尾翼對(duì)高速汽車氣動(dòng)特性及制動(dòng)性能的影響

孔昕昕，高偉，張學(xué)聰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

車輛遇到緊急情況時(shí)，需要較高的制動(dòng)性能。鑒于空氣動(dòng)力學(xué)在高速列車上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將空氣動(dòng)力學(xué)制動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于汽車上，可減輕傳統(tǒng)制動(dòng)裝置的負(fù)荷。李文華等［1］對(duì)汽車加裝擾流板，縮短剎車距離，提高了汽車的制動(dòng)性能。孫連偉［2］對(duì)汽車加裝尾翼，改變汽車尾部流場，增加尾部負(fù)升力，提高了汽車的行駛穩(wěn)定性。計(jì)時(shí)鳴等［3］設(shè)計(jì)了前后對(duì)稱隨動(dòng)尾翼，通過調(diào)整尾翼迎角控制汽車升力大小和方向，達(dá)到提高車輛穩(wěn)定性和節(jié)能減排的目的。谷正氣等［4］分別對(duì)尾翼形式變化、尾翼攻角變化、翼面凹坑直徑變化進(jìn)行單獨(dú)分析，研究其對(duì)氣動(dòng)升力影響。已有研究大多針對(duì)汽車加裝尾翼的影響進(jìn)行分析，或者單獨(dú)對(duì)尾翼的形狀或攻角進(jìn)行分析，很少有研究尾翼攻角、縱向水平距離和垂向高度等多尾翼參數(shù)對(duì)車輛氣動(dòng)特性及制動(dòng)性能的影響。文中對(duì)有無尾翼的高速汽車外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了尾翼攻角、縱向水平距離和垂向高度對(duì)整車氣動(dòng)特性及制動(dòng)性能的影響規(guī)律。

1 外流場數(shù)值模擬

1.1 MIRA汽車模型建立與驗(yàn)證

根據(jù)MIRA 模型組的結(jié)構(gòu)外形及尺寸（圖1），按照1∶10 的比例，利用CATIA 軟件建立MIRA 半模模型。按照湖南大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)研究中心對(duì)MIRA 汽車的試驗(yàn)條件［5］設(shè)置仿真邊界條件，風(fēng)速為30 m·s?1，仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)、氣動(dòng)升力系數(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的誤差小于5%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

表1 CFD仿真值與風(fēng)洞試驗(yàn)值比較

圖1 MIRA模型組尺寸

設(shè)定仿真車速為108 km·h?1，翼型弦長為1 m。根據(jù)翼片的最大升力系數(shù)同幾何參數(shù)的關(guān)系，確保升力系數(shù)可達(dá)到最大［6］，在Profili 翼型庫中分組對(duì)比，選取GOE 436 翼型，將尾翼模型加裝在MIRA汽車模型上，如圖2所示。

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

為了提高計(jì)算精度，設(shè)計(jì)長方體計(jì)算域：入口距車頭3倍車長，出口距車尾7倍車長，頂部距車身頂端4倍車高，側(cè)面距車身側(cè)面4倍車寬。設(shè)置車身表面的網(wǎng)格尺寸為8 mm，有圓角、弧度等尺寸較小的表面網(wǎng)格尺寸為4 mm，尾翼網(wǎng)格尺寸為1 mm。對(duì)車身表面的棱柱網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，第1層厚度為1 mm，層數(shù)為5 層，增長率為1.2，達(dá)到模擬汽車邊界層附近流場狀態(tài)的目的。網(wǎng)格模型見圖3，網(wǎng)格總數(shù)為430 429。數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置見表2。

圖3 加裝尾翼后計(jì)算域網(wǎng)格

表2 加裝尾翼后的邊界條件

2 尾翼的影響

2.1 對(duì)高速汽車氣動(dòng)特性的影響

對(duì)加裝尾翼汽車進(jìn)行CFD 仿真計(jì)算，得到壓力、速度分布云圖如圖4～5 所示。由圖4 可看出，加裝尾翼后，尾翼前緣上表面在氣流流過時(shí)產(chǎn)生較大的表面壓力，使車身尾部具有更大的下壓力。從圖5 可看出，加裝尾翼后，車身尾部氣流速度明顯增大，并且產(chǎn)生渦流，氣動(dòng)阻力增大。

圖4 車身表面壓力對(duì)比分析云圖

圖5 縱向?qū)ΨQ面上速度矢量對(duì)比圖

加裝尾翼后汽車的阻力系數(shù)由0.3332 變?yōu)?.4475，升力系數(shù)由0.0208 變?yōu)?0.3456，可以看出：加裝尾翼后汽車阻力系數(shù)變大，制動(dòng)力增強(qiáng)；負(fù)升力也明顯增加，對(duì)地面壓力增大，增加了汽車的滾動(dòng)阻力，提升了高速行駛汽車的制動(dòng)性能。

