汽車氣動(dòng)附件對(duì)氣動(dòng)力優(yōu)化的數(shù)值仿真

唐天寶，郭建成

(1.湖南長(zhǎng)豐汽車沙發(fā)有限責(zé)任公司，湖南永州425101;2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410082;3.一汽—大眾汽車有限公司，吉林長(zhǎng)春130011)

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能也提出了更高的要求。提高汽車的氣動(dòng)性能，一方面可以通過氣動(dòng)造型來實(shí)現(xiàn);另一方面可以通過加裝氣動(dòng)附件來實(shí)現(xiàn)[1］。事實(shí)上，氣動(dòng)附件已經(jīng)成為汽車結(jié)構(gòu)中非常重要的一部分，在實(shí)際車型中得到了很廣泛的應(yīng)用。

汽車在行駛時(shí)受到的氣動(dòng)力中，對(duì)汽車氣動(dòng)性能影響最大的是氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力。氣動(dòng)阻力附件的主要目的是減小汽車行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性;氣動(dòng)升力附件的主要目的和作用是降低汽車的氣動(dòng)升力，從而增強(qiáng)汽車的地面附著性，提高汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法因?yàn)槠浜臅r(shí)短、不受試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)器材影響、模型修改方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車氣動(dòng)性能的研究[2］。此外，大量的試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，CFD仿真對(duì)汽車氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬已經(jīng)達(dá)到很高的精度[3］。

國(guó)外對(duì)氣動(dòng)附件的研究較為深入，在賽車和乘用車上進(jìn)行了一定的數(shù)值模擬研究。而中國(guó)由于CFD仿真的方法起步較晚，對(duì)汽車車身氣動(dòng)附件的研究較少。為研究氣動(dòng)附件對(duì)汽車氣動(dòng)力的優(yōu)化效果，本文運(yùn)用CFD仿真的方法，分別對(duì)某SUV模型的氣動(dòng)阻力附件及某跑車升力氣動(dòng)附件進(jìn)行仿真研究。研究的氣動(dòng)阻力附件主要有車輪阻風(fēng)板、底盤導(dǎo)流板、側(cè)裙及后擾流器，氣動(dòng)升力附件主要是尾翼。

1 計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬

1.1 CAD模型建立

本文以某SUV和跑車模型為基礎(chǔ)，其CAD模型是在UG中建立的。由于實(shí)車模型比較復(fù)雜，會(huì)給網(wǎng)格繪制和仿真計(jì)算帶來很大困難，而且耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，因此需要對(duì)車身模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。忽略一些對(duì)氣動(dòng)力計(jì)算影響很小的細(xì)節(jié)，如門把手、雨刮器等;為了保證后續(xù)繪制網(wǎng)格的質(zhì)量，保證結(jié)果的收斂性，對(duì)模型的尖角處進(jìn)行圓整處理;為準(zhǔn)確模擬實(shí)際風(fēng)洞的氣流狀況，建立一外輪廓為長(zhǎng)方體計(jì)算域。根據(jù)汽車外流場(chǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置計(jì)算域的大小為:入口距模型前端3倍車長(zhǎng)，出口距模型后端6倍車長(zhǎng)，總高度為4倍車高，總寬度為7倍車寬。以SUV為例，其計(jì)算域如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

完成對(duì)模型的簡(jiǎn)化和修改之后，運(yùn)用ANSYS軟件繪制模型網(wǎng)格。采用Delaunay三角形方法在整個(gè)計(jì)算流域面生成半尺寸化網(wǎng)格，在車身表面拉伸出與其平行的三棱柱網(wǎng)格作為附面層，以消除壁面函數(shù)的影響。為提高計(jì)算精度，建立包圍車身的密度核，同時(shí)為了避免網(wǎng)格差異對(duì)仿真結(jié)果的影響，在每次仿真過程中，保持模型的相同部分網(wǎng)格尺寸不變，同時(shí)用不同數(shù)目的網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)格的無關(guān)性[4］。

