某SUV后部擾流附件的氣動性能研究

任 超，吳海波，陳 蒨

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

近年來，隨著油耗和排放法規(guī)越來越嚴苛，目前國Ⅵ的排放法規(guī)已切換至WLTP，而從2021年起，油耗的測試工況也將從NEDC切換至WLTP，這也給車企帶來了更大的壓力和更嚴峻的挑戰(zhàn)。新法規(guī)要求企業(yè)在汽車的研發(fā)中，不僅要考慮汽車的穩(wěn)定性、安全性，更要注重如何節(jié)能減排，提高燃油經濟性。而作為重要途徑之一，提升汽車的空氣動力學性能也變得更加重要。

汽車所受到的風阻主要來自于壓差阻力，而大部分的壓差阻力都來自車身后部，因此，作為汽車最重要的空氣動力學套件之一，后部的擾流附件有著改善汽車尾流結構、提升整車空氣動力學性能的顯著作用[1]。目前國內外有大量針對汽車后擾流板的研究，但其中很多是基于簡化模型[2-7]，并非真實的復雜車型，這也給研究結果帶來了一定的不確定性。而且隨著技術的進步和汽車空氣動力學的發(fā)展，近幾年在各大知名整車廠發(fā)布的新車型中，特別是SUV和兩廂車，可以看到很多新穎、獨特的尾部擾流板[8]，且越來越多的車型安裝了側擾流板。

朱忠華等[9]利用試驗與仿真對真實的復雜車型展開研究，分析了后擾流板角度的變化對阻力和升力的影響，并且找到了使阻力和升力都處于最優(yōu)狀態(tài)的角度。何浩然等[10]基于某MPV車型，延長了后擾流板并加裝側擾流板，降低整車風阻系數最大達到0.008，結果表明延長后擾流板有較好的減阻效果，但是到一定長度后繼續(xù)延長則效果減弱，而側擾流板的效果明顯優(yōu)于延長后擾流板。

BAJPAI等[11]分析了某款兩廂車延長后擾流板和C柱擾流板對風阻帶來的優(yōu)化，并且采用了響應面法分析了不同設計變量對風阻的影響，但是缺少試驗的驗證。KREMHELLER[12]針對某SUV車型的開發(fā)，提出了優(yōu)化后擾流板需要保證尾渦平衡的結論，此外還發(fā)現增加D柱擾流板可以有效減小D柱旋渦的形成。IINUMA等[13]也設計了一種新型C柱擾流板，有效地控制了C柱尾渦的位置，改善了小偏角下的升力性能。STERKEN等[14]基于一款SUV車型，研究了延長后擾流板在不同偏轉角下對阻力和前后升力的影響，并且通過在擾流板上增加凸起特征進一步降低了偏轉角下的后升力，提高了側風穩(wěn)定性。

這些研究針對汽車后部擾流附件進行了詳盡的分析和論證，而且表明了側擾流板對于降低風阻的重要性（以上研究中所提到的C/D柱擾流板本文中統(tǒng)稱為側擾流板），但針對多個方案的分析和試驗研究并不充分，關于后擾流板和側擾流板相互關系的討論也較少，且在改善風阻的同時，不同擾流附件對升力的影響也需要更深入的研究。

本文基于上汽大眾某款SUV車型的開發(fā)，通過仿真計算與風洞試驗相結合的方法，重點研究了14種后擾流板和側擾流板的優(yōu)化方案，分析了不同方案的減阻機理，以及不同擾流板組合方式對氣動性能的影響規(guī)律，為相似車型的空氣動力學開發(fā)和優(yōu)化提供了參考依據。

1 擾流附件優(yōu)化方案

該SUV上代車型后擾流板較短，沒有側擾流板，且由于自身特點，具有較大的迎風面積，風阻處于較高水平。因此，在新款車型的開發(fā)中重點考慮了該區(qū)域的優(yōu)化。后擾流板共有4種加長方案，而側擾流板有兩種方案，分別如圖1和圖2所示。本文通過仿真計算和風洞試驗分別對14種組合方案展開了研究，見表1。

圖1 后擾流板方案截面圖

圖2 側擾流板方案

表1 擾流板優(yōu)化方案

2 數值仿真計算

2.1 計算模型

該幾何模型包括了整個外表面細節(jié)特征、底盤、懸掛、排氣等結構，與試驗車輛保持一致，且封閉了前格柵以減少發(fā)動機艙對尾流的影響。采用Fluent Meshing對幾何進行包面并生成Hexcore六面體網格，針對阻力敏感區(qū)域進行網格局部加密，并計算根據初場進行網格自適應加密生成的12層邊界層，以滿足Y+值≤2的要求，最終生成的體網格量約為1.3億個。計算域中截面網格如圖3所示。

