尾部結(jié)構(gòu)外形對(duì)轎車(chē)氣動(dòng)阻力影響的試驗(yàn)研究

黃志祥　陳立　王橋

摘 要：對(duì)某斜背造型轎車(chē)模型分別在基本狀態(tài)、不同尾部導(dǎo)流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態(tài)下進(jìn)行了氣動(dòng)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，獲得了不同尾部結(jié)構(gòu)外形對(duì)轎車(chē)氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律，為實(shí)車(chē)減阻裝置的應(yīng)用研究提供了依據(jù)和參考。研究結(jié)果表明，對(duì)于斜背造型的轎車(chē)，安裝尾部導(dǎo)流片會(huì)明顯增大氣動(dòng)阻力，氣動(dòng)阻力的最大增加量可達(dá)26.41%；安裝尾部擋板，氣動(dòng)阻力約有0.65%～3.18%的增加量；在20°的尾部下端傾角范圍內(nèi)，0°尾部下端傾角下的氣動(dòng)阻力最小，隨著尾部下端傾角的增大，氣動(dòng)阻力會(huì)逐漸增大，相比于0°尾部下端傾角下的氣動(dòng)阻力，最大增加量約為4.93%。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；模型；氣動(dòng)阻力；風(fēng)洞試驗(yàn)；減阻

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.1+2文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.02

Abstract：The wind tunnel test research was conducted to investigate the aerodynamic characteristics of a fastback car model in basic state and states with different tail flow deflectors， tail baffle plates and tail bottom slope angles. The effects of different tail structures and shapes on aerodynamic drag of the car was obtained， which serves as a reference for the application of drag-reduction components on real cars. The results show that， for a fastback car， the aerodynamic drag increases remarkably with tail flow deflectors installed， and the maximum increment of aerodynamic drag is 26.41%； the increase of aerodynamic drag is in the range of 0.65% ～ 3.18% with tail baffle plates installed. The smallest aerodynamic drag is achieved when the tail bottom slope angle is 0°. The aerodynamic drag increases gradually along with the increase of tail bottom slope angle and compared with

the minimum aerodynamic drag when the tail bottom slope angle is 0°， the maximum increment can be 4.93%.

Key words：car； model； aerodynamic drag； wind tunnel test； drag reduction

我國(guó)已多年穩(wěn)居汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量世界第一的位置，同時(shí)也是世界能源消耗大國(guó)，其中汽車(chē)油耗占據(jù)重要的份額，也一直保持著持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。對(duì)汽車(chē)阻力的研究事關(guān)降低汽車(chē)能耗、節(jié)約資源和提高速度，也是研發(fā)節(jié)能、環(huán)保的高品質(zhì)汽車(chē)必須考慮的問(wèn)題。因此，如何降低汽車(chē)阻力，減少油耗成為汽車(chē)技術(shù)研究領(lǐng)域的重要課題，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

近年來(lái)，包括改進(jìn)尾部造型[1-3]和采用附加裝置[4-5]以減小氣動(dòng)阻力的汽車(chē)減阻技術(shù)與應(yīng)用研究得到了迅速發(fā)展，對(duì)汽車(chē)阻力，尤其是氣動(dòng)阻力形成機(jī)理的研究成果也非常豐富。湖南大學(xué)谷正氣帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)快背、斜背和階梯背三種尾部造型的MIRA模型的氣動(dòng)阻力特性進(jìn)行了研究[6]，分析了不同尾部造型造成汽車(chē)氣動(dòng)阻力差異的原因。吉林大學(xué)傅立敏帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)轎車(chē)尾流特性進(jìn)行了研究[7-8]，從尾流特性方面分析了轎車(chē)氣動(dòng)阻力的形成機(jī)理。目前，研究汽車(chē)氣動(dòng)阻力的方法包括：模型或?qū)嵻?chē)風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、實(shí)車(chē)路試和理論研究[9]，其中應(yīng)用最廣泛也最可靠的研究方法是模型或?qū)嵻?chē)風(fēng)洞試驗(yàn)。它既能為數(shù)值計(jì)算提供驗(yàn)證依據(jù)，也因試驗(yàn)條件易于控制而比實(shí)車(chē)路試更方便易行。

本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)方法，對(duì)某斜背造型轎車(chē)模型分別在基本狀態(tài)、不同尾部導(dǎo)流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態(tài)下進(jìn)行氣動(dòng)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，對(duì)比分析不同尾部導(dǎo)流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態(tài)與基本狀態(tài)的氣動(dòng)阻力特性，研究不同尾部結(jié)構(gòu)外形對(duì)轎車(chē)氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律，以期為轎車(chē)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和選型提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)研究概況

