階背車尾部結(jié)構(gòu)對(duì)尾流場(chǎng)氣動(dòng)特性影響的仿真分析

屈 賢，余 烽，張金龍

（1. 重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與交通學(xué)院，重慶 402260，中國；2. 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶大學(xué)，重慶 400044，中國）

隨著汽車對(duì)能源消耗日益增加，節(jié)能減排已成為汽車技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其中氣動(dòng)減阻是汽車結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)。有文獻(xiàn)指出車速達(dá)150 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力相當(dāng)于滾動(dòng)阻力的2～3倍[1]，在經(jīng)濟(jì)性方面，氣動(dòng)阻力所消耗的燃油與車速的立方成正比[2]。汽車氣動(dòng)特性與其外流場(chǎng)緊密相關(guān)，而汽車尾流場(chǎng)是整車外流場(chǎng)的重要部分，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)由尾部造型決定[3-5]，因此研究尾部結(jié)構(gòu)對(duì)尾流場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)車尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小氣動(dòng)阻力具有重要意義。

針對(duì)汽車尾部結(jié)構(gòu)對(duì)尾流場(chǎng)特性的影響，已有大量研究。劉成曄等[6]對(duì)階背車尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，具體分析車尾結(jié)構(gòu)對(duì)尾流場(chǎng)的影響，指出汽車尾渦源頭是后視窗頂部分離流與來自后柱兩側(cè)的氣流相互作用產(chǎn)生的。張之豪等[7]則利用自動(dòng)“粒子影像測(cè)速”（particle image velocimetry，PIV）技術(shù)對(duì)DrivAer汽車模型的三維尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，重構(gòu)出了三維平均速度場(chǎng)和尾渦結(jié)構(gòu)分布，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、控制和優(yōu)化尾流結(jié)構(gòu)提供了詳細(xì)的流場(chǎng)信息。一些學(xué)者提出在車尾部采用主動(dòng)射流的方法來改善汽車尾流結(jié)構(gòu)，減小氣動(dòng)阻力[8-10]。主動(dòng)射流技術(shù)在有效減小氣動(dòng)阻力的同時(shí)，一定程度上會(huì)增加能量消耗。而汽車尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與汽車尾部造型緊密相關(guān)，通過優(yōu)化汽車尾部結(jié)構(gòu)來改善汽車的氣動(dòng)特性，是汽車氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要研究點(diǎn)。

文獻(xiàn)[11]指出：階背式汽車后備箱蓋板至地面距離應(yīng)適當(dāng)增高，長度適當(dāng)縮短，后輪之后的車身底部應(yīng)設(shè)計(jì)成微上翹結(jié)構(gòu)。同濟(jì)大學(xué)楊志剛等[12]對(duì)包括尾部上翹角和后風(fēng)窗傾角在內(nèi)的車身典型角度進(jìn)行數(shù)值模擬研究，表明尾部上翹角及后風(fēng)窗傾角對(duì)氣動(dòng)阻力的影響分別排在2、3位。Lee等[13]在重型車輛尾部加裝具有傾斜導(dǎo)流板的船尾形裝置來改善其尾流場(chǎng)。而朱暉等[14]采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真方法，對(duì)氣動(dòng)阻力受車尾水平收縮的影響規(guī)律進(jìn)行研究。袁志群等[15]則在車底設(shè)計(jì)側(cè)裙和尾部氣流控制槽，通過底部氣流引導(dǎo)，改善汽車尾流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)減阻目的。

以上研究多從車尾關(guān)鍵結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)車尾流場(chǎng)機(jī)理進(jìn)行細(xì)致研究，為汽車尾部氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了有力的理論指導(dǎo)。但汽車尾部結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜整體，尾流場(chǎng)是車尾不同部位分離流相互影響的結(jié)果。

本文考慮結(jié)構(gòu)間的相互影響，分析不同尾部結(jié)構(gòu)對(duì)汽車尾流場(chǎng)的影響，并基于車尾整體結(jié)構(gòu)角度，研究汽車尾部氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)汽車尾部氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 車身CFD仿真設(shè)計(jì)