圖1 SUV計(jì)算域示意圖

1.3 湍流模型選取

汽車周圍流場(chǎng)可以看作是三維不可壓縮黏性等溫流場(chǎng)。由于其外形復(fù)雜，容易引起氣流分離，所以應(yīng)按湍流處理。仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和R k-ε模型。湍流模型研究表明:RNG k-ε模型考慮渦流因素影響和低雷諾數(shù)效應(yīng)，可有效模擬汽車尾部和底部復(fù)雜漩渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算湍流精度較高，且計(jì)算量小，是5種模型中較適于汽車外部復(fù)雜流場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算的湍流模型[5］。因此，本文對(duì)SUV和跑車的仿真均選用RNG k-ε湍流模型。

2 氣動(dòng)附件設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 氣動(dòng)阻力附件設(shè)計(jì)目標(biāo)

汽車行駛過程中受到的氣動(dòng)阻力可以分為外部阻力和內(nèi)部阻力[2］，外部阻力所占總的氣動(dòng)阻力的比例要遠(yuǎn)大于內(nèi)部阻力，而形狀阻力和誘導(dǎo)阻力占外部阻力的絕大部分。

誘導(dǎo)阻力是伴隨升力而產(chǎn)生的阻力成分。汽車頂部和底部的壓力差會(huì)產(chǎn)生尾渦，這個(gè)渦包含著一定的動(dòng)能，它必須克服部分阻力的功，這部分阻力就是誘導(dǎo)阻力。形狀阻力主要取決于汽車車身前方阻止氣流前進(jìn)的壓力與車身尾部使壓力恢復(fù)的壓力差。對(duì)氣動(dòng)阻力的優(yōu)化，很重要的手段就是削弱尾渦，減小尾部渦流包含的湍動(dòng)能。因此，氣動(dòng)阻力附件的重要目標(biāo)，就是削弱和破壞尾渦，減少尾渦包含的湍動(dòng)能。

汽車尾渦是由來自頂部、側(cè)面和底部的氣流匯聚并相互作用而形成的。汽車底面通常高低不平，使得底部氣流變得復(fù)雜，形成強(qiáng)湍流區(qū)和各種復(fù)雜的渦流，當(dāng)汽車底面光順度提高時(shí)，使得氣流流經(jīng)下表面的摩擦損失降低，同時(shí)使氣流得到有效的梳理，到達(dá)汽車尾部時(shí)會(huì)降低尾渦的湍流度，因此，可以通過在汽車底部加裝氣動(dòng)附件來優(yōu)化底部的流場(chǎng)。而流經(jīng)汽車頂部的氣流，在流到汽車尾部時(shí)向下移，與底部上揚(yáng)的氣流及側(cè)面的氣流匯聚，因此，可在頂部加裝氣動(dòng)附件，使頂部氣流與底部及側(cè)向氣流匯聚的位置遠(yuǎn)離車身。SUV車型的特點(diǎn)是具備較高的車身和較大的離地間隙，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)汽車頂部和底部的氣動(dòng)附件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文SUV設(shè)計(jì)的底部氣動(dòng)附件為車輪阻風(fēng)板、側(cè)圍及后底盤導(dǎo)流板，頂部氣動(dòng)附件則是對(duì)其后擾流器進(jìn)行改型。

2.2 氣動(dòng)升力附件設(shè)計(jì)目標(biāo)

氣流流經(jīng)汽車表面到尾部匯聚，車身上部的氣流和流經(jīng)車身下部的氣流經(jīng)過的長(zhǎng)度不同，從而造成上、下部的氣流流速不同，使得上、下部分間形成壓力差，從而產(chǎn)生氣動(dòng)升力。氣動(dòng)升力過大時(shí)，會(huì)降低汽車的地面附著性，從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性，特別是在轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于側(cè)向風(fēng)的影響會(huì)造成不安全因素。對(duì)普通的轎車和SUV等車型，由于自身質(zhì)量較大，氣動(dòng)升力一般在安全范圍內(nèi)。但對(duì)于高速的賽車和跑車，一方面大量選用輕型的材料(如全鋁車身和碳纖維)使得自身質(zhì)量較輕;另一方面，賽車和跑車在高速范圍內(nèi)行駛，受到的氣動(dòng)升力更大，所以必須減小其受到的升力，一般應(yīng)受負(fù)升力的作用。賽車和跑車的外形都經(jīng)過優(yōu)良的氣動(dòng)造型，車身具備很好的流線性，底板一般都是平直的平板，因此，主要通過加裝氣動(dòng)附件的方法來產(chǎn)生負(fù)升力，最常見的氣動(dòng)升力附件就是尾翼。氣動(dòng)升力附件的主要目標(biāo)，就是減小車身上、下部的壓力差，而對(duì)于跑車來講應(yīng)產(chǎn)生較大的負(fù)升力，因此，本文選取一個(gè)跑車模型，主要研究尾翼端板及尾翼形式對(duì)其氣動(dòng)升力的影響。