圖3 計算域中截面網格

計算域的設置盡可能地還原了同濟大學上海地面交通工具風洞中心的試驗段，足夠大的尺寸以消除計算域邊界對流場的影響。計算域地面設置了中央移動帶和輪帶以模擬風洞地面的五帶系統(tǒng)，并且在移動帶前方設置了無摩擦區(qū)域以還原邊界層抽吸系統(tǒng)。輪轂區(qū)域采用了多重參考系(MRF)來模擬車輪的旋轉以保證車輪周圍氣流的真實性。具體邊界條件設置見表2。

表2 計算域邊界條件設置

2.2 湍流模型

本文中的仿真計算基于通用CFD軟件Fluent，采用的湍流模型為GEKO模型(Generalizedk-ω)， 該模型是一種基于k-ω的雙方程模型，相比于傳統(tǒng)模型，它提供了自由參數，具有更高的靈活性，用戶可根據特定類型的應用調整這些參數，且不會對模型的基本校準產生負面影響[15]。此外，對于離散方程的求解選擇基于壓力的Coupled算法，其具有更高的計算效率和更快的收斂速度，控制方程中動量、湍動能和湍流耗散率的離散格式為二階迎風。

3 仿真結果分析

3.1 后擾流板長度對風阻的影響

由于后擾流板和側擾流板都是尾部風阻敏感區(qū)域，為了對其進行詳盡且透徹的研究，深入了解流場的變化，先對其各自單獨的作用進行分析，之后再對彼此的相互作用展開分析。全部方案1～14的仿真計算結果如圖4所示。

圖4 方案1～14仿真計算結果

在不加裝側擾流板的時候，4種長度方案均有減阻效果，且呈現出逐漸增大的趨勢，但是總體效果非常有限，后擾流板加長150 mm時風阻系數僅降低0.003。如果加裝了側擾流板，可以看到相似的趨勢變化，風阻將隨著后擾流板的延長而降低，但此時的減阻效果大大高于不帶側擾流板的方案。其中加裝兩種側擾流板時，最大風阻系數降低量分別為0.008和0.010。

圖5為方案1～4的尾部壓力系數分布云圖，可以看出后窗區(qū)域的壓力系數隨著后擾流板的延長而逐漸增加，因此減少了整車前后的壓差，降低了阻力。

圖5 不同后擾流板方案尾部壓力系數分布

圖6為y0截面x向速度分布云圖，為了便于觀察尾渦變化趨勢，這里僅對比原始造型和最長的后擾流板方案。對比顯示，延長后擾流板使氣流流向發(fā)生了順時針的偏轉，來自頂部的氣流被引導至更低的位置，并延遲了分離。因此，尾渦的尺寸得到了縮小，從而減少能量的耗散，提高了壓力恢復[16]。

圖6 y0截面x向速度分布

圖7通過流線圖進一步分析了尾渦的變化?？梢钥吹絹碜皂敳?、兩側和底部的氣流在尾部相互作用，在縱截面上形成了兩個較大的旋渦，而控制好這對旋渦的尺寸，保證其平衡，是優(yōu)化尾部阻力的關鍵。圖中原始造型上方的旋渦略大于下方，紅色三角形標出了兩個旋渦的渦心點，而延長了后擾流板，這對縱向渦的尺度更加相似，也達到了更好的平衡，上方旋渦的渦心（綠色圓點）向斜后方發(fā)生了位移，而下方渦心向上發(fā)生了微小的位移。

圖7 y0截面流線分布

3.2 側擾流板對風阻的影響

在不加長后擾流板時，僅對比側擾流板對風阻的影響，計算結果顯示兩種側擾流板均有一定的減阻效果，分別為0.0022和0.0028。圖8為方案5和10的尾部壓力系數分布，可以看出加裝側擾流板后，后窗區(qū)域的壓力系數有一定降低，但是后保險杠處壓力系數則明顯升高，且長側擾流板高于短側擾流板。

圖8 不同側擾流板方案尾部壓力系數分布

圖9為側擾流板處水平截面速度分布，可以看出側擾流板類似地起到了延遲氣流分離的作用，且縮小了上方尾渦的尺寸。但出于造型原因，側擾流板上邊界必須與后擾流板相匹配，此時后擾流板并未延長，所以導致側擾流板的造型面與來流方向角度較大，這對于控制氣流強制分離有一定的負效果，從而造成了后窗上壓力恢復的減小。

