基于非光滑單元體結(jié)構的車身氣動特性研究

高 偉，程家旺

(汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北汽車工業(yè)學院，湖北 十堰 442002)

0 引 言

汽車空氣動力特性是汽車的重要特性之一，它直接影響到汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性[1]。目前，降低汽車空氣阻力的方法主要為設計流線型的車身、對車身局部進行細化優(yōu)化、在車身上加裝某些裝置(如導流裝置、噴射裝置等)[2-3]。然而上述方法由來已久，各方面都已趨于成熟，可改進的空間不大，因此傳統(tǒng)減阻技術已經(jīng)到了瓶頸期，需尋求新的減阻技術來改善汽車尾流結(jié)構，從而改善汽車的空氣動力學特性。近年來，仿生非光滑表面減阻成為減阻研究的熱門課題并得到迅速發(fā)展，仿生學研究發(fā)現(xiàn)表面非光滑形態(tài)結(jié)構能夠改變邊界層流場結(jié)構，控制物體表面流場從而降低氣動阻力[4]。謝非等[5]對凹坑型非光滑單元的排布形式和排布密度進行了研究，減阻率最高達到4.1%。楊易等[6]對鈍體模型的不同位置(側(cè)部、底部、頂部、尾部)布置凹坑型非光滑表面，分析得到尾部非光滑表面的減阻效果最明顯，減阻率達到5.73%。谷正氣等[7]在MIRA 階梯背模型不同組合位置布置凹坑形非光滑表面，結(jié)果表明在車身行李艙蓋、車身尾部和車身底部布置非光滑單元體的組合有較好的減阻效果，比單獨布置的效果好，減阻率最大為5.9%。上述研究表明了在車身設計中引入非光滑表面進行氣動減阻的可行性。

筆者根據(jù)仿生非光滑減阻理論，確定非光滑單元體的表面形態(tài)、布置位置選擇原則及尺寸選擇原則；將凹坑型非光滑單元體布置在MIRA階梯背模型的車身表面，應用計算流體動力學數(shù)值模擬方法，對非光滑表面模型進行仿真計算，研究凹坑型非光滑表面對汽車減阻特性的影響；采用正交試驗對凹坑型單元體的結(jié)構進行優(yōu)化。

1 光滑表面模型數(shù)值模擬與試驗驗證

1.1 光滑表面MIRA階梯背模型的建立

標準MIRA模型組的尺寸如圖1，其中的虛線分別為斜背模型和直背模型，實線則為階梯背模型。根據(jù)圖1中的尺寸，利用CATIA軟件建立MIRA階梯背三維模型。

圖1 MIRA模型組尺寸Fig. 1 Size of MIRA model group

1.2 計算域確定及網(wǎng)格劃分

計算域尺寸的確定應該考慮到汽車風洞試驗的一些要求。汽車風洞實驗一般要求阻塞比低于5%。此外，模型與側(cè)壁和頂壁的距離要盡可能遠，使得模型壓力均勻分布，從而消除計算域邊界氣流對模型試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。因此，筆者建立了1:10 MIRA階梯背模型，選取計算域參數(shù)如表1。

表1 計算域尺寸Table 1 Dimensions of the calculated domain

應用ANSYS ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分，考慮到MIRA階梯背模型的特點，選用了非結(jié)構四面體網(wǎng)格，以控制網(wǎng)格生成質(zhì)量，并在車身表面生成三棱柱網(wǎng)格作為邊界層，在車身周圍的空間添加密度盒，將密度盒內(nèi)的網(wǎng)格尺寸大小設置為16 mm，為了更加真實的模擬車輪的變形，選取車輪與地板面接觸區(qū)域墊板高度為10 mm，網(wǎng)格示意見圖2。

圖2 網(wǎng)格示意Fig. 2 Sketch map of grid

1.3 邊界條件及求解器的設置

采用ANSYS-FLUENT軟件進行求解，邊界條件設置見表2。湍流模型選取SSTk-ω模型，采用二階迎風格式進行離散求解，計算殘差設為1×10-6，迭代步數(shù)為2 000步。

表2 求解邊界條件設定Table 2 Setting of solving boundary conditions

1.4 數(shù)值模擬可靠性驗證

為了確保數(shù)值模擬的正確性，將光滑表面MIRA階梯背模型數(shù)值模擬結(jié)果與湖南大學風工程試驗研究中心HD-2 風洞試驗結(jié)果[7]進行對比，數(shù)值模擬得到其氣動阻力系數(shù)Cd值為0.322 7，風洞試驗測得的氣動阻力系數(shù)Cd為0.324 2，仿真計算的結(jié)果與風洞試驗結(jié)果誤差0.46%，在工程允許誤差5%以內(nèi)，故筆者采用的數(shù)值仿真方法是可靠的[8]。

