

Fig.18Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraoftheY-velocitybetweensamplingpointsB-seriesandC-series

a 互譜

b 相譜圖19 B列與C列測(cè)點(diǎn)Z向速度互譜與相譜

Fig.19Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraoftheZ-velocitybetweensamplingpointsB-seriesandC-series

2.3 回流區(qū)流動(dòng)非定常特性

垂直面后部回流區(qū)內(nèi)布置的由D到O共12列測(cè)點(diǎn)如圖20所示，每列均布6個(gè)測(cè)點(diǎn)，由下至上編號(hào)為1～6.其中編號(hào)為1的測(cè)點(diǎn)Z坐標(biāo)為0.050 m，編號(hào)為6的測(cè)點(diǎn)Z坐標(biāo)為0.231 m；D～G、L～O列測(cè)點(diǎn)Y坐標(biāo)為m，H～K列測(cè)點(diǎn)Y坐標(biāo)為0 m；D、H、L列測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)為2.611 m，E、I、M列測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)為2.700 m，F(xiàn)、J、N列測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)為2.813 m，G、K、O列測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)為3.014 m.D6～G6與L6～O6測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)功率譜表征了“C柱”拖曳渦對(duì)發(fā)展至回流區(qū)的頻譜特性，結(jié)果見(jiàn)圖21.在回流區(qū)中“C柱”拖曳渦對(duì)的特征頻率Sts=0.49，與圖14對(duì)比可知：由于與回流區(qū)中的流體相摻混，加強(qiáng)了質(zhì)能交換，使得回流區(qū)中拖曳渦對(duì)的能量有顯著提高；但隨著向下游發(fā)展，高頻能量衰減更快.

圖22為D6～G6與H6～K6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜的分析結(jié)果.由圖可知，壓力脈動(dòng)在特征頻率Stb=0.49時(shí)呈中度相關(guān)，但相譜上存在既非0°又非180°的相位差.對(duì)比圖15可知，拖曳渦與回流區(qū)中展向渦的相關(guān)度明顯減弱，可見(jiàn)拖曳渦對(duì)與尾跡區(qū)展向渦之間雖相互干涉，但不存在耦合現(xiàn)象.

圖23～圖26顯示了D6～G6與L6～O6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力與速度分量互譜與相譜的分析結(jié)果.在回流區(qū)近壁面處(D6、L6)，兩側(cè)拖曳渦的壓力脈動(dòng)呈中度相關(guān)，隨著向下游發(fā)展，由于能量耗散作用，其相關(guān)程度逐漸減弱；在M、E位置受到回流區(qū)鞍點(diǎn)的影響，其相關(guān)程度最弱.相譜上在特征頻率Stb=0.49時(shí)存在既非0°又非180°的相位差，由此可知兩側(cè)拖曳渦的壓力脈動(dòng)并不對(duì)稱(chēng).拖曳渦對(duì)在回流區(qū)中的速度信號(hào)呈低度相關(guān)或不相關(guān)特性，都以既非同相位又非反相位振動(dòng)，表明兩側(cè)拖曳渦在回流區(qū)中的非定常特性較為獨(dú)立，無(wú)對(duì)稱(chēng)性特征.

H～K列測(cè)點(diǎn)壓力功率譜分析結(jié)果如圖27所示.回流區(qū)上下剪切層卷起的展向渦特征頻率Stb=0.49，上、下剪切層卷起的展向渦向下游發(fā)展，其能量在流向位置I處達(dá)到最大，繼續(xù)向下游發(fā)展能量逐漸耗散.根據(jù)上、下側(cè)測(cè)點(diǎn)功率譜密度的曲線(xiàn)斜率可推斷：上側(cè)展向渦的耗散較快，下側(cè)展向渦由于地面效應(yīng)的存在，其在流場(chǎng)中的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).