圖9 側擾流板水平截面速度分布

圖10左側顯示了總壓系數為0的等值面，該圖可以直觀地看出尾渦的尺寸大小。在側擾流板的幫助下，尾渦變得更加收縮聚攏，減小了能量的耗散。而右側為車身后方橫截面總壓系數的分布，可以看到圈中來自D柱的旋渦得到了有效的控制，相比于原始造型均有明顯的縮小，位置也更加向下和中心靠攏，且方案10對于D柱旋渦的抑制要好于方案5。

圖10 不同方案總壓系數等值面圖（左）和 尾部橫截面總壓系數分布（右）

圖11通過后保險杠水平截面的速度分布進一步說明了該區(qū)域靜壓升高的原因，由于側擾流板對來自D柱氣流的引導，使D柱旋渦更加靠中心向下，正好抑制了后保險杠兩側氣流流向中心的趨勢，使氣流分離得更加干凈徹底，也縮短了尾渦的長度，提高了壓力恢復。

圖11 后保險杠水平截面速度分布

3.3 后擾流板和側擾流板的相互作用

以上分別針對延長后擾流板和加側擾流板對風阻的影響進行了分析，但是從計算結果中可以看到，單獨優(yōu)化某一擾流板所帶來的減阻效果都是有限的。如圖12所示，在兩種擾流板的共同作用下，減阻效果明顯增加，出現了“1+1大于2 ”的現象。由此可見，兩種擾流板具有相互促進的關系。

圖12 不同擾流板方案對風阻影響的變化

為了從流場中分析清楚產生這一現象的原因，選取原始造型和方案14進行對比。圖13為兩者尾部壓力系數分布云圖，可見延長后擾流板且加裝側擾流板后，不僅改善了后窗區(qū)域的壓力，而且保險杠處的高壓區(qū)也隨之增加，所以減阻效果會明顯增大。

圖13 不同后擾流板方案尾部壓力系數分布

如圖14為兩方案的湍動能等值面圖，湍動能取值為40 m2/s2，該圖直觀地顯示了湍動能的耗散程度?？梢娫趦煞N擾流板的作用下，大大改善了尾部后窗區(qū)域的能量耗散。

圖14 湍流動能等值面圖

在圖15的流線圖對比中，原始造型可以明顯看到來自頂部和側方氣流所形成的D柱旋渦，而在擾流板的作用下，頂部和側邊的氣流被更好地梳理，均延遲了分離，抑制了兩股氣流的交互，并使其快速地向后方流出，改善了D柱旋渦的形成。根據以上分析，較長的后擾流板及側擾流板可以在三側改善氣流，在得到干凈的氣流分離外，控制了尾渦的整體大小，大大提高了壓力恢復，降低了風阻。

圖15 擾流板處流線圖

4 風洞試驗

為了驗證以上計算結果的準確性，對全部方案進行了風洞試驗。如前文所述，所有的試驗均在同濟大學風洞中心進行，并開啟了五帶系統(tǒng)和邊界層去除系統(tǒng)，以保證真實的底部氣流。試驗模型基于1∶1的實車進行，并對后部區(qū)域進行了局部改造，優(yōu)化方案采用油泥加ABS樣件，試驗車輛及局部模型如圖16所示。

圖16 風洞試驗車輛及模型局部

4.1 試驗結果分析

試驗中不同擾流附件方案的風阻系數與仿真結果的對比見表3，其中數據均作了歸一化處理?？梢钥吹椒抡嬷懈鱾€方案都與試驗趨勢保持一致，且差別較小。

表3 風阻系數的試驗和仿真結果

圖17為試驗與仿真結果的誤差分析，圖中實線斜率為1，落在該線上說明仿真與試驗的結果完全一致。而兩條虛線為誤差±0.5%的界限，可以看到絕大多數的點處于這個范圍內，說明大多數方案的誤差不超過±0.5%。其中最大誤差為方案11的0.56%，而試驗中樣件的安裝誤差可能是造成該方案誤差較大的原因。該模型0.5%的阻力相當于0.0017的風阻系數，因此，可以近似地認為所有方案計算與試驗的誤差均不大于0.002。總體來看計算結果與試驗具有較好的一致性，誤差在可接受范圍內。

圖18為不同方案減阻效果的仿真與試驗結果對比，從中可以看到減阻效果的變化趨勢，雖然計算誤差不超過0.002，但是試驗中方案4和9的變化趨勢與計算不同。這兩個方案的減阻量并沒有隨后擾流板的加長而變大，初步分析與試驗中油泥的變形有關，且在樣件的多次換裝過程中，可能存在安裝誤差。除此之外，其他方案的變化趨勢與計算較為吻合，因此，可以認為通過計算所獲得的流場信息較為準確。

