汽車底部復(fù)雜流場的主動和被動控制減阻方法研究*

袁志群，楊明智，張炳榮

（1.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024； 2.中南大學(xué)，軌道交通安全教育部重點實驗室，長沙 410075；3.福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門 361024）

前言

隨著高速公路的飛速發(fā)展，汽車行駛速度越來越高，空氣動力學(xué)對燃油經(jīng)濟性的影響日趨突顯，現(xiàn)今降低氣動阻力、提高汽車燃油經(jīng)濟性已備受汽車行業(yè)普遍關(guān)注。汽車底部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，排氣管、懸架、備胎、油箱和傳動軸等零部件直接裸露在空氣中。當(dāng)汽車高速行駛時，這些零部件會被高速氣流直接沖擊，導(dǎo)致底部流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)生許多分離漩渦［1-2］，不僅自身氣動阻力增加，而且會影響汽車尾部流場，導(dǎo)致車身氣動阻力增加。因此有效控制和引導(dǎo)汽車底部流場對降低整車氣動阻力至關(guān)重要。

降低汽車氣動阻力的方法主要有被動控制減阻和主動控制減阻兩種。被動控制減阻通過改變車身局部形狀和加裝氣動附加裝置，如密封蓋板和非光滑表面等方法［1，3-7］，從而改變近車體氣流流動狀態(tài)、延緩氣流分離，實現(xiàn)氣動阻力降低，是目前比較常見的一種減阻方法，且應(yīng)用廣泛，但整體成本會大幅增加；主動控制減阻則與之相反，它對流場的控制是實時、動態(tài)的，主要有可調(diào)節(jié)尾翼、射流技術(shù)和主動進氣隔柵等［8-12］，但目前鮮有研究。此外，汽車運行環(huán)境復(fù)雜，裸露在空氣中的汽車底部結(jié)構(gòu)還會受到側(cè)風(fēng)的影響而進一步加劇底部流場的紊流度，目前對于側(cè)風(fēng)工況下的汽車底部流場主被動控制減阻方法研究很少。在文獻［13］和文獻［14］的研究基礎(chǔ)上，針對汽車底部復(fù)雜流場導(dǎo)致的氣動阻力過大問題，本文中分別采用被動控制和主動控制減阻方法，提出汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境行駛時合理可行的減阻方案，研究結(jié)果可為汽車設(shè)計提供理論參考。

1 計算模型的建立與驗證

采用UG NX軟件分別建立前阻流板和側(cè)裙的被動控制減阻方案，如圖1所示。它一方面可減少進入底部氣流流量，另一方面可避免高速氣流直接沖擊底部凹凸部件，阻流板高度H1和側(cè)裙高度H2分別在0～80 mm之間變化，兩者形狀與整車造型融為一體。

圖1 被動控制減阻方案示意圖

為抑制底部紊亂氣流及其對汽車尾流的影響，分別在車底前部和車尾后部設(shè)置控制槽，采用主動吹吸方法控制底部氣流流動，如圖2所示。對車底前部控制槽采取主動抽吸的方式，減少進入底部氣流量，控制汽車前端流場；對車尾后部控制槽，采用氣流噴射的方式，控制底部氣流對尾渦結(jié)構(gòu)的影響。兩種控制槽的寬度B1和B2均為10 mm，控制槽整體形狀與車身造型融為一體，控制槽氣流速度vC1和vC2在0～60 m／s區(qū)間變化。主被動控制減阻方案的底部結(jié)構(gòu)與實際車型一致，改進前后整車造型保持一致。

圖2 主動控制減阻方案示意圖

計算域采用長方體，如圖3所示。正面入口和側(cè)面入口距離車身分別為3倍車長和3倍車寬；正面出口和側(cè)面出口距離車身分別為7倍車長和7倍車寬，保證湍流能夠充分發(fā)展；頂面距離車身4倍車高；當(dāng)橫擺角β在0°～30°之間變化時，阻塞比均小于2%，能有效消除洞壁干擾，保證計算結(jié)果的準確性。

