非光滑車表的空氣阻力特性

王 耘，諶 可，張友國，宋小文

（浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系，浙江 杭州 310027）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車逐漸成為一種大眾消費(fèi)品.與此同時，汽車的能源消耗問題也越來越突出，降低汽車的能耗日益重要.

近年來，仿生非光滑表面的減阻研究受到關(guān)注并取得進(jìn)展：貼有高仿鯊魚皮材料的圓形測試棒，在水槽減阻實(shí)驗(yàn)中，達(dá)到了最高24.6%的減阻率［1］；NACA 0012飛機(jī)的機(jī)翼表面貼上微型溝槽膜后，阻力減少了6.6%［2］；機(jī)身敷有溝槽膜的空客A340客機(jī)能節(jié)省燃油約3%［3］.

本文受非光滑表面減阻的啟發(fā)，將之應(yīng)用到汽車上，利用數(shù)值模擬的方法，研究采用非光滑車表減小汽車空氣阻力的可行性與減阻機(jī)理，以便為非光滑車表的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ).

1 模型的構(gòu)建與計(jì)算條件的設(shè)定

1.1 整車模型的構(gòu)建

為正確模擬汽車的外流場，構(gòu)建和實(shí)車外形相似的整車三維模型非常重要.本文采用逆向工程技術(shù)來構(gòu)建整車的三維模型，如圖1～3所示.

圖1 逆向工程得到的整車線框模型Fig.1 Automobile wireframe model generated by reverse engineering

1.2 非光滑車身模型的構(gòu)建

非光滑表面在工程領(lǐng)域已有很多應(yīng)用［2］，并且收到了顯著的減阻效果.

本文選用3種最為常見的非光滑單元體［4－6］，如表1、圖4，5所示，分別為半球形凹坑、半圓形溝槽、正三角形溝槽，布置在汽車頂蓋，如圖6所示.并且，將光滑車表設(shè)為0號模型.

1.3 網(wǎng)格的劃分

利用Hypermesh軟件來進(jìn)行網(wǎng)格的劃分.

1.3.1 面網(wǎng)格的細(xì)密化處理

汽車表面的網(wǎng)格尺寸設(shè)為2.00mm，但為了將大小僅為1.50mm的非光滑單元體的幾何特征表現(xiàn)出來，將非光滑單元體處的網(wǎng)格設(shè)為0.15mm，如圖7所示.

圖7 非光滑車表面網(wǎng)格的細(xì)密化Fig.7 2Dmesh optimization of automobile with non-smooth surface

1.3.2 體網(wǎng)格的局部細(xì)密化處理

風(fēng)洞壁面網(wǎng)格尺寸設(shè)為15.00mm，采用軟件的自動模式生成體網(wǎng)格.同時，考慮到汽車高速行駛時，汽車尾部氣流的流動非常劇烈，流動狀態(tài)也非常復(fù)雜，為了更好地計(jì)算汽車壓差阻力，從車頂最高點(diǎn)處開始，將車身后部的網(wǎng)格密度加大5倍，如圖8a所示；同時，為了捕捉汽車表面附近物理量的梯度變化，不但在車體表面附近劃分了5層總厚度為1.00 mm的附面層網(wǎng)格，如圖8b所示，而且從車表外表面開始，向外延伸20.00mm范圍內(nèi)的體網(wǎng)格密度加大3倍，如圖8c所示.

計(jì)算區(qū)域?yàn)檐嚽胺?倍車長，上方2.5倍車高，下方直接與風(fēng)洞地板接觸，左右兩側(cè)各1.5倍車寬，后方3倍車長，風(fēng)洞采用非對稱切角矩形的截面形狀，完成后的計(jì)算域網(wǎng)格如圖9所示.

1.4 數(shù)值模擬的計(jì)算條件

為了減小計(jì)算量，采用1∶10縮小模型，風(fēng)洞模型的阻塞比為4.8%，考慮到只有當(dāng)汽車高速行駛時，空氣阻力才是主要的行駛阻力，故將車速設(shè)定為30m·s－1，此時，車速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于音速340m·s－1，空氣溫度和體積的變化可以忽略不計(jì).所以，將空氣視為不可壓縮流體，不考慮溫度場的變化，這樣汽車?yán)@流就是一個定常、不可壓縮的三維流場.因此，運(yùn)用三維不可壓、定常 Navier-Stokes（N-S）方程組來描述汽車流場湍流現(xiàn)象，選用Realizablek-ε三維湍流模型，采用移動壁面來模擬地面效應(yīng).