1.1試驗(yàn)風(fēng)洞與模型

本項(xiàng)目的試驗(yàn)研究在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所的1.4 m×1.4 m風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座閉口直流式風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面為矩形，寬1.4 m，高1.4 m，長(zhǎng)2.8 m。在風(fēng)洞試驗(yàn)段安裝有固定地板模擬地面，地板寬1.4 m，長(zhǎng)2.5 m，地板距風(fēng)洞下洞壁0.37 m，地板前端開(kāi)了一個(gè)沿寬度方向長(zhǎng)900 mm、寬5 mm的槽，以降低地板表面附面層厚度。安裝試驗(yàn)地板后，試驗(yàn)段寬1.4 m，高1.03 m，風(fēng)洞有效截面積1.438 8 m2，試驗(yàn)段最高風(fēng)速可達(dá)50 m/s。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?∶6的某斜背轎車(chē)模型，采用環(huán)氧樹(shù)脂加工而成，模型長(zhǎng)694 mm，寬271 mm，高237 mm，正投影面積0.052 7 m2，并包括尾部導(dǎo)流片、尾部擋板和尾部下端傾角共三種結(jié)構(gòu)部件，如圖1所示。在無(wú)側(cè)風(fēng)（試驗(yàn)橫擺角為0°）情況下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖枞葹?.66%。

1.2 試驗(yàn)方案

轎車(chē)模型的試驗(yàn)方案包括基本狀態(tài)和三種尾部結(jié)構(gòu)。其中，基本狀態(tài)是無(wú)尾部導(dǎo)流片和尾部擋板，且尾部下端傾角12°；第一種尾部結(jié)構(gòu)包括六種尾部導(dǎo)流片狀態(tài)，分別是30°弧形導(dǎo)流片、30°直角導(dǎo)流片、45°弧形導(dǎo)流片、45°直角導(dǎo)流片、60°弧形導(dǎo)流片和60°直角導(dǎo)流片；第二種尾部結(jié)構(gòu)包括七種尾部擋板狀態(tài)，分別是0°直角擋板、30°弧形擋板、30°直角擋板、45°弧形擋板、45°直角擋板、60°弧形擋板和60°直角擋板；第三種尾部結(jié)構(gòu)包括九種尾部下端傾角狀態(tài)，分別是0°下端傾角、3°下端傾角、5°下端傾角、8°下端傾角、10°下端傾角、12°下端傾角、15°下端傾角、18°下端傾角和20°下端傾角，尾部結(jié)構(gòu)部件方案如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)風(fēng)速為30 m/s，模擬無(wú)側(cè)風(fēng)工況，即試驗(yàn)橫擺角為0°。

（2）僅對(duì)轎車(chē)模型進(jìn)行氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)，且主要關(guān)注氣動(dòng)阻力，以無(wú)量綱的氣動(dòng)阻力系數(shù)表示，計(jì)算如下：

（3）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行阻塞修正和軸向靜壓梯度修正[10]。

（4）地板前端采用了開(kāi)槽法降低附面層，附面層厚度滿(mǎn)足要求，沒(méi)有進(jìn)行附面層影響修正。另外，由于沒(méi)有支架干擾，未進(jìn)行支架干擾修正。

2 試驗(yàn)研究結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明

（1）對(duì)基本狀態(tài)在25～40 m/s下進(jìn)行了變風(fēng)速試驗(yàn)，圖3給出了cd隨風(fēng)速的變化結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到30 m/s后，cd隨風(fēng)速的增加變化很小。另外，30 m/s的試驗(yàn)雷諾數(shù)大于7×105，cd已進(jìn)入“自準(zhǔn)區(qū)”[4]，風(fēng)速的增加對(duì)cd影響很小。

2.2 不同尾部導(dǎo)流片狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)轎車(chē)模型分別在六種尾部導(dǎo)流片狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)，并與基本狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。表1給出了不同尾部導(dǎo)流片狀態(tài)下的氣動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果。

由表1可知，與基本狀態(tài)（無(wú)尾部導(dǎo)流片）相比，分別安裝六種尾部導(dǎo)流片后，轎車(chē)模型的cd都顯著增大，cd的增加量約為23.76%～26.41%。其中，30°弧形導(dǎo)流片的cd增加量最小，約為23.76%；45°直角導(dǎo)流片的cd增加量最大，約為26.41%。

從轎車(chē)尾部流場(chǎng)特性來(lái)看，對(duì)于斜背造型轎車(chē)，當(dāng)沒(méi)有尾部導(dǎo)流片時(shí)，氣流從車(chē)身頂部流經(jīng)尾部斜背時(shí)，由于斜背平緩，基本能從車(chē)頂部緊貼斜背表面流動(dòng)，不出現(xiàn)分離。而當(dāng)安裝尾部導(dǎo)流片后，氣流從車(chē)頂部流向斜背時(shí)，受尾部導(dǎo)流片的干擾，不能平順地貼附在斜背上，從而出現(xiàn)分離，氣流能量耗散，增大了尾部氣流形成的壓差阻力，導(dǎo)致轎車(chē)的氣動(dòng)阻力增加。