圖3 邊界條件設(shè)置示意圖

計算分析采用ANSYS流體分析軟件，首先在ICEM-CFD軟件中對計算域進行離散，生成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，車身表面采用六層棱柱網(wǎng)格精確模擬邊界層分布，滿足壁面函數(shù)要求。為準確捕捉車底復(fù)雜流場及其對尾渦的影響，對車身底部和尾部進行體網(wǎng)格加密。采用不同的網(wǎng)格數(shù)量進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，被動控制減阻方案（阻流板高度H1為60 mm，橫擺角β為0°）的不同網(wǎng)格劃分方案計算結(jié)果如表1所示，進一步加密網(wǎng)格會導(dǎo)致計算效率降低，但計算精度提高不明顯，因此本文中采用方案3的網(wǎng)格劃分，各方案網(wǎng)格總體數(shù)量均在1 000萬左右。

表1 不同網(wǎng)格劃分方案結(jié)果對比

側(cè)風(fēng)模擬方法主要有“偏車”和“偏風(fēng)”兩種［15-17］，后者在保證精度的同時效率更高，因此本文中采用車速與風(fēng)速的合成速度施加在正面入口和側(cè)面入口的“偏風(fēng)”方法。入口合成風(fēng)速為v=30 m／s，該計算工況的雷諾數(shù)大于臨界值，橫擺角β在0°～30°區(qū)間變化，間隔 3°；正面出口和側(cè)面出口均采用壓力出口邊界條件，相對大氣壓力為0；地面為滑移壁面邊界；車身為非滑移壁面邊界。計算采用Realizable k-ε湍流模型，大量研究結(jié)論證明，對于雷諾時均N-S方程求解計算，該模型對氣動力計算精度高，在邊界層和分離流流動中流場捕捉準確［18-19］。

為驗證本文中數(shù)值計算模型的有效性，對光滑底部結(jié)構(gòu)的汽車模型在不同橫擺角工況下的氣動阻力進行風(fēng)洞測試。該驗證模型僅底部結(jié)構(gòu)作平整處理，車身等其它部位結(jié)構(gòu)與本文中數(shù)值計算模型保持一致，數(shù)值計算模型的邊界條件與風(fēng)洞實驗的工況對應(yīng)。氣動阻力系數(shù)的對比結(jié)果如圖4所示。由圖可見，兩者結(jié)果均較吻合，誤差控制在5%以內(nèi)，證明了本文中數(shù)值計算模型建立準確、計算方法可行。

2 計算結(jié)果

圖4 數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果對比

氣動阻力對汽車燃油經(jīng)濟性至關(guān)重要，是評價汽車空氣動力學(xué)性能的重要指標。本文中主要通過分析主動和被動控制方案前后汽車的氣動阻力系數(shù)變化規(guī)律和底部與尾部流場變化，揭示其減阻機理。

圖5為不同橫擺角工況下，阻流板高度對氣動阻力系數(shù)影響的部分結(jié)果。由圖可見：阻流板高度保持一定時，氣動阻力系數(shù)隨著橫擺角的增加總體上呈先增加后減小的趨勢，這與前人研究結(jié)論一致；阻流板對氣動阻力系數(shù)的影響規(guī)律不僅與自身高度相關(guān)，并且與橫擺角大小有很大關(guān)系。當(dāng)β≤6°時，氣動阻力系數(shù)隨著阻流板的高度增加而減小，變化趨勢基本一致，在此范圍內(nèi)，氣動阻力系數(shù)最大降幅出現(xiàn)在 β=3°、阻流板高度為 80 mm時，降幅為9.4%；當(dāng)9°≤β≤18°時，氣動阻力系數(shù)隨著阻流板的高度增加呈先減小后增加的趨勢，氣動阻力系數(shù)最小值與橫擺角大小有直接關(guān)系，在此范圍內(nèi)，氣動阻力系數(shù)最大降幅出現(xiàn)在β=15°、阻流板高度為60 mm時，降幅為7.5%；但當(dāng)β≥21°，阻流板對降低氣動阻力系數(shù)沒有促進作用，氣動阻力系數(shù)隨著阻流板高度的增加而增加。

