唐天寶，郭建成

(1.湖南長豐汽車沙發(fā)有限責任公司，湖南永州425101;2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙410082;3.一汽—大眾汽車有限公司，吉林長春130011)

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展，對汽車的空氣動力學性能也提出了更高的要求。提高汽車的氣動性能，一方面可以通過氣動造型來實現(xiàn);另一方面可以通過加裝氣動附件來實現(xiàn)[1］。事實上，氣動附件已經(jīng)成為汽車結構中非常重要的一部分，在實際車型中得到了很廣泛的應用。

汽車在行駛時受到的氣動力中，對汽車氣動性能影響最大的是氣動阻力和氣動升力。氣動阻力附件的主要目的是減小汽車行駛時的氣動阻力，從而提高燃油經(jīng)濟性;氣動升力附件的主要目的和作用是降低汽車的氣動升力，從而增強汽車的地面附著性，提高汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。

計算流體力學(CFD)方法因為其耗時短、不受試驗環(huán)境及試驗器材影響、模型修改方便等優(yōu)點，廣泛應用于汽車氣動性能的研究[2］。此外，大量的試驗已經(jīng)證實，CFD仿真對汽車氣動性能的數(shù)值模擬已經(jīng)達到很高的精度[3］。

國外對氣動附件的研究較為深入，在賽車和乘用車上進行了一定的數(shù)值模擬研究。而中國由于CFD仿真的方法起步較晚，對汽車車身氣動附件的研究較少。為研究氣動附件對汽車氣動力的優(yōu)化效果，本文運用CFD仿真的方法，分別對某SUV模型的氣動阻力附件及某跑車升力氣動附件進行仿真研究。研究的氣動阻力附件主要有車輪阻風板、底盤導流板、側裙及后擾流器，氣動升力附件主要是尾翼。

1 計算流體力學數(shù)值模擬

1.1 CAD模型建立

本文以某SUV和跑車模型為基礎，其CAD模型是在UG中建立的。由于實車模型比較復雜，會給網(wǎng)格繪制和仿真計算帶來很大困難，而且耗時長、效率低，因此需要對車身模型進行簡化。忽略一些對氣動力計算影響很小的細節(jié)，如門把手、雨刮器等;為了保證后續(xù)繪制網(wǎng)格的質量，保證結果的收斂性，對模型的尖角處進行圓整處理;為準確模擬實際風洞的氣流狀況，建立一外輪廓為長方體計算域。根據(jù)汽車外流場的特點，結合以往計算經(jīng)驗，設置計算域的大小為:入口距模型前端3倍車長，出口距模型后端6倍車長，總高度為4倍車高，總寬度為7倍車寬。以SUV為例，其計算域如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

完成對模型的簡化和修改之后，運用ANSYS軟件繪制模型網(wǎng)格。采用Delaunay三角形方法在整個計算流域面生成半尺寸化網(wǎng)格，在車身表面拉伸出與其平行的三棱柱網(wǎng)格作為附面層，以消除壁面函數(shù)的影響。為提高計算精度，建立包圍車身的密度核，同時為了避免網(wǎng)格差異對仿真結果的影響，在每次仿真過程中，保持模型的相同部分網(wǎng)格尺寸不變，同時用不同數(shù)目的網(wǎng)格驗證網(wǎng)格的無關性[4］。

圖1 SUV計算域示意圖

1.3 湍流模型選取

汽車周圍流場可以看作是三維不可壓縮黏性等溫流場。由于其外形復雜，容易引起氣流分離，所以應按湍流處理。仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、標準k-ε模型、RNG k-ε模型和R k-ε模型。湍流模型研究表明:RNG k-ε模型考慮渦流因素影響和低雷諾數(shù)效應，可有效模擬汽車尾部和底部復雜漩渦流動結構，計算湍流精度較高，且計算量小，是5種模型中較適于汽車外部復雜流場數(shù)值仿真計算的湍流模型[5］。因此，本文對SUV和跑車的仿真均選用RNG k-ε湍流模型。

2 氣動附件設計目標

2.1 氣動阻力附件設計目標

汽車行駛過程中受到的氣動阻力可以分為外部阻力和內(nèi)部阻力[2］，外部阻力所占總的氣動阻力的比例要遠大于內(nèi)部阻力，而形狀阻力和誘導阻力占外部阻力的絕大部分。

誘導阻力是伴隨升力而產(chǎn)生的阻力成分。汽車頂部和底部的壓力差會產(chǎn)生尾渦，這個渦包含著一定的動能，它必須克服部分阻力的功，這部分阻力就是誘導阻力。形狀阻力主要取決于汽車車身前方阻止氣流前進的壓力與車身尾部使壓力恢復的壓力差。對氣動阻力的優(yōu)化，很重要的手段就是削弱尾渦，減小尾部渦流包含的湍動能。因此，氣動阻力附件的重要目標，就是削弱和破壞尾渦，減少尾渦包含的湍動能。