2.2 對(duì)高速汽車制動(dòng)性能的影響

加裝尾翼后，車輛在高速行駛時(shí)尾翼產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)有效制動(dòng)力有較大影響。有效制動(dòng)力可表示為［7］

式中：F為有效制動(dòng)力；Fd為空氣阻力；F1為空氣升力；Fn為豎直方向正壓力；f為地面附著系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)投影面積；V為相對(duì)速度；r為空氣密度；Cd為空氣阻力系數(shù)；Cy為空氣升力系數(shù)。

設(shè)定整車質(zhì)量為1200 kg，V為30 m·s?1，重力加速度為9.8 m·s?2，干燥路面的附著系數(shù)為0.7，濕滑路面的附著系數(shù)為0.4。將車輛阻力系數(shù)、升力系數(shù)代入式（1）～（3）中，計(jì)算得加裝尾翼前后的制動(dòng)力如表3所示。加裝尾翼后，車輛受到的氣動(dòng)阻力增加、升力減小，從而增加在干燥路面及濕滑路面的制動(dòng)力，有利于提高制動(dòng)性能。

表3 制動(dòng)力數(shù)據(jù)對(duì)比 N

3 尾翼參數(shù)的影響

尾翼的不同攻角、縱向水平距離和垂向高度對(duì)汽車氣動(dòng)特性及制動(dòng)特性有較大影響。尾翼空間結(jié)構(gòu)如圖6 所示，x為尾翼中心距車尾縱向水平距離，y為尾翼中心距車尾垂向高度，θ為尾翼攻角。

圖6 尾翼空間結(jié)構(gòu)

3.1 尾翼攻角影響分析

以尾翼垂向高度70 mm、縱向水平距離70 mm為基準(zhǔn)，尾翼攻角為變量，在邊界條件及求解參數(shù)設(shè)置不變的前提下，以5°為梯度，逐漸增大尾翼攻角，進(jìn)行仿真研究［8］。結(jié)果如表4所示，可以看出，阻力系數(shù)和負(fù)升力系數(shù)均隨著攻角的增大而增大，氣動(dòng)阻力增大，提高了輔助制動(dòng)效果，下壓力的增大使制動(dòng)力增大。

表4 不同攻角的阻力系數(shù)和升力系數(shù)

3.2 尾翼縱向水平距離影響分析

以尾翼垂向高度70 mm、攻角0°為基準(zhǔn)，尾翼中心距車尾縱向水平距離為變量，在邊界條件及求解參數(shù)設(shè)置不變的前提下，以10 mm 為梯度，逐漸增加縱向水平距離，進(jìn)行仿真研究。結(jié)果如表5所示，當(dāng)尾翼縱向水平距離為90 mm 時(shí)，整車阻力系數(shù)為0.4475，隨著尾翼縱向水平距離的增大，阻力系數(shù)變大；當(dāng)縱向水平距離超過100 mm時(shí)，阻力系數(shù)的增長趨勢加快；而負(fù)升力系數(shù)在100 mm 時(shí)達(dá)到峰值，而后隨著縱向水平距離的增大，負(fù)升力系數(shù)大幅度下降。故尾翼縱向水平距離為100 mm時(shí)，車輛有較大的阻力系數(shù)和負(fù)升力系數(shù)，有利于提高車輛的有效制動(dòng)力。

表5 不同縱向水平距離的阻力系數(shù)和升力系數(shù)

3.3 尾翼垂向高度影響分析

以尾翼中心距車尾縱向水平距離70 mm、攻角為0°為基準(zhǔn)，以尾翼垂向高度為變量，在邊界條件及求解參數(shù)設(shè)置不變的前提下，以10 mm 為梯度，逐漸增加垂向高度，進(jìn)行仿真研究。結(jié)果如表6所示，氣動(dòng)阻力系數(shù)隨著尾翼垂向高度的增大而增大，而負(fù)升力系數(shù)隨著高度的增加先增加后減小，當(dāng)尾翼垂向高度為60 mm 時(shí)，負(fù)升力系數(shù)達(dá)到最大，此時(shí)車輛有較大的阻力系數(shù)和負(fù)升力系數(shù)，有利于增加有效制動(dòng)力。

表6 不同尾翼垂向高度的阻力系數(shù)和升力系數(shù)

4 結(jié)論

考慮到尾翼系統(tǒng)對(duì)高速汽車主動(dòng)安全性能的影響，對(duì)有無尾翼車輛模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，加裝尾翼能夠有效提高車輛制動(dòng)性能；文中還分析了尾翼攻角、縱向水平距離和垂向高度對(duì)整車氣動(dòng)特性及制動(dòng)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，尾翼攻角越大、縱向水平距離在100 mm時(shí)、垂向高度為60 mm時(shí)，對(duì)整車氣動(dòng)特性及制動(dòng)性能改善最好，有利于提高有效制動(dòng)力。