圖5 氣動阻力系數(shù)隨阻流板高度的變化關(guān)系

圖6為不同橫擺角工況下，側(cè)裙高度對氣動阻力系數(shù)影響的部分結(jié)果。由圖可見：側(cè)裙高度保持一定時，氣動阻力系數(shù)隨著橫擺角的增加總體上呈先增加后減小的趨勢，與前述結(jié)論一致；當(dāng)β≤18°時，側(cè)裙高度變化對氣動阻力影響不大，甚至?xí)欢ǔ潭仍黾诱嚉鈩幼枇ο禂?shù)；隨著橫擺角進一步增加，當(dāng)β≥21°時，氣動阻力系數(shù)隨著側(cè)裙高度的增加呈先減小后增加的趨勢，在此范圍內(nèi)，氣動阻力系數(shù)最大降幅出現(xiàn)在β=30°、側(cè)裙高度為60 mm時，降幅為10.4%。

圖6 氣動阻力系數(shù)隨側(cè)裙高度的變化關(guān)系

為解決阻流板在大橫擺角、側(cè)裙在小橫擺角工況下減阻存在的缺陷，提出阻流板和側(cè)裙的組合減阻方案。根據(jù)以上分析結(jié)論，選取阻流板高度H1為80 mm、側(cè)裙高度H2為60 mm的組合方案，分析組合方案在不同橫擺角工況下的氣動阻力系數(shù)變化規(guī)律，如圖7所示。由圖可見，組合減阻方案的氣動阻力系數(shù)隨橫擺角的變化規(guī)律與原始方案一致，且優(yōu)于單個減阻方案，當(dāng)橫擺角在0°～30°之間變化時，氣動阻力系數(shù)降幅在6.1%～13.2%之間浮動。

圖7 不同減阻方案對氣動阻力系數(shù)的影響規(guī)律

圖8為車底前部控制槽采用抽吸方法時，不同橫擺角工況下，抽吸速度vC1對氣動阻力系數(shù)的影響規(guī)律。由圖可見：不同橫擺角工況下變化趨勢基本一致；隨著抽吸速度的增加，氣動阻力系數(shù)近似呈直線趨勢下降，在不同橫擺角工況下，最大降幅都在13.5%左右。

圖8 氣動阻力系數(shù)隨控制槽抽吸速度變化關(guān)系

圖9為尾部控制槽采用水平噴射方法時（α=0°），不同橫擺角工況下，噴射速度vC2對氣動阻力系數(shù)的影響規(guī)律。由圖可見：不同橫擺角工況下，氣動阻力系數(shù)變化規(guī)律基本一致，隨著噴射速度的增加呈先減小后增加的變化趨勢，但隨著橫擺角增加，氣動阻力降低幅度越來越??；在此范圍內(nèi)，氣動阻力最大降幅出現(xiàn)在β=0°、噴射速度vC2=30 m／s時，降幅為3.5%。

圖9 氣動阻力系數(shù)隨控制槽噴射速度變化關(guān)系

3 分析與討論

圖10為側(cè)風(fēng)工況下簡化底部和原車底部的底部流線圖，兩模型車底流動結(jié)構(gòu)相似，都是由于側(cè)面氣流和車底氣流失去附著后拖曳而成。由圖可見：簡化模型的車底氣流速度較高，在底部后端失去附著后，斜向上流動，受側(cè)面高速氣流拖曳，形成尾渦；而原車模型的車底氣流流速低且流動比較紊亂，在底部后端失去附著后，直接受側(cè)面高速氣流影響形成尾渦。需要引起注意的是，原車底部模型的右前輪腔和車底右側(cè)氣流流動更為復(fù)雜，較多的氣流從車底右側(cè)流出，且在背風(fēng)側(cè)下部誘導(dǎo)出了較強的渦流，該誘導(dǎo)渦直接匯集到尾渦之中，因此原車底部模型尾渦強度更大、耗散更慢。