1.1 基本模型描述

汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為簡(jiǎn)化汽車氣動(dòng)特性分析，各種類車體模型被廣泛用于汽車外流場(chǎng)的特性研究[9,12,19-20]，大大提高了汽車氣動(dòng)特性的研究效率。本文基于階背模型MIRA（motor industry research association），利用具有良好可視化后處理的Star-ccm+軟件對(duì)階背車的尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。標(biāo)準(zhǔn)階背模型MIRA及尾部相關(guān)尺寸參數(shù)如圖1所示[15-16]，其中后窗和側(cè)窗與水平的夾角分別為45°和75°，后備箱長730 mm，車尾底部上翹10°。

圖1 階背模型MIRA基本尺寸示意圖

1.2 仿真方案設(shè)置

本文主要研究汽車尾部流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律，不涉及非定常流動(dòng)和側(cè)風(fēng)等不對(duì)稱因素，故取汽車半車模型仿真計(jì)算，而汽車后部的計(jì)算域空間需足夠長，以滿足湍流的充分發(fā)展。根據(jù)SAEJ1252推薦[18]，模型風(fēng)洞的阻塞比要小于5%，即汽車正面投影面積與試驗(yàn)段橫截面之比小于5%。參考該標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[19]，計(jì)算域尺寸設(shè)置為：計(jì)算域前端3倍車長，后端7倍車長，側(cè)面3倍車寬，頂部為4倍車高。且考慮到汽車與路面接觸時(shí)，輪胎會(huì)發(fā)生變形，將計(jì)算域底面向上移動(dòng)相應(yīng)尺寸，以提高仿真真實(shí)性。

計(jì)算網(wǎng)格使用切割體網(wǎng)格，體網(wǎng)格由里向外分為4層分層加密，并在車尾區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格密度依次為15、45、90、150、240 mm。車身近壁面及車身底部地面劃分邊界層網(wǎng)格，邊界層數(shù)為8層，近壁面第一層的厚度為0.1 mm，總厚度為3 mm。整個(gè)仿真計(jì)算域共計(jì)生成切割體網(wǎng)格數(shù)480多萬，其中遠(yuǎn)離車身模型區(qū)域的最大體網(wǎng)格為0.512 m3，車身周圍最大體網(wǎng)格為26 mm3，最小體網(wǎng)格為1.72×10-4mm3。計(jì)算域及網(wǎng)格模型，如2圖所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格及加密

仿真中選擇具有較高計(jì)算精度的SSTK-ω模型[19]進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)定汽車正前方計(jì)算域壁面為速度入口，遠(yuǎn)離汽車的后方計(jì)算域壁面為壓力出口，汽車頂部及側(cè)面計(jì)算域邊界為滑移壁面，半車身及汽車底部計(jì)算域邊界為非滑移壁面。為消除仿真中風(fēng)與地面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，設(shè)定地面的移動(dòng)速度與風(fēng)速相同，半車身對(duì)稱面所在的計(jì)算域壁面為對(duì)稱面[19]。各邊界條件設(shè)定，見表1。

表1 邊界條件設(shè)置

2 階背車尾流場(chǎng)分析

2.1 數(shù)值仿真分析

文獻(xiàn)[16-17]中，不同風(fēng)洞試驗(yàn)所得的氣動(dòng)阻力系數(shù)相近，但氣動(dòng)升力系數(shù)偏差較大，故本文采用氣動(dòng)阻力因數(shù)(Cd)與文獻(xiàn)[16-17]中的風(fēng)洞測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體結(jié)果如圖3所示。圖4給出了MIRA模型的縱向?qū)ΨQ面上流速分布。

