后擾流板對轎車氣動性能影響的數(shù)值模擬分析

孟妍妮， 戚宇欣(金陵科技學(xué)院，南京 211169)

車輛行使時，車輛四周的空氣與車身表面發(fā)生沖擊，形成無數(shù)的氣流與車身接觸，產(chǎn)生空氣阻力.另外，由于車身上部凸起，底部平坦，流經(jīng)車輛上方的氣流比車輛下方的氣流的流速更快，由此造成的升力會減弱車輪與地面間的附著力，影響車輛的穩(wěn)定性.已有的研究結(jié)果表明，在高速行駛時汽車的空氣動力學(xué)組件,如后擾流板,能夠調(diào)節(jié)通過車輛尾部的氣流，減小尾部渦旋的產(chǎn)生，降低空氣阻力[1-4].與側(cè)面的擾流板相比，后擾流板還能夠增大后輪附著力，提高車輛穩(wěn)定性.文中著重從阻力系數(shù)和升力系數(shù)兩個方面來研究三廂汽車后擾流板對車身空氣動力學(xué)性能的影響.

目前常用數(shù)值模擬方法對汽車的空氣動力學(xué)性能進行研究，不但耗時較短，不受實驗環(huán)境的影響，還能分析一些實驗無法處理的復(fù)雜流動問題，并且其仿真結(jié)果經(jīng)過實驗的驗證已經(jīng)能達到較高的精度[1].朱忠華等通過仿真分析和風洞試驗相結(jié)合的方法研究后擾流板對整車氣動性能的影響，仿真與試驗結(jié)果的偏差僅為0.001[2].文中采用數(shù)值模擬方法進行分析.

1 模型建立

采用Creo軟件創(chuàng)建中型三廂轎車的簡化1∶1模型，忽略了車身的一些外部結(jié)構(gòu)，如后視鏡、車輪等，對底部進行了簡化.后擾流板的支撐部分由于迎風面積較小，對尾部氣流的影響較小，故在模型中省略.車輛模型的長為4 550 mm，寬為1 750 mm，高為1 500 mm.文中研究的三廂轎車一般情況下車速低于200 km/h，此時，空氣相對于車身運動的馬赫系數(shù)遠小于0.3，空氣流動可定義為不可壓縮流動，空氣對車身的擾流處于湍流狀態(tài).采用工程上廣泛應(yīng)用的雷諾時均三維不可壓縮N-S方程，選用標準湍流模型來封閉方程.標準湍流模型對模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求不高，模擬計算也較快，適用范圍很廣泛.使用FLUENT軟件進行流體力學(xué)分析，因為此次計算的模型不是很復(fù)雜，故采用FLUENT的標準算法.

為模擬車身周圍的氣流狀況，建立一個包圍車身的長方體計算域，其長為11倍車長，寬為5倍車寬，高為5倍車高的一個長方體區(qū)域，如圖1所示.車輛底盤距地面高度為200 mm，車輛位于計算域?qū)挾确较虻闹行木€上，車輛前端距離計算域入口3倍車長，后端距離計算域出口6倍車長.

圖1 車輛簡化模型與計算域示意圖

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，占用的計算機資源較少.在FLUENT軟件中將網(wǎng)格的精度設(shè)置為高，平滑度設(shè)置為光滑.為了提高計算精度，對車身周圍的網(wǎng)格進行加密處理，加密的精度為0.01.文中所研究的三廂轎車主要在城市行駛，行駛速度選取為80 km/h，即入口的氣體流動速度為22.22 m/s.在Fluent中設(shè)置邊界條件，入口為速度入口，速度為車速，方向垂直于入口；出口為壓力出口，出口距離車尾足夠遠，出口處氣流不受汽車影響，壓力值與標準大氣壓之差為0，四周為靜止壁面墻壁.計算域的邊界應(yīng)在汽車外圍的無窮遠處，但在實際計算中，將其設(shè)在有限的范圍內(nèi)，由于計算域較大，側(cè)向力接近于零，近似認為無干擾，忽略側(cè)向力系數(shù).

