尾翼對(duì)汽車氣動(dòng)性能的影響

劉旺 侯路飛 顧君杰 王菁 王煥軍

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心）

在汽車的設(shè)計(jì)制造過程中，車身造型的演變與發(fā)展在很大程度上受汽車空氣動(dòng)力學(xué)和造型美學(xué)兩大因素的影響和支配?，F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)是在不斷追求氣動(dòng)性能優(yōu)化的同時(shí)追求個(gè)性化和多樣化。而在對(duì)汽車進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化的過程中，尾翼作為汽車的一種附加裝置表現(xiàn)出了良好的效果，因此汽車尾翼的設(shè)計(jì)和安裝就顯得尤為重要。文章通過模擬仿真分析，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)原理，驗(yàn)證了尾翼對(duì)于不同行車速度下整車氣動(dòng)性能的影響，為汽車尾翼的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 汽車尾翼的空氣動(dòng)力原理

當(dāng)汽車行駛在路上時(shí)，由于和空氣存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以除了受到地面對(duì)汽車的作用力外，還受到車外氣流對(duì)汽車的作用力，也就是氣動(dòng)力。嚴(yán)格來(lái)說汽車受到的總氣動(dòng)力應(yīng)該是汽車外表面每一點(diǎn)受到的氣動(dòng)力之和，為了簡(jiǎn)便起見，經(jīng)常把氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換到風(fēng)壓中心這個(gè)特殊的點(diǎn)上。氣動(dòng)六分力，如圖1 所示。

圖1 氣動(dòng)六分力示意圖

將氣動(dòng)力的作用點(diǎn)變換到汽車的質(zhì)心上，然后沿著坐標(biāo)系將氣動(dòng)力分解到X，Y，Z 三軸上[1]。在X，Y，Z 軸上的分力分別為氣動(dòng)阻力（Fd/N），即圖1 中的Fx；氣動(dòng)側(cè)向力（Fs/N），即圖1 中的Fy；氣動(dòng)升力（Fl/N），即圖 1 中的 Fz。

繞X，Y，Z 軸旋轉(zhuǎn)的力矩稱為側(cè)傾力矩，即圖1 中的 Mx，My，Mz。

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

v——?dú)饬魉俣龋琺/s；

S——迎風(fēng)面積，m2；

L——特征長(zhǎng)度，m；

Cd，Cl，Cs——風(fēng)阻系數(shù)，升力系數(shù)，側(cè)向力系數(shù)；

Cx，Cy，Cz——X 軸，Y 軸，Z 軸的側(cè)傾力矩系數(shù)。

其中，汽車升力的產(chǎn)生原理和機(jī)翼升力的產(chǎn)生原理基本相同。汽車行駛時(shí)，氣流流到汽車前方分為上下2 股，一股氣流沿著汽車上表面流到汽車尾部，另一股氣流沿著汽車下表面流到汽車尾部，如圖2 所示。由于汽車上半部分向上凸出將汽車表面的氣流向上擠壓，迫使汽車上半部分氣流管線收縮。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，當(dāng)氣流管線截面收縮時(shí)，流過這里的氣流速度加快。再根據(jù)伯努利方程，氣流速度大的地方壓力小，所以在氣流速度較快的車頂附近產(chǎn)生了低壓區(qū)。同時(shí)汽車車底，由于表面沒有明顯外凸物，流過此處的氣流沒有明顯加速，相對(duì)于車頂，車底壓力較大，這就在車身上下形成了壓差，即氣動(dòng)升力產(chǎn)生的主要原因。

圖2 汽車升力產(chǎn)生示意圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

不考慮側(cè)向風(fēng)的影響，可認(rèn)為流場(chǎng)以車身中心面為中心成左右對(duì)稱狀態(tài)。為全面分析尾翼對(duì)氣動(dòng)特性的影響，以某車型為例，利用STAR-CCM+仿真工具對(duì)速度為 30，50，70，90，110 km/h 時(shí)的有尾翼和無(wú)尾翼2 種模型進(jìn)行模擬對(duì)比計(jì)算[2]。不同速度下的車身阻力系數(shù)和升力系數(shù)，如圖3 和圖4 所示。由圖3 和圖4 可知，對(duì)于驗(yàn)證模型有無(wú)尾翼的2 種狀態(tài)，隨著速度的增加，阻力系數(shù)呈減小趨勢(shì)，而升力系數(shù)呈增大趨勢(shì)，有尾翼的模型相對(duì)于無(wú)尾翼的模型起到了明顯的氣動(dòng)優(yōu)化效果，阻力系數(shù)和升力系數(shù)均小于無(wú)尾翼狀態(tài)。

圖3 不同速度下車身阻力系數(shù)曲線

圖4 不同速度下車身升力系數(shù)曲線

當(dāng)車速為120 km/h 時(shí)，有尾翼和無(wú)尾翼2 種車身縱向?qū)ΨQ面的速度矢量圖，如圖5 所示。由圖5a 可知，汽車尾部由于壁面邊界層流動(dòng)，與其死水區(qū)之間形成剪切層而被卷吸，于是在汽車后部形成大尺度的旋渦[3]。能量迅速消耗，從而使尾流的壓強(qiáng)減小，引起了壓差阻力，在距離汽車尾部的一定距離，氣流出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，隨著距離的增大，速度損耗越來(lái)越小，直到距離汽車較遠(yuǎn)處，速度接近來(lái)流速度。由圖5b 可知，雖然尾翼本身也形成旋渦，但旋渦非常小，從而減小了能量耗散和壓差阻力，這與圖3 和圖4 的計(jì)算結(jié)果吻合。

圖5 汽車速度（120 km/h）矢量圖

對(duì)于升力變化，由圖5a 可知，無(wú)尾翼狀態(tài)下，汽車前窗和后窗分別與車頂交界處，以及轎車頂部附近3塊區(qū)域，其氣流明顯形成高速區(qū)，產(chǎn)生負(fù)壓，形成升力。來(lái)流速度越快，負(fù)壓越明顯，升力越大，嚴(yán)重影響汽車行駛穩(wěn)定性。由圖5b 可知，加裝尾翼后，高速區(qū)來(lái)流速度減慢，壓差減小，同時(shí)在尾翼與汽車尾部形成高速區(qū)，使得尾翼處于受壓狀態(tài)，從而起到了對(duì)整車的增壓效果。這與圖3 和圖4 的計(jì)算結(jié)果也是吻合的。

3 結(jié)論

文章利用仿真手段證明了汽車尾翼對(duì)于節(jié)能減排及提高汽車操縱穩(wěn)定性的積極意義。由于文章分析的前提是忽略側(cè)向風(fēng)對(duì)汽車氣動(dòng)性能的影響，而實(shí)際上汽車在行駛過程中無(wú)法避免側(cè)向風(fēng)的影響，所以如何得到該體系的精準(zhǔn)結(jié)果還有待進(jìn)一步研究。