圖3 阻力因數(shù)仿真值與風(fēng)洞數(shù)據(jù)比較

圖4 標(biāo)準(zhǔn)階背MIRA對(duì)稱面流速分布圖

圖3中IVK、TJ-2、及HD-2所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)柱為斯圖加特大學(xué)IVK風(fēng)洞、同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞及湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞等試驗(yàn)的阻力因數(shù)(Cd)[16-17]。本文仿真得到的Cd為0.313，相對(duì)IVK、TJ-2及HD-2風(fēng)洞試驗(yàn)的Cd，相對(duì)誤差分別為2.19%、3.55%及2.85%?？紤]計(jì)算誤差、試驗(yàn)風(fēng)速及風(fēng)洞試驗(yàn)差異性等影響，可以認(rèn)為：仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，具有較高的可信性。

由圖4可見：氣流在車頂后緣發(fā)生分離，車的后窗與后備箱之間在上部分氣流作用下產(chǎn)生一個(gè)較大的渦旋；后備箱后部由于上下分離流的共同作用形成了向后拖拽的尾渦。這種尾流特點(diǎn)與文獻(xiàn)[20]中的仿真結(jié)果相似，且與湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞試驗(yàn)的PIV試驗(yàn)結(jié)果較為吻合[17]。綜合氣動(dòng)阻力因數(shù)及階背MIRA對(duì)稱面尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性分析，可以得出本文的數(shù)值仿真具有較好的準(zhǔn)確性。

2.2 階背車尾流場(chǎng)分析

階背車尾部呈現(xiàn)明顯階梯狀，為探究影響尾流場(chǎng)的主要車尾結(jié)構(gòu)，對(duì)尾流場(chǎng)的形成過程進(jìn)行分析。圖5從不同視角呈現(xiàn)了尾部流線圖，反映了近車身尾表面氣流的流動(dòng)特性。

由圖5a可見，在后窗與后備箱之間存在較大的緊貼后窗的渦旋，而后備箱后部也存在明顯的渦旋，并在上下分離流作用下向后拖拽，在后備箱后部形成一片較大的紊流區(qū)。結(jié)合圖5b可見，后窗與后備箱之間的渦旋呈對(duì)稱分布，是側(cè)窗分離流與車頂分離流共同作用的結(jié)果。由于側(cè)窗及后窗傾角的存在，兩側(cè)氣流在側(cè)窗后緣分離時(shí)，上部氣流分離較早，向中間匯合，卷動(dòng)后窗與后備箱之間的空氣，形成一對(duì)渦旋；在車頂分離流作用下，這對(duì)渦旋被壓縮在后窗與后備箱之間并附著在后窗。

圖5b中車尾后部，側(cè)窗分離流受車頂分離流影響而向下發(fā)展，在后備箱后緣折回向外在車尾上部形成渦旋；車底分離流在側(cè)面分離流作用下，在尾部下外側(cè)卷起渦旋，上下部渦旋在一起形成大的馬蹄狀尾渦。結(jié)合圖5c和5d可知，由于車尾上翹角的存在，底部及車身側(cè)面下部的氣流先發(fā)生分離，并向中間聚合，但聚合速度慢于側(cè)窗分離流，在車尾下部的外側(cè)形成渦旋，同時(shí)將車尾的馬蹄渦向后拖拽。

圖5 階背車車尾流線圖

由分析可知后窗與后備箱之間的渦旋主要受到頂部及側(cè)窗分離流影響，而尾部渦旋則主要受底部及車身上部分離流的影響，而這些分離流主要與側(cè)窗、車頂、后窗、后備箱、車底的尾部上翹角等尾部結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)這些車尾結(jié)構(gòu)來改善車尾流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)提高汽車氣動(dòng)特性的目的。

3 階背車尾部結(jié)構(gòu)對(duì)尾流場(chǎng)影響

3.1 單車尾結(jié)構(gòu)變化的影響

根據(jù)上節(jié)分析，本節(jié)定義側(cè)窗傾角為γ、車頂傾角為δ、后窗傾角為θ、后備箱長度為l及尾部上翹角為β，具體研究它們對(duì)尾流場(chǎng)的影響，同時(shí)考慮設(shè)置車尾端面傾角α，對(duì)分離的氣流進(jìn)行引導(dǎo)，基于階背MIRA模型，具體車尾結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。

