交通运输部门是全球石油消耗和二氧化碳排放的主要贡献者，其中汽车起着重要作用（Heuts等人，2025年；Balestrieri等人，2025年）。鉴于这种环境影响，提高车辆能源效率对于增强能源可持续性至关重要。在这方面，减少空气动力阻力是一个关键因素，因为在高速行驶时，空气动力阻力可占车辆总能耗的60%以上（Avadiar等人，2018年）。这一挑战在具有钝后部轮廓的重型车辆中尤为明显，例如长途客车和牵引车-拖车。对于这些类型的车辆，空气动力优化受到实际设计要求的限制，包括货物体积最大化、标准化集装箱尺寸、装卸限制以及法规尺寸限制。因此，在车辆的大部分区域都保留了钝体几何形状。这种配置产生了本质上不利的空气动力特性。因此，重型车辆在减少阻力和相关燃油节省方面仍具有巨大潜力。例如，在130公里/小时的速度下，空气动力阻力降低10%可以减少大约0.8升的燃油消耗（Connolly等人，2024年）。
因此，空气动力优化对于提高重型车辆的能源效率和环境性能至关重要。策略包括流线型车身设计和先进的流动控制方法。在这些方法中，流动控制技术在空气动力优化中起着核心作用。它们通过操控道路车辆周围的气流来减少阻力、提高效率并适应不同的运行条件。通过控制气流和抑制流动分离，这些方法显著改善了车辆的空气动力性能。因此，研究集中在开发和应用流动控制策略以最小化阻力并提高能源效率。
流动控制技术通常分为被动方法和主动方法，主要区别在于是否需要外部能量输入来实现流动调整。被动流动控制通过几何形状改变或表面特征来修改流场，而不依赖于外部能量输入（Jacuzzi和Granlund，2019年；Nath等人，2021年）。相比之下，主动流动控制使用执行器向系统中引入能量，从而能够精确适应复杂和不稳定的流动条件。
针对重型公路车辆的被动流动控制策略主要针对三个主要的空气动力阻力来源：前体、底部和底部下方（Bukreev，2023年）。前体阻力通常通过实施前分流器（Afianto等人，2022年；Meng等人，2025年）、车顶整流罩（Seyhan等人，2025年）以及优化的引擎盖或角部几何形状（Vignesh等人，2019年；Jadhav和Chorage，2020年）等装置来更有效地引导 incoming气流来减轻。由于钝尾缘引起的底部阻力通常通过应用底部腔体、倾斜的尾部（Capone和Romano，2019年）、倒角边缘（Thacker等人，2012年）或涡流发生器（Salati等人，2019年）来增加底部压力，从而抑制流动分离并减小尾流大小。底部下方装置，包括直裙板（Wang，2025年）、楔形裙板（Kim等人，2019年）和腹部箱，旨在限制侧向气流侵入，其性能受到偏航角度的强烈影响。
尽管大多数被动装置已被证明有效，但它们是为特定运行条件优化的——例如固定速度、雷诺数或风向角——并且具有固定的几何配置（例如间距、高度、方向）。这种固有的适应性缺乏限制了它们在复杂或不稳定空气动力环境下的性能（Dumitrescu等人，2025年；Tiainen等人，2017年）。为了解决这些限制，研究人员越来越多地研究主动流动控制，它能够实时动态调整流动条件，以在广泛的运行场景中保持高空气动力效率。
主动流动控制技术包括稳定吸力（Tarakka等人，2021年）、稳定吹气（Hu等人，2024年）、脉冲喷射（Mariaprakasam等人，2023年；Joseph等人，2012年）、合成喷射（Mukut和Abedin，2019年；Wei等人，2022年）和等离子体执行器（Greenblatt和Williams，2022年；Hui等人，2019年；Zhang和Zuo，2024年）。Whiteman和Zhuang（2016年）对二维钝体在雷诺数从下的数值模拟表明，这种组合比单独使用任何一种方法都能更有效地减少阻力。Cembalo等人（2024年）在车辆模型上使用了实时驱动的襟翼，在非稳定上游流动条件下实现了5%的基础压力恢复改进。Wang等人（2019年）研究了25° Ahmed体上的非稳定合成喷射执行器，分析了槽配置和驱动频率对尾流控制和阻力减少的影响。主动流动控制可以在开环或闭环模式下运行。在开环控制中，驱动参数基于先前的实验或数值优化预先确定，并在运行过程中保持不变。这种方法在稳定流动条件下直接且稳健，但无法适应进入气流的变化。在闭环控制中，来自车载传感器的实时测量数据被反馈到控制器，控制器动态调整驱动参数以应对变化的流动条件。Zhang等人（2023年）在雷诺数下，应用了五个独立控制的稳定微喷射器到低阻力Ahmed体（35°倾斜），并通过蚁群算法在压力传感器反馈的指导下优化操作。这种方法实现了5%至18%的阻力减少，并自动识别了有效的驱动策略。Amico等人（2022年）使用合成喷射和流动测量反馈实现了三维钝体尾流的主动控制。
尽管主动流动控制技术具有很大的潜力，但由于高能量需求，它们在道路车辆应用中面临重大挑战，这限制了其实际可行性。Baek和Lee（2020年）的数值模拟表明，在车辆速度的60%下，后顶边缘的稳定吹气可以将空气动力阻力减少5.5%。然而，持续吹气所需的能量与节省的能量相当，总体上没有净收益。Amico等人（2022年）也报告了类似的结果，其中最佳脉冲喷射配置实现了10%的阻力减少，但并非最节能的设置。考虑到能源使用，深度强化学习调节的喷射实现了4.5%的阻力减少，同时保持了相对较低的能源需求。此外，传统的吹气和吸力槽方法受到低喷射流速和有限有效范围的限制，从而降低了它们的整体阻力减少能力。
在这项工作中，我们提出了一种新概念，即将电机驱动的阻力型垂直轴风力涡轮机与车辆集成。涡轮机的移动表面将动能注入靠近车顶区域的气流中，增加边界层动量，延迟分离并减少压力阻力。关键的是，该设备在运行过程中还可以收集风能，提供双重功能。该研究通过系统的风洞实验、力测量、分布式表面压力采集和粒子图像测速（PIV）来识别最有效的涡轮机配置并阐明阻力减少机制。
与传统的主动流动控制方法相比，所提出的系统具有三个主要优势：（1）每单位操作能量的更高阻力减少效率；（2）同时收集风能以提高整体能源经济性；（3）更广泛的适用性，适用于交通运输、高速铁路、商用车辆和建筑空气动力学。通过将被动能量回收与主动流动控制相结合，这种方法为空气动力设计开辟了一个新的方向，结合了科学价值与强大的实际工程应用潜力。
本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了实验设置，包括风洞设置、模型设计、尖端速度比设置和测量技术。第3节展示了结果，并讨论了风洞验证、阻力减少性能、因素分析、控制效率以及使用PIV和表面风压数据的流动机制探索。第4节总结了关键发现和未来研究方向。