汽車尾渦是由來自頂部、側面和底部的氣流匯聚并相互作用而形成的。汽車底面通常高低不平，使得底部氣流變得復雜，形成強湍流區(qū)和各種復雜的渦流，當汽車底面光順度提高時，使得氣流流經(jīng)下表面的摩擦損失降低，同時使氣流得到有效的梳理，到達汽車尾部時會降低尾渦的湍流度，因此，可以通過在汽車底部加裝氣動附件來優(yōu)化底部的流場。而流經(jīng)汽車頂部的氣流，在流到汽車尾部時向下移，與底部上揚的氣流及側面的氣流匯聚，因此，可在頂部加裝氣動附件，使頂部氣流與底部及側向氣流匯聚的位置遠離車身。SUV車型的特點是具備較高的車身和較大的離地間隙，應重點對汽車頂部和底部的氣動附件進行設計。本文SUV設計的底部氣動附件為車輪阻風板、側圍及后底盤導流板，頂部氣動附件則是對其后擾流器進行改型。

2.2 氣動升力附件設計目標

氣流流經(jīng)汽車表面到尾部匯聚，車身上部的氣流和流經(jīng)車身下部的氣流經(jīng)過的長度不同，從而造成上、下部的氣流流速不同，使得上、下部分間形成壓力差，從而產(chǎn)生氣動升力。氣動升力過大時，會降低汽車的地面附著性，從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性，特別是在轉彎時，由于側向風的影響會造成不安全因素。對普通的轎車和SUV等車型，由于自身質量較大，氣動升力一般在安全范圍內(nèi)。但對于高速的賽車和跑車，一方面大量選用輕型的材料(如全鋁車身和碳纖維)使得自身質量較輕;另一方面，賽車和跑車在高速范圍內(nèi)行駛，受到的氣動升力更大，所以必須減小其受到的升力，一般應受負升力的作用。賽車和跑車的外形都經(jīng)過優(yōu)良的氣動造型，車身具備很好的流線性，底板一般都是平直的平板，因此，主要通過加裝氣動附件的方法來產(chǎn)生負升力，最常見的氣動升力附件就是尾翼。氣動升力附件的主要目標，就是減小車身上、下部的壓力差，而對于跑車來講應產(chǎn)生較大的負升力，因此，本文選取一個跑車模型，主要研究尾翼端板及尾翼形式對其氣動升力的影響。

3 阻力氣動附件分析

3.1 SUV原車分析

選取某SUV模型分析阻力氣動附件作用效果，對SUV原車進行分析。繪制原車網(wǎng)格后，將網(wǎng)格文件導入Fluent軟件進行計算，邊界條件設置為:計算域入口設為velocity inlet，速度大小為38.9 m/s;計算域出口為pressure outlet;車身表面設為無滑移壁面邊界條件;計算域上表面及左右側面均設置為滑移壁面邊界條件;為消除地面效應的影響，設置地面為移動壁面，速度同樣為38.9 m/s。

仿真得到原車的氣動阻力因數(shù)為0.387，其底部壓力云圖和尾渦示意圖分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看出:車輪上存在有較大的正壓區(qū)。從圖3可以看出:尾部的渦流附著在后風窗下緣，離車身的距離很近，說明氣流在距離車身很近的位置即發(fā)生了分離，這將導致較大的氣動阻力。因此，可以添加底部氣動阻力附件，減小車輪和后底盤受到的正壓;同時添加頂部氣動附件，通過修改后擾流器延遲氣流的分離，使尾渦遠離車身，從而減小氣動阻力。

圖2 原車底部壓力云圖

3.2 車輪氣動附件優(yōu)化

車輪附件流場的優(yōu)化，一方面要減小車輪受到的氣流的正面直接沖擊;另一方面要阻擋來自側面的氣流和底部的氣流在輪腔內(nèi)匯聚形成渦流。車輪阻風板及側裙是SUV車型上比較常見的氣動阻力附件[6-7］，車輪阻風板能有效地減少氣流對車輪的正面沖擊，而側裙能阻止側面氣流涌入輪腔體。

因此，確定的車輪附件優(yōu)化方案為添加車輪阻風板和側圍。首先，參考實際車型的模型，建立了其UG模型，前輪阻風板位于前輪腔前緣，高度為45 mm，后輪阻風板位于后輪腔后緣，高度為65 mm，寬度分別為前、后輪腔最大寬度;側裙位于車身側邊下緣，長度為1 850 mm，高度為40 mm。