2 結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

汽車行駛時的空氣阻力為

式中：FW為空氣阻力，N；CD為空氣阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg·m－3；A為迎風(fēng)面積，m2，即汽車正面投影面積；v為合成氣流相對速度，m·s－1，即汽車與空氣的相對速度.

由此可見，通過比較空氣阻力系數(shù)的大小，就可以比較光滑與非光滑車表的汽車，在相同行駛條件下行駛時的空氣阻力大小，進(jìn)而衡量非光滑車表的減阻效果.

表面光滑的汽車，通過數(shù)值模擬，求得其空氣阻力系數(shù)為0.385.各非光滑車身的空氣阻力系數(shù)、減阻效果（即非光滑車身與光滑車身的空氣阻力系數(shù)差值）和減阻率見表2.

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The result of the experiment

由表2可知，非光滑車身表面能夠起到明顯的減阻效果，最高的減阻率達(dá)到了5.45%.

2.2 減阻機(jī)理分析

汽車空氣阻力由三大部分疊加而成，它們分別是摩擦阻力、壓差阻力和誘導(dǎo)阻力.本節(jié)從汽車空氣阻力的組成入手，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，找出減阻機(jī)理.

2.2.1 摩擦阻力

摩擦阻力是由氣流與車表之間的粘性作用產(chǎn)生的，粘性力的大小反映了摩擦力的大小.對比非光滑車身與光滑車身的總粘性力大小，如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)非光滑車表的總粘性力比光滑車身的小，這表明非光滑車身能夠減小車表的摩擦阻力，從而減小汽車的空氣阻力.

表3 不同車表總粘性力Tab.3 Comparison of viscous forces

2.2.2 壓差阻力

汽車行駛時，車表前后壓強(qiáng)呈現(xiàn)不對稱的分布，見圖10，這種不對稱的分布使得車表受到的正壓力總和的絕對值小于負(fù)壓力總和的絕對值，從而形成壓差阻力.

壓差阻力中，汽車前部約占9%，其余的幾乎全部來自于汽車尾部［8］，因此，將汽車分為汽車前部與汽車尾部，分別進(jìn)行壓力分析.

圖10 普通公路汽車車表壓強(qiáng)分布示意圖［7］Fig.10 Schematic diagram of pressure distribution for automobile body surface

光滑車表、不同單元體類型的非光滑車表的汽車前部中心對稱面壓力云圖的對比見圖11.由圖11可見，由于氣流與車表的撞擊以及氣流被汽車前窗阻擋而被迫改向，會形成兩個大的車表高壓區(qū)，這兩個車表高壓區(qū)帶來的正壓力，是汽車前部壓差阻力的主要來源.如圖11所示，對于各個汽車模型，其前部的兩個高壓區(qū)內(nèi)的壓力分布幾乎沒有區(qū)別，因此各汽車模型的前部壓差阻力幾乎相同，非光滑車身并不能減小汽車前部的壓差阻力.

實(shí)際上，汽車前部的壓差阻力僅占汽車全部壓差阻力中很小的一部分.即使采用非光滑車表減小了前部的壓差阻力，其對于車身總體減阻的作用也非常微弱.而減小汽車尾部的壓差阻力，可以達(dá)到明顯的減阻效果.

圖11 汽車前部中心對稱面壓力云圖對比Fig.11 Comparison of pressure contours of the longitudinal symmetrical section for front quarter

汽車尾部壓差阻力的大小，主要取決于尾渦區(qū)離車尾距離的遠(yuǎn)近和尾渦區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)的大?。何矞u區(qū)內(nèi)的壓強(qiáng)越大、尾渦區(qū)離車尾的距離越遠(yuǎn)，則汽車尾部受到的低壓影響就越小，壓差阻力也就越小，反之就越大.由圖12可以看出，非光滑車表尾部的壓力分布與光滑車表有著明顯的不同，它們尾部氣流的壓強(qiáng)明顯比光滑車表的要大，因此，車尾負(fù)壓帶來的影響較小，它們的壓差阻力也較光滑車表小.