2 分析不同后擾流板對汽車空氣動力學(xué)性能的影響

在后擾流板的所有參數(shù)中，影響汽車空氣動力學(xué)性能的參數(shù)主要有截面形狀、攻角和定位(后擾流板前緣到車身上表面的垂直距離).張英朝在文獻[5]中對3種不同形狀的后擾流板對兩廂轎車的空氣動力學(xué)性能的影響進行了分析，但沒有對攻角和定位這兩項參數(shù)進行分析.文中對安裝了不同形狀、不同攻角和不同定位的后擾流板的汽車模型進行模擬分析，觀察車身外流場與車尾附近的壓力分布，較為全面地分析不同參數(shù)的后擾流板對三廂轎車的阻力系數(shù)與壓力系數(shù)產(chǎn)生的影響.

2.1 后擾流板截面形狀不同

文中共創(chuàng)建了16種不同參數(shù)的后擾流板.首先設(shè)置后擾流板弦長(后擾流板前緣至后緣的距離)為180 mm，定位為0.4倍弦長，即72 mm，長度為1 750 mm，攻角為15°，厚度為20 mm.在此基礎(chǔ)上設(shè)置不同的截面形狀，其他參數(shù)保持不變.圖2(a)為無后擾流板時的汽車尾部；圖2(b)為上下表面都是直面的后擾流板，結(jié)構(gòu)較為簡單；圖2(c)為上下面都為曲面的后擾流板，與賽車的后擾流板類似；圖2(d)是下面為曲面的后擾流板，與機翼的形狀類似.

圖2 無擾流板和不同截面后擾流板網(wǎng)格劃分

對上述4種不同情況進行模擬，得到的阻力系數(shù)和升力系數(shù)如表1所示.可以看出，加裝后擾流板之后，車輛的阻力系數(shù)會有所增加，上下曲面型擾流板對尾流影響小，阻力系數(shù)增加最少，為16.02 %.其次是直線型后擾流板，阻力系數(shù)增加了17.48 %.下曲面型后擾流板阻力系數(shù)增加最多，為35.92 %.這3種不同形狀的后擾流板都較大程度地減小了車輛的升力系數(shù)，相對于無擾流板的情況，直線型后擾流板、下曲面型后擾流板和上下曲面型后擾流板減小的升力系數(shù)的值依次由大到小，分別是0.338、0.309和0.297.

表1 不同截面的后擾流板模擬結(jié)果

由圖3可知，加裝了擾流板后，汽車后車窗上方的渦流減小，行李箱蓋上的壓力增大，增加了下壓力，從而減小了升力系數(shù).但是，后擾流板與空氣接觸產(chǎn)生阻力，并且加重了車輛尾部的尾流，增大了車輛的前后壓差從而增大了阻力系數(shù).下曲面型擾流板的尾流最大，上下曲面型擾流板的尾流最小，與表1中阻力系數(shù)的大小相符合.

圖3 無擾流板和不同截面形狀后擾流板車身截面尾部流線圖和矢量圖對比

2.2 后擾流板攻角不同

不同攻角的后擾流板能使車身周圍的氣流發(fā)生不同程度的變化.若后擾流板攻角選擇合理，可大幅減小轎車尾部旋渦的尺度，從而減小能量耗散，降低壓差阻力[2].在原模型上只改變后擾流板的攻角，不改變其他參數(shù)，截面形狀選擇下曲面型，后擾流板攻角α分別選取0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°進行數(shù)值模擬，得到的阻力和升力系數(shù)如表2和圖4所示.

表2 不同攻角的后擾流板的模擬結(jié)果

由表2可知，安裝后擾流板后，不同攻角的后擾流板都會使車輛的阻力系數(shù)增大.在攻角為0°時，阻力系數(shù)增加的最少，隨著攻角不斷增加，阻力系數(shù)整體呈增大趨勢.由圖4可知，隨著攻角不斷增大，后擾流板后方也逐漸形成了不斷增大的尾流，并與車輛尾部的尾流相互影響，增加了車輛的前后壓差，增大了阻力系數(shù).

升力系數(shù)的變化有點復(fù)雜，后擾流板攻角在0°至15°之間時，后擾流板能使后車窗后部的渦流減小，增加行李箱蓋上方的氣壓，升力系數(shù)顯著減小.當攻角大于15°并繼續(xù)增大到25°時，后擾流板前方開始形成渦流，并逐漸增大，但此時升力系數(shù)仍在減小.當攻角從25°增大到30°并持續(xù)增大時，后擾流板前方形成較大渦流，減小了行李箱蓋上的氣壓，同時，后擾流板后方的氣流也逐漸形成了渦流，減小了行李箱蓋上方的氣壓，升力系數(shù)開始增大.谷正氣在2012年的研究結(jié)果表明，攻角越大，尾翼上的下壓力越大，汽車整體受到的負升力越大[3].在研究后得出了更加細致的結(jié)果：在攻角從0°增大到25°時，升力系數(shù)隨著攻角的增加而減小，當攻角為25°時，升力系數(shù)為最小，當攻角大于25°后，升力系數(shù)略有增大.