2 凹坑型非光滑單元體的結(jié)構因素 對減阻特性的影響

相關研究表明，凹坑型非光滑單元體采用矩形排布時，減阻效果較為明顯[5]。因此筆者的凹坑型單元體采用矩形陣列布置形式，凹坑的形態(tài)采用和以往的半球形凹坑所不同的球冠狀，如圖3，L代表縱向間距，W代表橫向間距。采用這種球冠狀的單元體可以更好的模擬生物體表的非光滑表面形態(tài)，同時在進行網(wǎng)格劃分時，避免了以往半球形凹坑處生成網(wǎng)格的質(zhì)量問題。筆者對非光滑表面減阻特性進行研究時，凹坑型非光滑單元體的尺寸都取為整數(shù)值。根據(jù)非光滑表面減阻理論，受到車身尾部端面的凹坑深度最大值的限制，取d=96 mm、D=200 mm、L=85 mm、W=80 mm作為對凹坑型單元體尺寸初始值。

圖3 凹坑的形態(tài)及布置形式Fig. 3 Shape and arrangement of concave

通過對非光滑表面模型的數(shù)值計算，得到各個模型的氣動阻力系數(shù)值，并使用減阻率對模型的減阻效果進行評價，分析非光滑表面的減阻特性。減阻率ΔCd/Cd由式(1)計算：

(1)

式中：Cd為光滑表面MIRA階梯背模型的氣動阻力系數(shù)；Cd1為非光滑表面MIRA階梯背模型的氣動阻力系數(shù)。

2.1 凹坑分布位置對車身減阻特性的影響

將凹坑型非光滑單元體分別布置在車身頂部、行李箱蓋、尾部端面及車身底部，如圖4。對上述的凹坑型非光滑表面MIRA階梯背模型進行仿真計算，并根據(jù)式(1)求解，得到的結(jié)果如表3。從表3可以看出，將凹坑型非光滑單元體布置在這4個位置處均有一定的減阻效果，當凹坑型非光滑單元體布置在行李箱蓋上時，氣動阻力系數(shù)為0.296 5，減阻率為8.12%，故其減阻效果最好。

圖4 凹坑型非光滑單元體不同布置位置Fig. 4 Different locations of concave non-smooth element

分布位置凹坑深度/mmCd1減阻率/%車身頂部行李箱蓋尾部端面車身底部44440.307 04.870.296 58.120.304 55.640.322 00.22

2.2 凹坑深度對車身減阻特性的影響

通過邊界層厚度的計算，得到了車身頂部凹坑的最大尺寸為17.3 mm。采用矩形布置方案時，由于受到頂部位置的限制，現(xiàn)只取凹坑深度4～8 mm的范圍進行了研究。對不同深度凹坑型非光滑表面數(shù)值模擬的結(jié)果如表4。由表4可以看出，減阻率隨著凹坑深度的增加先增大后減小，當凹坑深度為6 mm時，減阻率為6.76%，減阻效果最好。

表4 不同凹坑深度的減阻效果Table 4 Drag reduction effect of different concave depths

2.3 凹坑間距對車身減阻特性的影響

筆者通過改變矩形陣列的縱向間距L和橫向間距W，對具有不同間距的模型組進行仿真計算，分析凹坑間距對車身減阻特性的影響。仿真計算的結(jié)果如表5。

表5 不同凹坑間距的減阻效果Table 5 Drag reduction effect of different concave spacing

由表5可以看出，凹坑間距尺寸的改變對車身減阻特性的影響不太明顯，但起到了一定的減阻作用。當凹坑型單元體縱向間距L=85 mm，橫向間距W=100 mm時，減阻效果最好，減阻率達到5.52%。這表明，選取合適的凹坑間距，使凹坑型單元體分散程度布置合理，可以得到較好的減阻效果。

3 凹坑型非光滑單元體結(jié)構優(yōu)化設計

通過分析凹坑型單元體的單一結(jié)構因素對車身減阻特性影響可知，凹坑型單元體的布置位置、凹坑的深度、凹坑的間距都對車身的氣動特性有一定程度的影響。

為了選取各個結(jié)構因素中的最優(yōu)水平，得到最佳組合布置方案，需對凹坑型非光滑單元體的結(jié)構因素進行優(yōu)化。筆者應用正交試驗，對凹坑型單元體的結(jié)構因素進行優(yōu)化分析。凹坑深度H選取為4、6和7 mm，凹坑的縱向間距L取為80、85和90 mm，橫向間距W取為80、90和100 mm。凹坑的布置位置P選取了車身頂部、行李箱蓋及車身底部，正交試驗選用標準正交表L9(34)，試驗方案及結(jié)果如表6。

