汽車后擾流板對(duì)外氣動(dòng)性能影響的研究

朱忠華 張雷 許志寶 祝文舉 楊靜 劉東峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

汽車后擾流板對(duì)外氣動(dòng)性能影響的研究

朱忠華 張雷 許志寶 祝文舉 楊靜 劉東峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

以某SUV車型為分析對(duì)象，采用CFD和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)車體尾部后擾流板角度調(diào)整方式、角度和斷面結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)外氣動(dòng)性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)后擾流板進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的后擾流板斷面幾何結(jié)構(gòu)和攻角的后擾流板裝置可使整車風(fēng)阻系數(shù)下降3%～5%，從而提高整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 前言

空氣動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于汽車設(shè)計(jì)的意義不僅在于改善汽車的高速行駛穩(wěn)定性和側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，同時(shí)也可以降低油耗[1]。在對(duì)汽車進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化的過(guò)程中，后擾流板作為一種附加裝置表現(xiàn)出了良好的效果，因此，汽車后擾流板的合理設(shè)計(jì)和裝配顯得尤為重要。具有適當(dāng)高度的后擾流板可有效降低空氣阻力系數(shù)Cd和升力系數(shù)Cl，此外，后擾流板還可以增加車身上表面后部的壓力。

國(guó)外汽車空氣動(dòng)力學(xué)起步較早，對(duì)后擾流板的研究也更為深入。近年來(lái)，國(guó)外大型汽車企業(yè)不斷將賽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果應(yīng)用于乘用車，如可調(diào)尾翼已在部分量產(chǎn)車或概念車上得到了應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)汽車后擾流板的研究，其對(duì)象多為車體基本形狀，車身模型相對(duì)粗糙，車輪、保險(xiǎn)杠、后視鏡等均被忽略，計(jì)算模型中劃分的網(wǎng)格數(shù)目也比較少，因此計(jì)算精度受到一定影響。

本文以某SUV車型為研究對(duì)象，通過(guò)仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究后擾流板角度、角度調(diào)整方式及結(jié)構(gòu)形式對(duì)整車氣動(dòng)性能影響的規(guī)律。研究對(duì)象為實(shí)車全細(xì)節(jié)模型，流場(chǎng)更為真實(shí)。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步減小SUV車型的空氣阻力和升力、合理選擇和設(shè)計(jì)后擾流板剖面形狀、優(yōu)化氣動(dòng)特性提供了依據(jù)。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

本研究使用的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪悄砈UV車型的整車40%全細(xì)節(jié)模型，如圖1所示。模型包含發(fā)動(dòng)機(jī)艙、底盤、地板等詳細(xì)結(jié)構(gòu)，骨架和上部車身的材料分別為鋁合金和碳纖維，懸架結(jié)構(gòu)（包括制動(dòng)系統(tǒng)等）與實(shí)車結(jié)構(gòu)完全一致，試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置輪胎與地面保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置和散熱器阻尼特性與實(shí)車完全一致。

為在試驗(yàn)中更好地研究后擾流板對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響，將后擾流板制作成獨(dú)立模塊（見(jiàn)圖2），通過(guò)調(diào)整該模塊實(shí)現(xiàn)其角度的變化。

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)室

汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分為模型風(fēng)洞試驗(yàn)法、實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)法和實(shí)車道路試驗(yàn)法3種[2]。本研究風(fēng)洞試驗(yàn)完成于國(guó)外某模型風(fēng)洞試驗(yàn)室，該試驗(yàn)室整體流道采用回流式結(jié)構(gòu)[3]，測(cè)試段為3/4開(kāi)式，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃髷_流板結(jié)構(gòu)示意

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)示意

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)室關(guān)鍵參數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)洞試驗(yàn)邊界條件見(jiàn)表2。試驗(yàn)中，將后擾流板角度下調(diào)3°，其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)均不變，研究其氣動(dòng)阻力性能的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，后擾流板角度調(diào)整后，整車空氣阻力系數(shù)下降了0.007，證明后擾流板角度對(duì)空氣阻力系數(shù)有較大的影響。