圖10 底部流線圖（橫擺角β=15°）

圖11為簡化底部和原車底部模型的車底流速圖，從前軸開始，原車底部模型車底氣流速度明顯下降。氣流從車底前端向后端的流動過程，車身底部邊界層逐漸增厚，底部附件的存在會減小離地間隙，車底后部的邊界層延伸至地面，導(dǎo)致底部氣流通道變小，因此車底后部流動受阻，速度降低，壓力升高，原車底部模型的車底后端壓力明顯高于簡化底部，如圖12所示，導(dǎo)致氣動升力增加顯著，而車底前端壓力變化不明顯。后軸升力增加對后驅(qū)汽車的動力性和操縱穩(wěn)定性影響較大，必須加以控制。

圖11 底部速度圖（橫擺角β=15°）

圖12 車底壓力云圖對比（橫擺角β=15°）

通過以上分析可知，對于降低原車底部汽車模型氣動阻力的主要控制方法在于以下幾點：第一，避免高速氣流直接沖擊底部凹凸結(jié)構(gòu)；第二，減少進入汽車底部的高速氣流；第三，控制汽車底部紊亂氣流對汽車尾渦的影響。接下來將從主被動控制方案前后汽車周圍流場結(jié)構(gòu)變化分析減阻機理。

3.1 阻流板減阻機理分析

圖13～圖15為加裝阻流板前后整車流場結(jié)構(gòu)變化對比圖。由圖可知：當(dāng)橫擺角較小時，加裝阻流板后，尾渦形態(tài)沒有明顯變化，但左側(cè)拖曳渦變?。▓D13）；車尾壓力明顯增大，由尾部負壓產(chǎn)生的壓差阻力減小，因此車身氣動阻力明顯變??；且高速氣流不再直接沖擊車身底部凹凸結(jié)構(gòu)，車底零部件迎風(fēng)面壓力明顯減小，特別是前輪和右后輪（圖14）。此外，車底氣流速度提高，紊流度降低，車底渦量明顯減弱（圖15），壓力明顯降低，因此也有助于減小后軸氣動升力。車底渦量減弱，對尾渦的影響也會更小。

圖13 加裝阻流板前后尾渦和尾部壓力對比（橫擺角β=3°，阻流板高度H1=80 mm）

圖14 加裝阻流板前后車底壓力對比（橫擺角β=3°，阻流板高度H1=80 mm）

圖15 加裝阻流板前后車底和尾部渦量對比（橫擺角β=3°，阻流板高度H1=80 mm）

因此，當(dāng)橫擺角較小時，雖然阻流板自身會額外增加氣動阻力，但因其對降低車身、底部結(jié)構(gòu)和車輪的氣動阻力有較大的促進作用，因此整車氣動阻力明顯降低，與本人之前研究結(jié)論一致［13］；而當(dāng)橫擺角較大時，從車頭前部進入車底氣流減少，更多的氣流從車底側(cè)面進入底部，阻流板對改善底部氣流的作用效果減弱，其效果小于阻流板自身增加氣動阻力的作用，因此整車氣動阻力增加，如圖16所示。

圖16 氣動阻力系數(shù)隨阻流板高度變化關(guān)系（β=30°）

因此，阻流板對氣動阻力的減小量不僅與自身高度有關(guān)，而且與側(cè)風(fēng)狀態(tài)有關(guān)。它的減阻機理是通過改善車底流動狀態(tài)，使車身、底部結(jié)構(gòu)和前后輪氣動阻力均減小，但其自身也會額外增加氣動阻力。在實際車型設(shè)計中，可采用主動控制方式的阻流板設(shè)計方案，根據(jù)側(cè)風(fēng)狀況動態(tài)調(diào)節(jié)阻流板高度，以獲得最大程度的減阻效果。