表6 正交試驗方案與試驗結(jié)果Table 6 Orthogonal test scheme and test results

極差分析如表7，各因素影響模型空氣阻力系數(shù)Cd的主次順序為：單元體的分布位置P、縱向間距L、深度H、橫向間距W。

表7 減阻率極差分析Table 7 Range analysis of drag reduction rate

在各因素水平的取值范圍內(nèi)，最佳組合為H2、L3、W1、P2，即選取凹坑的深度為6 mm，排布的縱向間距為90 mm，橫向間距為80 mm，并將其布置在行李箱蓋時，減阻效果最好，其減阻率達到了10.54%。

4 凹坑型非光滑單元體最優(yōu)結(jié)構組合 減阻機理分析

4.1 非光滑單元體對壓差阻力的影響

原車模型、優(yōu)化后模型尾部壓力系數(shù)分布如圖5。

圖5 尾部壓力系數(shù)分布Fig. 5 Tail pressure coefficient distribution

由圖5可以看出優(yōu)化后模型的尾部高壓區(qū)域的面積明顯大于原車模型，這說明非光滑表面模型的尾部的壓力值增加了，非光滑表面對壓差阻力的影響主要是通過改變尾部壓力分布來實現(xiàn)的。

圖6為原車及優(yōu)化后模型尾部速度流線圖。由圖6(a)可以看出，流過光滑表面MIRA階梯背模型的氣流發(fā)生了兩次分離，分別在車身頂部到后擋風玻璃的過渡處及行李箱蓋后部的轉(zhuǎn)折處，兩處形成的低壓渦流區(qū)使得模型的壓差阻力較大。由圖6(b)可以看出，布置了非光滑單元體后，尾渦低壓區(qū)域的流動情況有了明顯的改善，尤為明顯的是行李箱蓋后部的轉(zhuǎn)折處尾渦的后移，這表明非光滑單元體改善了流過表面的氣流運動狀態(tài)，影響了車身的氣動特性。

圖6 尾部速度流線Fig. 6 Tail speed flow chart

4.2 非光滑單元體對誘導阻力的影響

相關研究表明，在汽車的尾部同時存在這兩個方向的低壓渦流，分別是沿來流方向和垂直來流方向[9]。沿來流方向的低壓渦流，其大小影響著壓差阻力，而垂直于來流方向的縱向尾渦則影響著汽車的誘導阻力，并且產(chǎn)生低壓區(qū)的縱向尾渦越大，汽車的誘導阻力就越大。

圖7為距尾部5 mm縱向截面的壓力系數(shù)分布云圖。由圖7(b)可以看出，優(yōu)化后模型尾部5 mm縱向截面低壓區(qū)域的面積顯著減少，而且最小壓力值也均有不同程度的增加，這表明非光滑表面可以改變了氣流流過車身表面的流動狀態(tài)，從而降低汽車的誘導阻力，達到減小汽車空氣阻力的目的。

圖7 尾部截面壓力系數(shù)分布Fig. 7 Distribution of pressure coefficient at stern section

4.3 非光滑單元體對摩擦阻力的影響

由于空氣的黏性作用，在邊界層內(nèi)，不同流速空氣層之間以及空氣與車表之間的摩擦形成了摩擦阻力，在車身表面主要就表現(xiàn)為剪切應力。不同流速的空氣層之間的速度梯度的大小，對剪切應力有著很大的影響。圖8為行李箱蓋上剪切應力分布。

圖8 行李箱蓋剪切應力分布Fig. 8 Shear stress distribution of trunk lid

由圖8(b)可以看出，優(yōu)化后模型行李箱蓋上低應力區(qū)域的范圍有所擴大，表面剪切應力有所降低，從而減低了摩擦阻力。

5 結(jié) 論

1)通過試驗驗證，光滑表面MIRA階梯背模型的外流場仿真分析有效可靠。

2)通過對凹坑型非光滑單元體結(jié)構因素對減阻特性的影響進行仿真分析，凹坑型非光滑單元體的布置位置、凹坑的深度及單元體的排布間距都會對車身的氣動減阻效果產(chǎn)生影響。

3)基于正交實驗設計方法，凹坑型非光滑單元體布置在車身的行李箱蓋，凹坑的深度為6 mm，縱向排布間距為90 mm，橫向排布間距為80 mm，得到的非光滑表面減阻效果最好，減阻率達到了10.54%。

4)通過從壓差阻力、誘導阻力和摩擦阻力3個方面對凹坑型非光滑單元體最優(yōu)結(jié)構組合改進前后的減阻機理進行對比分析，發(fā)現(xiàn)非光滑表面改變沿來流方向的尾部渦流，減小了汽車壓差阻力；改變縱向尾部渦流，減小了誘導阻力；改變近壁面氣流的流動狀態(tài)，減小了車身表面的摩擦阻力，從而達到了減阻效果。