3 CFD仿真模型構(gòu)建

本文利用流體分析軟件STAR-CCM+搭建了整車CFD模型，模型包含車身外表面、車體底部和底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等細(xì)部結(jié)構(gòu)，如圖4所示。模擬風(fēng)洞的長(zhǎng)、寬、高之比為6:5:3。同時(shí)，為提高計(jì)算精度，還對(duì)流動(dòng)分離的關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，最終生成的體單元總數(shù)大約為3 800萬(wàn)。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)邊界條件

圖4 整車CFD模型

計(jì)算過(guò)程中，車速設(shè)定為120 km/h，由于其遠(yuǎn)低于聲速，可以假定氣體是不可壓縮的[4]。氣體具有粘性，這是產(chǎn)生氣動(dòng)阻力的根源，在本研究中，通過(guò)在車體近壁面添加多層邊界層單元，模擬氣體粘性產(chǎn)生的剪切應(yīng)力對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響，提高計(jì)算精度。計(jì)算中所使用的物理模型采用基于流體質(zhì)點(diǎn)微元的拉格朗日法構(gòu)建，數(shù)學(xué)模型使用三維不可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯（N-S）控制方程，所使用的初始、邊界條件如表3所示。

表3 初始、邊界條件設(shè)定

4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 公式定義

空氣阻力系數(shù)為：

升力系數(shù)為：

式中，D為阻力；L為升力；ρ為空氣密度；v∞為風(fēng)速（車速）；A為迎風(fēng)面投影面積。

壓力系數(shù)為：

式中，P為汽車表面的壓力；P∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處參考點(diǎn)壓力，即基準(zhǔn)靜壓；ν為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣流流速。

4.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)將后擾流板調(diào)整到相同的狀態(tài)（下調(diào)3°，見(jiàn)圖5）比較仿真和試驗(yàn)的差異。

圖5 仿真與試驗(yàn)對(duì)比方案示意

將空氣阻力系數(shù)作為參考量，對(duì)所得計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，仿真結(jié)果很好地預(yù)測(cè)了后擾流板角度變化對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的偏差僅0.001。下面將主要采用CFD仿真的手段對(duì)后擾流板進(jìn)行研究。

表4 空氣阻力系數(shù)

5 后擾流板對(duì)整車氣動(dòng)性能影響的仿真研究

5.1 后擾流板角度調(diào)整方式

為研究后擾流板對(duì)整車氣動(dòng)性能影響的規(guī)律，本文首先對(duì)后擾流板角度的調(diào)整方式進(jìn)行了對(duì)比分析。常用的調(diào)整方式分為旋轉(zhuǎn)法和光順?lè)?。旋轉(zhuǎn)法是將擾流板沿軸線整體旋轉(zhuǎn)一定角度，光順?lè)ㄊ潜ＷC其切角方向變化與原旋轉(zhuǎn)方式角度變化相同。以后擾流板下調(diào)4°為例，如圖6所示。

以上述調(diào)整方式分別對(duì)后擾流板的角度下調(diào)1°、2°、3°、4°，以整車的空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)為參考量，對(duì)比分析兩種方式對(duì)整車性能的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖6 后擾流板角度調(diào)整方式示意

圖7 后擾流板角度調(diào)整方式對(duì)氣動(dòng)性能的影響

由圖7可知，隨著后擾流板下調(diào)角度的增大，兩種調(diào)整方式下，空氣阻力系數(shù)變化趨勢(shì)總體保持一致，但升力系數(shù)變化趨勢(shì)相差較大。兩種調(diào)整方式下，升力系數(shù)隨角度的變化規(guī)律相同，但是在相同角度變化量下，兩種調(diào)整方式對(duì)升力增加量的影響有所不同，光順?lè)ㄏ鄬?duì)旋轉(zhuǎn)法更易引起升力的增大，并且隨著調(diào)整角度的增大，兩者產(chǎn)生的差值增大。