3.2 側(cè)裙減阻機理分析

圖17～圖19為加裝側(cè)裙前后整車流場變化對比。當(dāng)橫擺角較小時，側(cè)裙對車底減阻效果較弱，且側(cè)裙會阻止車底氣流向車身兩側(cè)移動，迫使車底紊亂氣流向車尾流動，導(dǎo)致車尾渦量增加，壓力降低，車身氣動阻力增加；當(dāng)橫擺角較大時，側(cè)裙的減阻機理和阻流板類似，可避免高速氣流從車底側(cè)面直接沖擊底部凹凸部件，車底零部件迎風(fēng)面壓力明顯降低，如圖18所示。但側(cè)裙對車身和前后輪氣動阻力影響不大，降低程度不明顯。與加裝阻流板不同之處在于，側(cè)裙對車身氣動阻力的減阻效果較弱，因為它會抑制車底高速氣流向背風(fēng)側(cè)流動，背風(fēng)側(cè)渦量明顯減小，車底更多氣流向汽車尾部流動，車尾右側(cè)渦量明顯增強，如圖17和圖19所示。

圖17 加裝側(cè)裙前后尾渦和尾部壓力對比（橫擺角β=30°，側(cè)裙高度H2=60 mm）

圖18 加裝側(cè)裙前后車底壓力對比（橫擺角β=30°，側(cè)裙高度H2=60 mm）

圖19 加裝側(cè)裙前后車底和尾部渦量對比（橫擺角β=30°，側(cè)裙高度H2=60 mm）

隨著側(cè)裙高度的增加，側(cè)裙自身額外增加的氣動阻力較小，但它對降低車身和底部結(jié)構(gòu)的氣動阻力有很大的促進作用，特別是對底部結(jié)構(gòu)的影響，如圖20所示，因此整車氣動阻力明顯降低。但當(dāng)側(cè)裙高度進一步增加時，車底氣流向背風(fēng)側(cè)流動會受到進一步抑制，更多的氣流將向尾部流動，導(dǎo)致車身的氣動阻力增加，因此整車氣動阻力會有一定回升。

因此，側(cè)裙對氣動阻力的減小量不僅與自身高度有關(guān)，而且與側(cè)風(fēng)狀態(tài)有關(guān)。它的減阻機理是通過改善車底流動狀態(tài)，降低底部結(jié)構(gòu)氣動阻力，相對阻流板，側(cè)裙本身增加的氣動阻力很小，但在小橫擺角和側(cè)裙高度尺寸較大時，會抑制車底氣流向兩側(cè)流動，導(dǎo)致更多的氣流向車尾流動，增加車尾負壓，使車身氣動阻力增加。在實際車型設(shè)計中，可采用主動控制方式的側(cè)裙設(shè)計方案，根據(jù)側(cè)風(fēng)狀況動態(tài)調(diào)節(jié)側(cè)裙高度。如果與阻流板配合使用，在不同側(cè)風(fēng)工況下可獲得更好的減阻效果。

圖20 氣動阻力系數(shù)隨側(cè)裙高度變化關(guān)系（β=30°）

3.3 底部抽吸控制槽減阻機理分析

汽車前端氣流在保險杠附近受到阻滯，一部分氣流向發(fā)動機罩上方流動，另一部分氣流向底部流動，氣流在車底下面加速，因此在汽車前端迎風(fēng)面存在大面積的正壓區(qū)，前端底部有小面積的負壓區(qū)，如圖21和圖22所示。

圖21 車底主動抽吸控制前后車頭流場對比（橫擺角 β=0°，抽吸速度 v C1=60 m／s）

圖22 車底主動抽吸控制前后車頭壓力對比（橫擺角 β=0°，抽吸速度 v C1=60 m／s）

車底控制槽抽吸作用能改變汽車前端流場，抽吸控制效應(yīng)一方面能改變汽車前端流場的速度方向，另一方面能限制車底前端分離泡的發(fā)展，使進入底部的氣流在底部前端加速，如圖21所示，因此采用抽吸控制后，汽車前端正壓區(qū)面積有一定程度的減小，而前端底部負壓區(qū)明顯增大，車身壓差阻力明顯減小，如圖22所示。整車氣動阻力減小量主要來自于車身，主動抽吸控制對汽車底部結(jié)構(gòu)、前后輪氣動阻力影響不大，如圖23所示。