圖18 試驗和仿真風阻系數差值的對比

4.2 不同擾流板方案對升力的影響

雖然本文的重點是研究擾流附件對風阻的影響，但是對于SUV車型，升力也是不得不考慮的重要因素，其直接影響著汽車的穩(wěn)定性。而后部擾流板的變化也會對升力產生巨大的影響，尤其是后升力。由于升力計算一般誤差較大，所以并沒有對仿真和試驗的升力結果進行對比，而是根據試驗結果來分析不同擾流板方案對升力的影響。

圖19為不同擾流板方案對前后升力的影響，可以看到所有方案的前升力系數變化總體很小，且隨著后擾流板延長和加側擾流板呈現出降低的趨勢，總的降低量不超過0.003。與此同時，后升力則顯示出巨大的變化，所有方案的后升力系數都呈現出上升的趨勢，方案14的升高量最大，達到0.024。而后升力增加勢必會影響汽車的行駛姿態(tài)，從而導致前升力有了小幅的降低。

圖19 不同擾流板方案對前后升力的影響

為了深入研究不同側擾流板和后擾流板對后升力的影響規(guī)律，如圖20所示，首先，在不延長后擾流板時，可以看到兩種側擾流板對后升力的影響基本相同，且后升力系數增加較小，僅為0.004。而在無側擾流板時，僅延長后擾流板使后升力系數最大增加了0.012，可見后擾流板的更改對后升力的影響要遠遠大于側擾流板。

圖20 不同擾流板方案對后升力的影響對比

其次，在不同側擾流板下，后升力都隨后擾流板的延長而增加，且增加趨勢較為線性，帶側擾流板方案的后升力都高于無側擾流板的方案。而在長側擾流板下擬合線的斜率最大，也說明在此方案下，延長后擾流板使后升力增加最快，增加量也是最大的。根據前文仿真計算的分析，延長了后擾流板會延遲氣流分離，使流過車頂后方的氣流加速、壓力降低，因此，后部車頂與車底的壓差減小，導致了后升力的增加；而側擾流板位于車身兩側，雖然也會加速氣流，使兩側的氣流壓力降低，但是作用到升力方向的影響顯然較小。

5 結論

本文基于上汽大眾某款SUV車型，討論了不同后擾流附件對于車輛氣動性能的影響，通過數值計算與風洞試驗的綜合研究，結果表明，最佳的擾流板組合能夠改善尾跡區(qū)域的流動結構，實現整車減阻優(yōu)化效果。具體結論如下：

（1）加裝后擾流板可以延遲來自車頂的氣流分離，并且使分離渦渦核位置遠離車尾、渦尺度減小，從而提高了車輛尾部的靜壓分布，起到減阻作用。隨著后擾流板長度增加，減阻效果逐漸增強，但增強的趨勢變慢，最終的減阻效果有限，最大減阻量不到1%。

（2）加裝側擾流板能夠有效抑制D柱分離渦強度，使兩側氣流分離更加徹底，改善了保險桿處的壓力回升，且長側擾流板的效果優(yōu)于短側擾流板。但是由于受到造型的限制，僅加裝側擾流板會損失一定的后窗壓力，所以減阻量依然有限，最大減阻量約為1%。

（3）同時安裝后擾流板和側擾流板，能夠從車頂和兩側同時延遲氣流分離，最大程度上抑制尾跡區(qū)渦結構尺度，使縱向和橫向渦對更加平衡，改善了背壓分布，整車減阻效果顯著提升，最大減阻量可以達到約3%。

（4）本文的擾流板方案在實現減阻的同時均會帶來后軸升力一定程度的增大。其中后擾流板對后升力的影響較大，且隨后擾流板的延長而顯著升高，側擾流板的影響較小，但總體影響在可接受范圍之內。

根據本文的研究結果，SUV車型在加裝尾部擾流附件時，必須要同時考慮后擾流板和側擾流板，以挖掘最大的減阻優(yōu)化潛力。而優(yōu)化風阻的同時，對升力的影響也是不容忽視的，本文沒有進一步優(yōu)化升力，未來需要繼續(xù)研究探討。此外，過長的后擾流板在降低風阻的同時，可能會影響后窗視野區(qū)，雖然本文沒有提及，但是今后在優(yōu)化后擾流板時必須要考慮。