圖4 不同攻角后擾流板車身截面尾部流線圖和矢量圖對比

2.3 后擾流板定位不同

后擾流板與行李箱蓋的間隙過小會使行李箱蓋上方產(chǎn)生負壓，減小后擾流板的作用.如果間隙過大，會增加后擾流板支架所受到的力矩，增加空氣阻力，也對支架的強度提出更高的要求.設(shè)定后擾流板的截面為下曲面型，攻角為15°，后擾流板定位分別為 40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、180 mm.模擬結(jié)果如表3和圖5所示.

表3 不同定位的后擾流板模擬結(jié)果

由表3可知，不同定位的后擾流板都會增加車輛的阻力系數(shù)，但增加的幅度不大.當后擾流板的定位為80 mm和120 mm時，阻力系數(shù)最小，當定位為40 mm時，阻力系數(shù)最大.不同定位的后擾流板都會減小車輛升力系數(shù).定位為120 mm時，升力系數(shù)最大，定位為40 mm時，升力系數(shù)最小，阻力系數(shù)卻最大.

圖5 不同定位的后擾流板車輛尾部流場對比

由圖5可知，后擾流板定位對汽車尾流的影響比較復(fù)雜.當定位為40 mm時，尾流相較于無擾流板時有所增加，氣流大多數(shù)從后擾流板的上方經(jīng)過，從下方經(jīng)過的較少，增大了行李箱蓋上的氣壓，升力系數(shù)大幅度下降.而且此時行李箱蓋上的氣流較小，阻力系數(shù)增加不大.定位為80 mm和120 mm時，行李箱蓋上方形成了渦流，使行李箱蓋上方的氣壓變小，升力系數(shù)增加.流線圖上看出尾部渦流較小，阻力系數(shù)稍有減小.定位為160 mm時，行李箱蓋上的渦流再次減小，低壓區(qū)變小，升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增加不大.定位為180 mm時，從后擾流板下方經(jīng)過的氣流增加，行李箱蓋低壓區(qū)增大，升力系數(shù)再次增大，阻力系數(shù)略有增大.

3 結(jié) 論

對裝有不同參數(shù)后擾流板的汽車模型進行了數(shù)值模擬，從阻力系數(shù)、升力系數(shù)、流線圖和折線圖等方面，研究了后擾流板的截面形狀、攻角和定位對汽車空氣動力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，主要的結(jié)論如下：

1)后擾流板能有效地減小汽車的升力系數(shù)，且阻力系數(shù)增加并不大.在不同截面的后擾流板中，直線型后擾流板能產(chǎn)生較小的升力系數(shù)，上下曲面型后擾流板的阻力系數(shù)最小.

2)當后擾流板其他參數(shù)不變時，隨著攻角的增加，汽車的阻力系數(shù)增加，升力系數(shù)先減小，在攻角為25°時最小，攻角大于25°后略有加大.三廂中型轎車后擾流板攻角的值應(yīng)該在10°-25°之間較為合理.

3)后擾流板的定位對汽車空氣動力學(xué)性能的影響規(guī)律比較復(fù)雜，其他參數(shù)不變時，隨著后擾流板的定位的增加，阻力系數(shù)變化不大，而升力系數(shù)波動較大.當定位為40 mm時，升力系數(shù)最小，阻力系數(shù)最大.三項中型轎車后擾流板定位選擇在40-80 mm之間比較合理，車輛能夠在不增加太多阻力的同時獲得較小的升力.

參考文獻：

[1] 郭建成. 基于CFD的汽車氣動力高精度計算及優(yōu)化[D]. 長沙:湖南大學(xué), 2012.

[2] 朱忠華,張 雷,許志寶,等. 汽車后擾流板對外氣動性能影響的研究.汽車技術(shù)[J].2017(5): 19-23.

[3] 谷正氣,郭建成,張清林,等.某跑車尾翼外形變化對氣動升力影響的仿真分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報, 2012，32(3):248-252.

[4] 徐永康.汽車氣動升力的試驗與仿真研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2014.

[5] 張英朝,韋 甘,張 喆.不同尾翼兩廂轎車的氣動特性數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2011,41(1):1-5.