圖12 汽車尾部中心對稱面壓力云圖對比Fig.12 Comparison of pressure contours of the longitudinal symmetrical section for rear quarter

在能夠減阻的非光滑車表中，又以2號模型減阻效果更為明顯，它的減阻率最大.將2號模型與光滑車表進(jìn)行中心對稱平面壓力云圖、等壓線圖、流線圖的對比，如圖13所示，可以看出，2號模型相對于光滑車表，其低壓區(qū)面積更小，尾渦區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)更高.而且，氣流流過2號模型的車身后，在汽車尾部形成的2個渦流的渦流中心離汽車尾部較表面光滑的汽車遠(yuǎn)，如圖13c、圖13b所示，而汽車尾渦區(qū)離車尾越遠(yuǎn)，尾渦帶來的低壓影響就越小，汽車尾部表面的壓力就越大，產(chǎn)生的壓力差也越小.通過壓力分布的計(jì)算，見圖14，2號車的壓差阻力減少了2.33%，這說明2號模型的汽車尾部流線較表面光滑的汽車好，有著更優(yōu)的汽車尾渦，空氣阻力更小.

2.2.3 誘導(dǎo)阻力

前面在分析汽車尾部的壓差阻力時，只考慮了沿來流方向的渦流.實(shí)際上，汽車尾部的渦場不但包含了沿來流方向的渦流，還包含著垂直于來流方向的渦流，即車尾縱向渦.車尾縱向渦包含著一定量的動能，會消耗一部分能量，消耗的這部分能量所用來克服的阻力就是誘導(dǎo)阻力.顯而易見，誘導(dǎo)阻力的大小與車尾縱向渦的大小是密切相關(guān)的：車尾縱向渦越小，誘導(dǎo)阻力也越小，反之越大.車尾縱向渦會產(chǎn)生一個大的低壓區(qū)，可以通過比較車尾縱向截面內(nèi)的壓力，來衡量車尾縱向渦的大小.

將減阻效果較好的2號和3號模型與光滑車身進(jìn)行車尾縱向截面壓力云圖的比較，縱向截面選取在距離車尾125cm處，為了便于比較低壓區(qū)面積的大小，在汽車的中部增加了一個參考截面，如圖15所示.

如圖16所示，相對于光滑的車身，2號和3號模型的低壓區(qū)面積更大，截面內(nèi)的壓力更低，氣流的速度更快，氣流的動能更大.這說明2號和3號模型受到的誘導(dǎo)阻力要大于光滑的車身.

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，非光滑車表能夠減小壓差阻力與摩擦阻力.雖然2號和3號模型的誘導(dǎo)阻力相對光滑車身有所增大，但3部分阻力疊加后的總體減阻效果仍比光滑車身好，見表2，說明2號和3號模型誘導(dǎo)阻力的增大量小于壓差阻力與摩擦阻力減小量的總和，在總體上仍然表現(xiàn)出減阻的效果.

3 結(jié)論

（1）非光滑車表具有明顯的減阻效果.與表面光滑的汽車相比，本文研究對象的最大減阻率達(dá)到了5.45%，能夠起到降低汽車油耗，提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的作用.

（2）非光滑車表能夠減小汽車的空氣阻力，是因?yàn)樗苡绊懫嚨耐饬鲌?非光滑車表能夠改善汽車的尾部渦場，使尾渦區(qū)遠(yuǎn)離車尾，有效地減小了尾渦區(qū)的低壓對汽車的影響，降低了汽車的壓差阻力.與光滑車表相比，氣流流過非光滑車表時受到的摩擦力更小，這能有效降低汽車的摩擦阻力.非光滑車表也會給汽車外流場帶來負(fù)面影響，它會加劇汽車上、下部氣流的對流，增加汽車的誘導(dǎo)阻力，但誘導(dǎo)阻力的增加并不明顯.總體而言，非光滑車表能夠改善汽車的外流場，達(dá)到減阻的效果.

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