圖23 氣動阻力系數(shù)隨抽吸速度變化關(guān)系（β=0°）

底部抽吸控制槽對氣動阻力的降低量與抽吸速度有關(guān)，抽吸速度越大，減阻效果越明顯，其減阻機理是通過改變車身前端流場，降低車身氣動阻力。但采用抽吸控制方案會額外增加能耗，抽吸速度越大，能耗越高，在實際車型設(shè)計中，宜采用控制效率較高的方案。

3.4 尾部噴射控制槽減阻機理分析

汽車底部紊亂氣流與來自側(cè)面和頂部的拖曳渦相互作用，形成尾渦。通過尾部控制槽氣流噴射方法，可影響來自底部的紊亂氣流，進而改變尾渦的大小和尾跡區(qū)分布。采用噴射控制后，尾渦形態(tài)基本不變，但尾跡區(qū)大小和渦量有明顯減小，因此尾部壓力明顯升高，如圖24和圖25所示，氣動阻力減小。

圖24 車尾主動噴射控制前后尾渦和壓力對比（橫擺角 β=0°，射流速度 v C2=30 m／s）

圖25 車尾主動噴射控制前后渦量對比（橫擺角 β=0°、射流速度 v C2=30 m／s）

結(jié)合圖9可知，當(dāng)橫擺角較小時，采用水平噴射減阻效果明顯，但橫擺角較大時，尾渦朝背風(fēng)側(cè)移動，水平噴射減阻效果變?nèi)?，因為隨著橫擺角的增加，底部紊亂氣流沿著汽車尾部背風(fēng)側(cè)流出，氣流噴射對底部紊亂氣流控制逐漸失效。圖26為橫擺角β=24°、氣流噴射速度vC2=30 m／s時，氣流噴射角α（指噴射氣流方向與水平面的夾角）對氣動阻力系數(shù)的影響規(guī)律。尾部氣流噴射對前輪、后輪和底部結(jié)構(gòu)的氣動阻力影響很小，但車身氣動阻力系數(shù)隨著氣流噴射角的增加而減小，當(dāng)氣流噴射角α接近橫擺角β時，車身氣動阻力系數(shù)達到最小，整車氣動阻力降幅達到最大的4.7%。

圖26 氣動阻力系數(shù)隨尾部噴射角變化關(guān)系

因此，尾部噴射控制槽對氣動阻力的降低量不僅與水平噴射速度有關(guān)，而且還與橫擺角有關(guān)。它的減阻機理是通過控制汽車底部流場對尾渦的影響，減小車尾負壓，降低氣動阻力。在實際車型設(shè)計中，可采用主動控制方式的噴射方案，根據(jù)車速和側(cè)風(fēng)狀況動態(tài)調(diào)節(jié)氣流噴射的速度和角度，以獲得最大程度的減阻效果。

4 結(jié)論

（1）阻流板和側(cè)裙的減阻效果與橫擺角和自身高度有關(guān)，橫擺角一定時，存在一個最佳的高度，氣動阻力最小。橫擺角較小時，阻流板減阻效果更好；橫擺角較大時，側(cè)裙減阻效果更好。

（2）阻流板和側(cè)裙的組合減阻方案優(yōu)于單個減阻方案的減阻效果，當(dāng)橫擺角在0°～30°之間變化時，氣動阻力系數(shù)均存在不同程度的降低。

（3）底部抽吸控制槽能改變汽車前端流場，對降低車身氣動阻力效果顯著，氣動阻力隨著抽吸速度的增加而降低；尾部噴射控制槽能抑制車底氣流對尾渦的影響，減阻效果與橫擺角、噴射速度和噴射角度有關(guān)。橫擺角一定時，存在一個最佳的噴射速度和角度，氣動阻力最小。

（4）汽車運行過程中，側(cè)風(fēng)方向隨時改變，為了達到最優(yōu)的減阻效果，宜采用動態(tài)控制方法，根據(jù)橫擺角大小實時調(diào)節(jié)阻流板高度、側(cè)裙高度、噴射速度和噴射角度。