3 阻力氣動(dòng)附件分析

3.1 SUV原車分析

選取某SUV模型分析阻力氣動(dòng)附件作用效果，對(duì)SUV原車進(jìn)行分析。繪制原車網(wǎng)格后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，邊界條件設(shè)置為:計(jì)算域入口設(shè)為velocity inlet，速度大小為38.9 m/s;計(jì)算域出口為pressure outlet;車身表面設(shè)為無滑移壁面邊界條件;計(jì)算域上表面及左右側(cè)面均設(shè)置為滑移壁面邊界條件;為消除地面效應(yīng)的影響，設(shè)置地面為移動(dòng)壁面，速度同樣為38.9 m/s。

仿真得到原車的氣動(dòng)阻力因數(shù)為0.387，其底部壓力云圖和尾渦示意圖分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看出:車輪上存在有較大的正壓區(qū)。從圖3可以看出:尾部的渦流附著在后風(fēng)窗下緣，離車身的距離很近，說明氣流在距離車身很近的位置即發(fā)生了分離，這將導(dǎo)致較大的氣動(dòng)阻力。因此，可以添加底部氣動(dòng)阻力附件，減小車輪和后底盤受到的正壓;同時(shí)添加頂部氣動(dòng)附件，通過修改后擾流器延遲氣流的分離，使尾渦遠(yuǎn)離車身，從而減小氣動(dòng)阻力。

圖2 原車底部壓力云圖

3.2 車輪氣動(dòng)附件優(yōu)化

車輪附件流場(chǎng)的優(yōu)化，一方面要減小車輪受到的氣流的正面直接沖擊;另一方面要阻擋來自側(cè)面的氣流和底部的氣流在輪腔內(nèi)匯聚形成渦流。車輪阻風(fēng)板及側(cè)裙是SUV車型上比較常見的氣動(dòng)阻力附件[6-7］，車輪阻風(fēng)板能有效地減少氣流對(duì)車輪的正面沖擊，而側(cè)裙能阻止側(cè)面氣流涌入輪腔體。

因此，確定的車輪附件優(yōu)化方案為添加車輪阻風(fēng)板和側(cè)圍。首先，參考實(shí)際車型的模型，建立了其UG模型，前輪阻風(fēng)板位于前輪腔前緣，高度為45 mm，后輪阻風(fēng)板位于后輪腔后緣，高度為65 mm，寬度分別為前、后輪腔最大寬度;側(cè)裙位于車身側(cè)邊下緣，長(zhǎng)度為1 850 mm，高度為40 mm。

在繪制網(wǎng)格并進(jìn)行仿真計(jì)算，得到安裝車輪阻風(fēng)板和側(cè)裙后，原車的氣動(dòng)阻力因數(shù)降低至0.374。車輪對(duì)于氣動(dòng)阻力的影響很大，對(duì)于F1賽車，由于車輪完全暴露，車輪所引起的氣動(dòng)阻力占總阻力的40%以上。而本文的SUV車型，從圖4和圖5所示的前輪車輪壓力云圖可以看出:加裝車輪阻風(fēng)板后，車輪上的正壓區(qū)明顯減小，這表明車輪及輪腔內(nèi)流場(chǎng)得到優(yōu)化。車輪阻風(fēng)板阻擋了氣流對(duì)車輪的正面沖擊，而側(cè)裙阻擋了兩側(cè)氣流涌入底部，兩者共同削弱了汽車輪腔內(nèi)和底部氣流的紊亂程度，起到了降低氣動(dòng)阻力，優(yōu)化流場(chǎng)狀況的作用。