在繪制網(wǎng)格并進行仿真計算，得到安裝車輪阻風板和側裙后，原車的氣動阻力因數(shù)降低至0.374。車輪對于氣動阻力的影響很大，對于F1賽車，由于車輪完全暴露，車輪所引起的氣動阻力占總阻力的40%以上。而本文的SUV車型，從圖4和圖5所示的前輪車輪壓力云圖可以看出:加裝車輪阻風板后，車輪上的正壓區(qū)明顯減小，這表明車輪及輪腔內(nèi)流場得到優(yōu)化。車輪阻風板阻擋了氣流對車輪的正面沖擊，而側裙阻擋了兩側氣流涌入底部，兩者共同削弱了汽車輪腔內(nèi)和底部氣流的紊亂程度，起到了降低氣動阻力，優(yōu)化流場狀況的作用。

圖4 原車前輪壓力云圖

圖5 優(yōu)化后前輪壓力云圖

3.3 后底盤氣動附件優(yōu)化

底盤結構的復雜性，會對氣流流動形成較大的阻礙作用。對底盤研究表明:底盤阻力占汽車總氣動阻力的比例較大，汽車底部外形越復雜，氣動阻力因數(shù)越大[8］。底部的結構得到優(yōu)化，對于減小汽車受到的壓差阻力、誘導阻力和摩擦阻力都是十分有利的。因此，可以在底部加裝導流板，梳理底部紊亂的氣流。為此，加裝如圖6所示的導流板。繪制網(wǎng)格并仿真計算，得到氣動阻力因數(shù)降為0.380。

加裝導流板后，使氣流流經(jīng)的汽車后底盤結構變得平整，減少了對氣流的干涉和阻擋，同時，減少了氣流在底部的摩擦損耗，這將引起摩擦阻力的下降。而底部結構的優(yōu)化使得氣流的紊亂程度明顯降低，從圖7所示的原車及底部加裝導流板后的流線圖中可以看出:后底盤處的氣流經(jīng)過導流板的梳理，在油箱和后車輪附件的紊流程度得到削弱，這表明氣流在底部的能量損耗減少。導流板使后底盤復雜結構對氣流流速的降低作用削弱，氣流能以較高的速度到達尾部，從而降低車身頂部和底部的壓力差，尾部氣流的向上翻卷狀況得到改善，從而一定程度上抑制了尾渦的產(chǎn)生，降低誘導阻力和壓差阻力。

圖6 加裝附件后模型

圖7 底部流線圖對比

3.4 頂部氣動附件優(yōu)化

汽車行駛時，流經(jīng)頂部、底部和側面的氣流，會在尾部匯聚形成渦流區(qū)，一般來講，渦流區(qū)離尾部越近，表明氣流分離越早，能量耗散越大，氣動阻力越大。從圖3可以看出:原車的尾渦幾乎附著在車身上，說明氣流在車尾即發(fā)生了分離。因此，考慮對其車身頂部的后擾流器進行改型，使流經(jīng)汽車頂部的氣流在到達后擾流器時流向向后，從而得以與來自底部和側面的氣流匯聚于距離車尾較遠的區(qū)域。為了使尾部渦流區(qū)進一步遠離車身，將原SUV的后擾流器延長30 mm，如圖8所示。

修改模型并繪制網(wǎng)格后，計算得到氣動阻力因數(shù)降低為0.369。后擾流器延長后，來自頂部的氣流在流經(jīng)擾流器時延緩了流向的下移，因而和來自底部、側面的氣流在尾部匯聚的位置后移，從而削弱了尾渦對汽車的影響，降低了汽車受到的氣動阻力。

圖8 后擾流器對比

3.5 各方案效果對比及分析

對于本文的SUV，各方案都起到了減小氣動阻力的作用，但效果有所不同，見表1。從表1中可以看出:方案1中的底部導流板由于處于底盤靠近車尾的位置，氣流在到達導流板前流速已經(jīng)下降，有些氣流已經(jīng)發(fā)生分離和逸散，因此效果相對不明顯。方案2中的車輪阻風板明顯減小了氣流對車輪的正面沖擊力，效果相對明顯。方案3對后擾流器的修改產(chǎn)生的效果最為顯著，擾流器延長后，尾部的湍動能明顯減小，尾渦也明顯后移。由3組方案的對比可以發(fā)現(xiàn):SUV車型由于具有較高的車身和較大的離地間隙，底部氣流的紊亂在近地面位置并不明顯，因此，在汽車底部加裝氣動附件的效果不如頂部氣動附件的效果顯著，在對SUV車型進行氣動優(yōu)化時，應重點對頂部的氣動附件進行設計和優(yōu)化。

4 升力氣動附件分析

汽車行駛時氣動升力對汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性有很大影響[9］，尤其是高速行駛時，氣動升力對汽車性能的影響尤為突出。跑車車速一般200 km/h以上，此時受到的氣動升力很大，對跑車的地面附著性有很大的影響。因此，必須減小跑車高速行駛時的氣動升力，一般應保證升力為向下的負升力，如法拉利跑車在200 km/h時受到的1.2 kN以上的負升力。國外已有部分學者從試驗的角度針對氣動升力進行了分析[10］。試驗研究表明:通過加裝氣動附件可以在減小升力方面取得很好的效果[11］，而負升力翼是其中最為有效的一種。