圖20 D～O列測(cè)點(diǎn)分布Fig.20 Layout of sampling points from D-series to O-series

圖21 回流區(qū)內(nèi)拖曳渦對(duì)測(cè)點(diǎn)壓力功率譜

Fig.21PSDofthepressureatsamplingpointswithintheC-pillarvorticessheddingintotherecirculationtorusbehindtheverticalbase

a 互譜

b 相譜圖22 D6～G6與H6～K6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.22Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsfromD6toG6andtheircorrespondingpointsfromH6toK6

a 互譜

b 相譜圖23 D6～G6與L6～O6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.23Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsfromD6toG6andtheircorrespondingpointsfromL6toO6

a 互譜

b 相譜圖24 D6～G6與L6～O6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)X向速度互譜與相譜

Fig.24Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraoftheX-velocitybetweensamplingpointsfromD6toG6andtheircorrespondingpointsfromH6toK6

a 互譜

b 相譜圖25 D6～G6與L6～O6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)Y向速度互譜與相譜

Fig.25Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraoftheY-velocitybetweensamplingpointsfromD6toG6andtheircorrespondingpointsfromH6toK6

a 互譜

b 相譜圖26 D6～G6與L6～O6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)Z向速度互譜與相譜

Fig.26Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraoftheZ-velocitybetweensamplingpointsfromD6toG6andtheircorrespondingpointsfromH6toK6

圖27 H～K列測(cè)點(diǎn)壓力功率譜Fig.27 PSD of the pressure at sampling points from H-series to K-series

圖28顯示了H～K列上、下側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的壓力互譜與相譜分析結(jié)果.H～J列互譜在特征頻率Stb=0.49時(shí)具有高度或中度相關(guān)性，且在相譜上存在180°相位差，表明上、下側(cè)展向渦呈現(xiàn)類(lèi)似卡門(mén)渦街交替產(chǎn)生并脫落的過(guò)程.當(dāng)?shù)竭_(dá)流向位置K時(shí)，相關(guān)性有一定程度地減弱，且相譜上存在既非0°又非180°的相位差，證實(shí)了上側(cè)展向渦比下側(cè)展向渦耗散得更快的結(jié)論.

a 互譜

b 相譜圖28 H1～K1與H6～K6對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力互譜與相譜

Fig.28Coherenceandphasefunctionsfromcross-spectraofthepressurebetweensamplingpointsfromH1toK1andtheircorrespondingpointsfromH6toK6

3 討論與結(jié)論

為了明確25°后傾角Ahmed類(lèi)車(chē)體尾跡流動(dòng)非定常特性所涉及的相干結(jié)構(gòu)流動(dòng)不穩(wěn)定性質(zhì)及其相互作用機(jī)制，本文采用大渦模擬的方法，對(duì)高雷諾數(shù)下類(lèi)車(chē)體模型背部斜面分離泡、“C柱”拖曳渦對(duì)及垂直面處回流區(qū)3個(gè)核心區(qū)域進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣，通過(guò)頻譜分析得到以下結(jié)論：

(1)背部斜面上，分離泡的拍擊振動(dòng)具有絕對(duì)不穩(wěn)定性特征，由KH不穩(wěn)定性誘發(fā)的大尺度相干結(jié)構(gòu)具有對(duì)流不穩(wěn)定性特征.

(2)兩側(cè)“C柱”拖曳渦對(duì)在背部斜面上與展向渦相互耦合，且具有較好的對(duì)稱(chēng)性；拖曳渦對(duì)在垂直面處回流區(qū)內(nèi)與該區(qū)展向渦相互混摻，使得能量增加，但無(wú)耦合作用且不具有對(duì)稱(chēng)性.

(3)垂直面處回流區(qū)內(nèi)上、下側(cè)剪切層卷起的展向渦以類(lèi)似卡門(mén)渦街形式交替產(chǎn)生并脫落，上測(cè)展向渦耗散較快，下側(cè)展向渦由于地面效應(yīng)的存在，其在流場(chǎng)中的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).

(4)高雷諾數(shù)時(shí)，整個(gè)尾跡區(qū)流動(dòng)的特征頻率趨于一致，且與Zhang等[11]給出的不同區(qū)域主頻特性與雷諾數(shù)關(guān)系的擬合曲線(xiàn)相符，此特征與鈍體繞流的自適應(yīng)現(xiàn)象相統(tǒng)一.