5.2 后擾流板角度

5.2.1 后擾流板角度對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響

本研究中，后擾流板角度下調(diào)，整車的空氣阻力系數(shù)下降，但是隨著高速區(qū)來(lái)流速度加快，車體底部和頂部的壓差增大，下部壓力大于上部壓力形成升力，且隨著后擾流板角度的下調(diào)，升力逐漸增大。因此，在確定后擾流板傾斜角度時(shí)，應(yīng)綜合考慮調(diào)整角度對(duì)整車阻力和升力的影響，在降低空氣阻力的情況下，提高高速行駛工況下的穩(wěn)定性，使整車氣動(dòng)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

由此，在0°～4°調(diào)整范圍內(nèi)，隨著調(diào)整角度的增大，兩種調(diào)整方式下，空氣阻力系數(shù)的變化量基本一致。但旋轉(zhuǎn)法在控制整車升力系數(shù)上要優(yōu)于光順?lè)ǚ桨福瑢?duì)高速時(shí)操縱穩(wěn)定性的影響也將更小。因此，本文采用旋轉(zhuǎn)法對(duì)后擾流板的角度進(jìn)行調(diào)整（1°、2°、3°、4°），如圖8所示，探索調(diào)整角度對(duì)空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響規(guī)律，進(jìn)而尋找角度調(diào)整的最優(yōu)值。調(diào)整后的空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化如圖9所示。

圖8 后擾流板角度調(diào)整結(jié)構(gòu)示意

圖9 后擾流板角度調(diào)整對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響

由圖9可以看出，隨著下調(diào)角度的增大，空氣阻力系數(shù)不斷降低，其中在0°～1°和2°～3°之間，空氣阻力系數(shù)的變化量較大，分別降低0.003和0.002，但在1°～2°和3°～4°之間降低幅度有所減小，僅降低0.001。同時(shí)，隨著下調(diào)角度的增大，整車的升力系數(shù)隨之增大，并且在2°～3°之間存在緩增區(qū)，但是調(diào)整角度超過(guò)3°后，升力系數(shù)會(huì)隨之大幅度升高，基準(zhǔn)狀態(tài)下整車的升力系數(shù)為0.029，在0°～3°之間，升力系數(shù)的變化量為0.018，在3°～4°之間，整車升力系數(shù)的變化量為0.014，占總體變化量的43.75%。

綜上所述，當(dāng)后擾流板的下調(diào)角度為3°時(shí)，所產(chǎn)生的降阻性能和高速穩(wěn)定性均處于較優(yōu)狀態(tài)，為本文中所用模型的最佳調(diào)整值。

5.2.2 后擾流板角度對(duì)整車尾流場(chǎng)的影響

由圖10可以看出，流過(guò)汽車頂部、底部和側(cè)面的氣流相互作用、相互融合，進(jìn)而發(fā)展形成了大尺度的尾部渦流[5]。尾部渦流的存在使汽車尾部形成負(fù)壓，這是汽車壓差阻力形成的關(guān)鍵因素。后擾流板角度不同時(shí)，尾部渦流的尺度（大小和形狀）也不相同。設(shè)計(jì)合理的后擾流板角度，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。

圖10 后擾流板不同狀態(tài)下的尾流場(chǎng)示意

圖10所示為整車尾部速度矢量圖的Y=0截面圖。從圖中可以看出，尾部流場(chǎng)中形成上、下2個(gè)較大的渦流，其中上方渦流主要來(lái)自頂部及后窗兩側(cè)，下方渦流主要來(lái)自底部氣流。由于底部氣流流速較慢，下方渦流尺度明顯小于上方渦流，兩個(gè)渦流的中心在汽車背部偏下的區(qū)域，渦流的相互作用會(huì)增大氣流流動(dòng)能量損失，使得尾部負(fù)壓增大，氣動(dòng)阻力增加。通過(guò)調(diào)整后擾流板的角度，如圖10（b）所示，可控制尾渦的大小及兩個(gè)渦流的相互作用強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到減小整車阻力的目的。