圖4 原車前輪壓力云圖

圖5 優(yōu)化后前輪壓力云圖

3.3 后底盤氣動(dòng)附件優(yōu)化

底盤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，會(huì)對(duì)氣流流動(dòng)形成較大的阻礙作用。對(duì)底盤研究表明:底盤阻力占汽車總氣動(dòng)阻力的比例較大，汽車底部外形越復(fù)雜，氣動(dòng)阻力因數(shù)越大[8］。底部的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，對(duì)于減小汽車受到的壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和摩擦阻力都是十分有利的。因此，可以在底部加裝導(dǎo)流板，梳理底部紊亂的氣流。為此，加裝如圖6所示的導(dǎo)流板。繪制網(wǎng)格并仿真計(jì)算，得到氣動(dòng)阻力因數(shù)降為0.380。

加裝導(dǎo)流板后，使氣流流經(jīng)的汽車后底盤結(jié)構(gòu)變得平整，減少了對(duì)氣流的干涉和阻擋，同時(shí)，減少了氣流在底部的摩擦損耗，這將引起摩擦阻力的下降。而底部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得氣流的紊亂程度明顯降低，從圖7所示的原車及底部加裝導(dǎo)流板后的流線圖中可以看出:后底盤處的氣流經(jīng)過導(dǎo)流板的梳理，在油箱和后車輪附件的紊流程度得到削弱，這表明氣流在底部的能量損耗減少。導(dǎo)流板使后底盤復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)氣流流速的降低作用削弱，氣流能以較高的速度到達(dá)尾部，從而降低車身頂部和底部的壓力差，尾部氣流的向上翻卷狀況得到改善，從而一定程度上抑制了尾渦的產(chǎn)生，降低誘導(dǎo)阻力和壓差阻力。

圖6 加裝附件后模型

圖7 底部流線圖對(duì)比

3.4 頂部氣動(dòng)附件優(yōu)化

汽車行駛時(shí)，流經(jīng)頂部、底部和側(cè)面的氣流，會(huì)在尾部匯聚形成渦流區(qū)，一般來講，渦流區(qū)離尾部越近，表明氣流分離越早，能量耗散越大，氣動(dòng)阻力越大。從圖3可以看出:原車的尾渦幾乎附著在車身上，說明氣流在車尾即發(fā)生了分離。因此，考慮對(duì)其車身頂部的后擾流器進(jìn)行改型，使流經(jīng)汽車頂部的氣流在到達(dá)后擾流器時(shí)流向向后，從而得以與來自底部和側(cè)面的氣流匯聚于距離車尾較遠(yuǎn)的區(qū)域。為了使尾部渦流區(qū)進(jìn)一步遠(yuǎn)離車身，將原SUV的后擾流器延長(zhǎng)30 mm，如圖8所示。

修改模型并繪制網(wǎng)格后，計(jì)算得到氣動(dòng)阻力因數(shù)降低為0.369。后擾流器延長(zhǎng)后，來自頂部的氣流在流經(jīng)擾流器時(shí)延緩了流向的下移，因而和來自底部、側(cè)面的氣流在尾部匯聚的位置后移，從而削弱了尾渦對(duì)汽車的影響，降低了汽車受到的氣動(dòng)阻力。

圖8 后擾流器對(duì)比

3.5 各方案效果對(duì)比及分析

對(duì)于本文的SUV，各方案都起到了減小氣動(dòng)阻力的作用，但效果有所不同，見表1。從表1中可以看出:方案1中的底部導(dǎo)流板由于處于底盤靠近車尾的位置，氣流在到達(dá)導(dǎo)流板前流速已經(jīng)下降，有些氣流已經(jīng)發(fā)生分離和逸散，因此效果相對(duì)不明顯。方案2中的車輪阻風(fēng)板明顯減小了氣流對(duì)車輪的正面沖擊力，效果相對(duì)明顯。方案3對(duì)后擾流器的修改產(chǎn)生的效果最為顯著，擾流器延長(zhǎng)后，尾部的湍動(dòng)能明顯減小，尾渦也明顯后移。由3組方案的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):SUV車型由于具有較高的車身和較大的離地間隙，底部氣流的紊亂在近地面位置并不明顯，因此，在汽車底部加裝氣動(dòng)附件的效果不如頂部氣動(dòng)附件的效果顯著，在對(duì)SUV車型進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)頂部的氣動(dòng)附件進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4 升力氣動(dòng)附件分析