由此可見(jiàn)，在斜背造型轎車(chē)尾部安裝文中的尾部導(dǎo)流片，轎車(chē)的氣動(dòng)阻力都顯著增大，其中，30°弧形導(dǎo)流片的cd增加量最小，45°直角導(dǎo)流片的cd增加量最大。

2.3 不同尾部擋板狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)轎車(chē)模型分別在七種尾部擋板狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)，并與基本狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。表2給出了不同尾部擋板狀態(tài)下的氣動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果。

由表2可知，與基本狀態(tài)（無(wú)尾部擋板）相比，分別安裝七種尾部擋板后，轎車(chē)模型的cd都增大， cd的增加量約為0.65%～3.18%。其中，30°直角擋板的cd增加量最小，約為0.65%，60°弧形擋板的cd增加量最大，約為3.18%。

尾部擋板使轎車(chē)氣動(dòng)阻力增大的原因是，當(dāng)沒(méi)有尾部擋板時(shí)，氣流從轎車(chē)斜背下邊緣流經(jīng)后備廂立面時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)分離，形成相對(duì)穩(wěn)定的渦流[6]。當(dāng)安裝尾部擋板后，尾部擋板會(huì)對(duì)流經(jīng)斜背下邊緣的氣流產(chǎn)生影響，進(jìn)一步加劇氣流的分離，使氣流能量耗散更多，從而增大壓差阻力，導(dǎo)致轎車(chē)的氣動(dòng)阻力出現(xiàn)不同程度的增加。

由此可見(jiàn)，在斜背造型轎車(chē)尾部安裝文中的尾部擋板，轎車(chē)的氣動(dòng)阻力都會(huì)出現(xiàn)不同程度的增大，30°直角擋板的cd增加量最小，60°弧形擋板的cd增加量最大。

2.4 不同尾部下端傾角狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)轎車(chē)模型分別在九種尾部下端傾角狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。圖4和表3給出了不同尾部下端傾角狀態(tài)下的氣動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果。

由圖4和表3可知，0°下端傾角時(shí)轎車(chē)的cd最小，20°傾角的cd最大。與0°尾部下端傾角的 cd相比，其它傾角狀態(tài)下的cd都會(huì)增大，cd最大增加量約為4.93%。在20°的傾角范圍內(nèi)，轎車(chē)模型的cd隨著下端傾角角度的增大而逐漸增加，傾角角度越大，cd也越大。這主要是因?yàn)?，隨著轎車(chē)尾部下端傾角角度的增大，轎車(chē)底部的氣流通道在該處變大，氣流流速降低，能量也逐漸減小，使壓差阻力逐漸增大，從而增加了轎車(chē)的氣動(dòng)阻力。

由此可見(jiàn)，對(duì)于斜背造型轎車(chē)，尾部下端傾角為0°的氣動(dòng)阻力最小，車(chē)尾部選擇0°傾角結(jié)構(gòu)有利于減小阻力。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某斜背造型的轎車(chē)模型分別在基本狀態(tài)、不同尾部導(dǎo)流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態(tài)下進(jìn)行氣動(dòng)阻力特性的試驗(yàn)研究與分析，獲得了不同尾部結(jié)構(gòu)外形對(duì)轎車(chē)氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）與沒(méi)有尾部導(dǎo)流片相比，安裝文中的尾部導(dǎo)流片將使轎車(chē)模型的氣動(dòng)阻力增大3.76%～26.41%，30°弧形導(dǎo)流片的氣動(dòng)阻力增加量最小，45°直角導(dǎo)流片的氣動(dòng)阻力增加量最大。

（2）與沒(méi)有尾部擋板相比，安裝文中的尾部擋板將使轎車(chē)模型的氣動(dòng)阻力增大0.65%～3.18%，30°直角擋板的氣動(dòng)阻力增加量最小，60°弧形擋板的氣動(dòng)阻力增加量最大。

（3）對(duì)于斜背造型轎車(chē)，尾部下端傾角為0°的氣動(dòng)阻力最小，車(chē)尾選擇0°傾角結(jié)構(gòu)有利于減小阻力。

本文獲得了不同尾部結(jié)構(gòu)外形對(duì)轎車(chē)氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律，對(duì)開(kāi)展實(shí)車(chē)減阻應(yīng)用研究有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)工作將在與實(shí)車(chē)條件銜接的更高雷諾數(shù)下進(jìn)一步深入研究。

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