如圖11所示，當(dāng)后擾流板處于基準(zhǔn)狀態(tài)和下調(diào)3°時(shí)，車輛尾部的壓力分布云圖具有明顯的不同。基準(zhǔn)狀態(tài)下尾部的壓力系數(shù)處于-0.012～-0.006范圍內(nèi)，后擾流板角度調(diào)整后的壓力系數(shù)處于-0.006～0范圍內(nèi)，說(shuō)明后擾流板的角度變化使得車體后部的能量耗散明顯減弱，有效減小了車輛的前后壓差阻力，對(duì)降低整車阻力具有明顯的效果。

圖11 后擾流板不同狀態(tài)下尾部壓力云圖

后擾流板下調(diào)不同角度時(shí)，尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 后擾流板不同下調(diào)角度下的尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

由圖12可以看出，隨著后擾流板下調(diào)角度的增加，尾流場(chǎng)中的渦流強(qiáng)度逐漸減弱，尤其對(duì)下部漩渦的影響更加明顯，并且上、下漩渦的范圍逐漸縮小，兩者的交匯區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離，中心的干擾程度減弱。在后擾流板下調(diào)角度為1°～3°之間時(shí)，上漩渦和下漩渦交匯中心的位置幾乎沒(méi)有改變，但是強(qiáng)度明顯減弱；當(dāng)下調(diào)角度為4°時(shí)，接近車體尾部壁面位置處氣流向上，產(chǎn)生向上的升力，造成車輪的抓地力降低[6]。

5.3 后擾流板結(jié)構(gòu)對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響

將后擾流板結(jié)構(gòu)改為某類似車型的斷面結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱新型斷面），如圖13所示，凹陷深度為10 mm，凹陷位置與邊緣距離為80 mm。以整車的空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)為參考量，對(duì)比分析不同斷面結(jié)構(gòu)下，下調(diào)角度均為3°時(shí)氣動(dòng)性能的變化規(guī)律，結(jié)果如表5所示。

圖13 后擾流板改型斷面結(jié)構(gòu)示意

表5 后擾流板不同斷面結(jié)構(gòu)對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響結(jié)果

由表5中可以看出，采用新型斷面結(jié)構(gòu)的后擾流板后，整車空氣阻力系數(shù)沒(méi)有變化，但升力系數(shù)明顯增加。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某SUV車型，通過(guò)比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD仿真的手段，研究了后擾流板對(duì)整車性能的影響。結(jié)果表明，后擾流板角度、結(jié)構(gòu)形式對(duì)整車氣動(dòng)性能影響較大。其中，后擾流板角度的變化使尾部渦流中心點(diǎn)產(chǎn)生位移，最終影響空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)。本文只研究了2種結(jié)構(gòu)形式，后續(xù)可通過(guò)研究更多結(jié)構(gòu)形式，繼續(xù)探索改善整車氣動(dòng)性能。

1 任斌.后擾流板對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性影響的模擬研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

2 傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

3 張英朝.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù).北京：北京大學(xué)出版社，2011.

4 扶原放.轎車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2002.

5 任斌，趙又群.后擾流板攻角對(duì)汽車氣動(dòng)特性影響的模擬研究.現(xiàn)代交通技術(shù)，2009（4）：98-101.

6 孫連偉.基于CFD的尾翼對(duì)汽車穩(wěn)定性數(shù)值分析.汽車實(shí)用技術(shù)，2016（1）：158-160.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年12月13日。

Research on Influence of Rear Spoiler on External Aerodynamic Performance

Zhu Zhonghua,Zhang Lei,Xu Zhibao,Zhu Wenju,Yang Jing,Liu Dongfeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230601）

In this article,CFD and wind tunnel test methods were applied to analyze the influence of rear spoiler (angle adjustment mode,angle,sectional structure adjustment)on external aerodynamic performance of a SUV,and the rear spoiler was optimized according to the analysis results.The result shows that,vehicle air drag coefficient can be decreased by 3%to 5%after sectional geometry and angle of attack optimization,and thus vehicle’s power performance and fuel economy were improved.

SUV,CFD,Aerodynamics,Rear spoiler,STAR-CCM+

SUV CFD 空氣動(dòng)力學(xué) 后擾流板 STAR-CCM+

U463.82；U461.1

A

1000-3703（2017）05-0019-05