汽車行駛時(shí)氣動(dòng)升力對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性有很大影響[9］，尤其是高速行駛時(shí)，氣動(dòng)升力對(duì)汽車性能的影響尤為突出。跑車車速一般200 km/h以上，此時(shí)受到的氣動(dòng)升力很大，對(duì)跑車的地面附著性有很大的影響。因此，必須減小跑車高速行駛時(shí)的氣動(dòng)升力，一般應(yīng)保證升力為向下的負(fù)升力，如法拉利跑車在200 km/h時(shí)受到的1.2 kN以上的負(fù)升力。國(guó)外已有部分學(xué)者從試驗(yàn)的角度針對(duì)氣動(dòng)升力進(jìn)行了分析[10］。試驗(yàn)研究表明:通過加裝氣動(dòng)附件可以在減小升力方面取得很好的效果[11］，而負(fù)升力翼是其中最為有效的一種。

表1 各附件效果對(duì)比

4.1 負(fù)升力翼作用機(jī)理

負(fù)升力翼的概念最早由美國(guó)的查帕拉提出，是根據(jù)倒置的機(jī)翼而設(shè)計(jì)的，能產(chǎn)生一個(gè)向下的力以抵消一部分氣動(dòng)升力[10］。氣流流經(jīng)負(fù)升力翼時(shí)，在上、下翼面間形成一定的壓力差，形成向下的下壓力，從而增加車輪的地面附著力。不同的斷面形狀、高度、支架及端板都會(huì)對(duì)負(fù)升力翼的作用效果有不同的影響。為研究不同外形尾翼對(duì)氣動(dòng)升力的影響，參考實(shí)際跑車的尾翼形式，建立如圖9所示的4種不同外形的尾翼，分別為端板式、折線式、兩段式及雙尾翼。其中，圖9b中的折線式尾翼沒有端板，而圖9c中的兩段式尾翼有4個(gè)端板且面積更大。

圖9 各尾翼模型

4.2 仿真計(jì)算及分析

設(shè)置邊界條件如下:計(jì)算域入口設(shè)為velocity inlet，速度大小為70 m/s;計(jì)算域出口為pressure outlet;車身表面設(shè)為無滑移壁面邊界條件;計(jì)算域上表面及左右側(cè)面均設(shè)置為滑移壁面邊界條件;設(shè)置地面為移動(dòng)壁面，速度為70 m/s。仿真得到原車氣動(dòng)升力因數(shù)為0.078，各方案氣動(dòng)升力因數(shù)見表2。

從表2可以看出:折線式尾翼較端板式尾翼產(chǎn)生的負(fù)升力小些，而兩段式尾翼的作用效果比折線式和端板式尾翼都顯著，這是因?yàn)槎税迥軌蜃钃鯕饬飨騼蓚?cè)的逸散，本方案中的端板面積更大，數(shù)量更多，更能阻擋氣流向兩側(cè)的逸散，因而產(chǎn)生的負(fù)升力較端板式和折線式更大。折線式尾翼產(chǎn)生的負(fù)升力最小，而雙尾翼產(chǎn)生的負(fù)升力最大，這是由于其產(chǎn)生的下壓力由兩個(gè)翼上的壓力差共同作用產(chǎn)生。

圖10為折線式尾翼和雙尾翼的壓力云圖，從圖10中可見:尾翼的上翼面壓力高于下翼面和支架，因此，在上翼面和下翼面及支架間的壓力差形成作用在尾翼上的下壓力，這是加裝尾翼產(chǎn)生負(fù)升力的原因。

表2 各方案升力因數(shù)

5 結(jié)論

本文將運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法，以某SUV和某跑車模型為基礎(chǔ)，分別對(duì)氣動(dòng)阻力附件和尾翼的作用進(jìn)行了仿真分析，得出了以下結(jié)論:

(1)SUV車型由于具備較高的車身高度和離地間隙，因此相對(duì)于底部的氣動(dòng)附件，頂部氣動(dòng)附件對(duì)氣動(dòng)阻力的優(yōu)化作用更加顯著，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)加裝負(fù)升力翼使跑車受到負(fù)升力的作用，端板能阻擋氣流向兩側(cè)逸散，端板面積和數(shù)量的增大會(huì)產(chǎn)生更大的負(fù)升力。雙尾翼能產(chǎn)生很大的壓力差，對(duì)升力的優(yōu)化效果最為顯著。

圖10 加裝尾翼后壓力云圖

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