圖6 車尾各結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

由圖6可知：這些結(jié)構(gòu)分別位于車身的上下左右及后部端面，是一個(gè)完整車尾造型的基本結(jié)構(gòu)。對(duì)比實(shí)際車身的人機(jī)工程要求及考慮車身內(nèi)部空間舒適性[21]，各尾部結(jié)構(gòu)分5種取值工況，對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 車尾結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

由于尾部結(jié)構(gòu)改變對(duì)車身前部流場(chǎng)影響較小，因此尾部結(jié)構(gòu)改變引起的氣動(dòng)特性變化主要是由于尾流場(chǎng)變化所致。研究中以Cd和Cl來表征尾流場(chǎng)的變化。圖7顯示了不同尾部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)Cd與Cl的影響。

由圖7可知，β對(duì)Cd的影響最大，隨著β增加，Cd先下降再上升；θ對(duì)Cd影響較大，Cd隨θ增加先迅速下降，然后緩慢上升；δ與α對(duì)Cd的影響也較為明顯；γ與l對(duì)Cd的影響較小。

圖7中，負(fù)號(hào)表示氣動(dòng)升力方向向上。由圖可知?dú)鈩?dòng)升力因數(shù)Cl隨尾部上翹角β的增大而迅速增加；后窗傾角θ的增加則有利于減小Cl；其他尾部參數(shù)對(duì)Cl的影響則相對(duì)較小。

圖7 不同尾部結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)特性的影響

以上分析揭示了階背車尾部結(jié)構(gòu)對(duì)汽車氣動(dòng)特性的基本影響規(guī)律，但車尾是一個(gè)整體，為更細(xì)致地分析尾部結(jié)構(gòu)的影響，指導(dǎo)車尾氣動(dòng)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還應(yīng)該考慮不同結(jié)構(gòu)之間的相互影響，因此本文進(jìn)一步采用正交優(yōu)化試驗(yàn)方法對(duì)階背車尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

3.2 車尾結(jié)構(gòu)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，在眾多因素與水平中根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)具有較強(qiáng)代表性的少數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行研究，摸清各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，并確定因素影響的主次順序，找出最佳參數(shù)組合。

由圖7可知：Cd受尾部結(jié)構(gòu)影響較Cl更為明顯。為細(xì)化尾部結(jié)構(gòu)影響研究，分析最優(yōu)化的尾部結(jié)構(gòu)組合，以圖7中Cd最小對(duì)應(yīng)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)優(yōu)選值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)常用正交試驗(yàn)表L25(56)[21]，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行微調(diào)整，確定各因素變化水平，具體的水平值如表3所示。

表3 正交因素水平表

結(jié)合表3中的水平值與正交試驗(yàn)表L25(56)建立不同尾部結(jié)構(gòu)的車身模型，首先進(jìn)行車身氣動(dòng)阻力因數(shù)Cd及升力因數(shù)Cl的數(shù)值計(jì)算，采用氣動(dòng)阻、升力因數(shù)極差來評(píng)估各尾部結(jié)構(gòu)在可調(diào)水平內(nèi)對(duì)汽車氣動(dòng)力因數(shù)的影響大小，并以各尾部結(jié)構(gòu)在單位變化下的氣動(dòng)阻、升力因數(shù)極差均值來分析汽車氣動(dòng)力因數(shù)對(duì)尾部結(jié)構(gòu)變化的敏感性。然后依據(jù)正交試驗(yàn)所得出的最優(yōu)化尾部結(jié)構(gòu)模型，分析尾部結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)尾流場(chǎng)的改善。

圖8顯示了各結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同水平下的Cd及Cl。

由圖8可知：在各結(jié)構(gòu)單獨(dú)變化的最優(yōu)值附近，考慮不同結(jié)構(gòu)相互影響，Cd隨l和β增大呈現(xiàn)波動(dòng)變化，最優(yōu)化水平分別為700 mm和5°；Cd隨δ和α增大呈現(xiàn)拱形變化趨勢(shì)，其最優(yōu)化水平分別為-5°和4°；θ和γ的增大使Cd曲線成凹形趨勢(shì)，θ和γ的最優(yōu)水平分別為39°和77°。