表1 各附件效果對比

4.1 負升力翼作用機理

負升力翼的概念最早由美國的查帕拉提出，是根據(jù)倒置的機翼而設計的，能產(chǎn)生一個向下的力以抵消一部分氣動升力[10］。氣流流經(jīng)負升力翼時，在上、下翼面間形成一定的壓力差，形成向下的下壓力，從而增加車輪的地面附著力。不同的斷面形狀、高度、支架及端板都會對負升力翼的作用效果有不同的影響。為研究不同外形尾翼對氣動升力的影響，參考實際跑車的尾翼形式，建立如圖9所示的4種不同外形的尾翼，分別為端板式、折線式、兩段式及雙尾翼。其中，圖9b中的折線式尾翼沒有端板，而圖9c中的兩段式尾翼有4個端板且面積更大。

圖9 各尾翼模型

4.2 仿真計算及分析

設置邊界條件如下:計算域入口設為velocity inlet，速度大小為70 m/s;計算域出口為pressure outlet;車身表面設為無滑移壁面邊界條件;計算域上表面及左右側面均設置為滑移壁面邊界條件;設置地面為移動壁面，速度為70 m/s。仿真得到原車氣動升力因數(shù)為0.078，各方案氣動升力因數(shù)見表2。

從表2可以看出:折線式尾翼較端板式尾翼產(chǎn)生的負升力小些，而兩段式尾翼的作用效果比折線式和端板式尾翼都顯著，這是因為端板能夠阻擋氣流向兩側的逸散，本方案中的端板面積更大，數(shù)量更多，更能阻擋氣流向兩側的逸散，因而產(chǎn)生的負升力較端板式和折線式更大。折線式尾翼產(chǎn)生的負升力最小，而雙尾翼產(chǎn)生的負升力最大，這是由于其產(chǎn)生的下壓力由兩個翼上的壓力差共同作用產(chǎn)生。

圖10為折線式尾翼和雙尾翼的壓力云圖，從圖10中可見:尾翼的上翼面壓力高于下翼面和支架，因此，在上翼面和下翼面及支架間的壓力差形成作用在尾翼上的下壓力，這是加裝尾翼產(chǎn)生負升力的原因。

表2 各方案升力因數(shù)

5 結論

本文將運用CFD數(shù)值模擬的方法，以某SUV和某跑車模型為基礎，分別對氣動阻力附件和尾翼的作用進行了仿真分析，得出了以下結論:

(1)SUV車型由于具備較高的車身高度和離地間隙，因此相對于底部的氣動附件，頂部氣動附件對氣動阻力的優(yōu)化作用更加顯著，應重點進行設計。

(2)加裝負升力翼使跑車受到負升力的作用，端板能阻擋氣流向兩側逸散，端板面積和數(shù)量的增大會產(chǎn)生更大的負升力。雙尾翼能產(chǎn)生很大的壓力差，對升力的優(yōu)化效果最為顯著。

圖10 加裝尾翼后壓力云圖

[1]谷正氣.汽車空氣動力學[M］.北京:人民交通出版社，2005:116-140.

[2]傅立敏.汽車空氣動力學[M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998:30-254.

[3]梁習鋒，田紅旗，鄒建軍.動力車縱向氣動力風洞試驗及數(shù)值模擬[J］.國防科技大學學報，2003，25(6):101-105.

[4]涂尚榮，張揚軍.汽車外流場仿真的復雜網(wǎng)格系統(tǒng)生成[J］.汽車工程，2002，24(5):408-411.

[5]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等.汽車外部復雜流場計算的湍流模型比較[J］.汽車工程，2003，2(4):321-325.

[6]Abdullah M A，Luis P B，Bahram K.Experimental Investigation of the Flow Around a Generic SUV[C］//SAE Paper.2004.

[7]Simone S.Numerical Simulations of a Car Underbody:Effect of Front-wheel Deflectors[C］//SAE Paper.2004.

[8]王靖宇，賴晨光，胡興軍.汽車底部外形對氣動特性的影響[J］.中國公路學報，2008，21(2):111-115.

[9]宋昕，谷正氣，何憶冰，等.基于Ahmed模型的氣動升力研究[J］.汽車工程，2010，32(10):846-851.

[10]Laurent D V.Herbert Hybrid Method for Aerodynamic Shape Optimization in Automotive Industry[J］.Computers ＆Fluids，2004，33(2):839-846.

[11]Joseph K，Garcia D，Sluder R.Aerodynamics of RaceCar Liftoff[C］//SAE Paper.2004.