圖8中，Cl隨β和δ增大而增大，隨θ增大而減小，β、δ和θ的最優(yōu)水平分別為3°和-1°和41°；γ、l和α的變化則對(duì)Cl影響不大。綜合Cd及Cl，可得到最優(yōu)化車尾結(jié)構(gòu)組合為：β= 3°、γ= 77°、δ= -1°、θ= 39°、l= 700 mm和α= 4°。

圖8 各尾部結(jié)構(gòu)參數(shù)不同水平下的氣動(dòng)特性

圖9顯示了不同尾部結(jié)構(gòu)在各自的優(yōu)選值附近變化時(shí)的Cd及Cl的極差和極差均值。

由圖9a可知，Cl受尾部結(jié)構(gòu)的影響明顯大于Cd；而Cl受β影響最大，δ和θ對(duì)Cl影響也較為明顯，γ、l和α對(duì)Cl影響相對(duì)較?。粚?duì)于Cd影響較為明顯的是θ和β，γ和δ對(duì)Cd影響較小。

由圖9b可知，車尾結(jié)構(gòu)因素對(duì)Cd影響的敏感性從大到小排序?yàn)椋害隆ⅵ?、δ、l、γ、α；對(duì)Cl影響的敏感性從大到小排序?yàn)椋害?、δ、θ、γ、l、α。由分析可知在尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要可以從尾部上翹角、后窗傾角及車頂傾角實(shí)現(xiàn)汽車氣動(dòng)特性的改善。

圖9 各尾部結(jié)構(gòu)不同水平下的氣動(dòng)特性

對(duì)正交優(yōu)化試驗(yàn)得到的最優(yōu)化車尾結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其氣動(dòng)阻力因數(shù)為0.268，相對(duì)于原模型減小了約14.4%。

圖10為最優(yōu)化車尾結(jié)構(gòu)的尾流場(chǎng)流線圖。

由圖10a可知：在車頂傾角的引流作用下，頂部的氣流分離后向下流動(dòng)，使后備箱與后窗之間的渦旋明顯減小。

由圖10b可知：側(cè)窗部位的分離流也在頂部分流的作用下，向中匯合的速度減小，對(duì)后備箱與后窗之間氣流的卷帶作用減小，且側(cè)窗分離流在車尾后部形成的渦旋也明顯減小。由圖10c和10d可知，車尾后部拖拽渦主要分布在車尾兩側(cè)，使車尾中部較大區(qū)域處于低湍流流動(dòng)，且拖拽渦渦量明顯小于原車尾模型。由分析可知正交優(yōu)化試驗(yàn)得到的最優(yōu)化車尾結(jié)構(gòu)的尾流場(chǎng)得到了明顯的改善。

圖10 最優(yōu)化車尾流場(chǎng)流線圖

4 結(jié) 論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)仿真方法對(duì)階背車尾流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究不同尾部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)汽車氣動(dòng)特性的影響，并從車尾整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮不同尾部結(jié)構(gòu)之間的相互影響，采用正交優(yōu)化試驗(yàn)方法分析了不同尾部結(jié)構(gòu)變化對(duì)汽車氣動(dòng)特性影響的大小與敏感性，并分析正交優(yōu)化車尾的尾流場(chǎng)。具體結(jié)論如下：

1） 階背車后備箱與后窗之間的氣流渦旋由車頂與側(cè)窗分離流的卷帶作用產(chǎn)生，吸附于后窗上；而車尾后部渦旋是后備箱上部匯合的分離流與車底分離流相互作用并向后拖拽產(chǎn)生。

2） 車尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，后窗傾角與底部上翹角對(duì)氣動(dòng)阻力和升力系數(shù)影響都較為明顯；而氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)后窗傾角、車頂傾角及尾部上翹角的變化較敏感。

3） 從車尾整體角度進(jìn)行尾部氣動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能減小頂部及側(cè)窗分離流的卷帶影響，減弱行李箱上部分離流與車底分離流的相互作用，有效抑制車尾流場(chǎng)渦旋，改善汽車氣動(dòng)性能。