楊瀚博，胡興軍，安 陽

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130022)

汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能是車身設(shè)計(jì)中需要著重考慮的方面，汽車的氣動(dòng)阻力產(chǎn)生的主要根源是汽車行駛過程中所產(chǎn)生的壓差阻力，壓差阻力在總的阻力構(gòu)成中占據(jù)了85%，在壓差阻力的構(gòu)成中，汽車前部設(shè)計(jì)僅占9%，而另外的91%則取決于汽車尾部，汽車尾部造型對(duì)于整體氣動(dòng)阻力有重要的影響，從形成機(jī)理上來看，由尾部造型引起的氣動(dòng)阻力主要由2部分構(gòu)成:造型本身產(chǎn)生的阻力和尾流形成的渦造成的渦阻［1］.近年來，汽車外流場(chǎng)的研究在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有了大量的成果.上汽集團(tuán)對(duì)于桑塔納轎車的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)源于氣流發(fā)生分離的位置，主要有發(fā)動(dòng)機(jī)罩與擋風(fēng)玻璃之間的轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)罩的3維曲率和結(jié)構(gòu)及擋風(fēng)玻璃的3維曲率和結(jié)構(gòu)，最主要的分離位置位于汽車尾部［2］.日本三菱汽車公司通過研究發(fā)現(xiàn)空氣阻力產(chǎn)生的重要原因是由于汽車尾部的流動(dòng)發(fā)生分離，為了緩解流動(dòng)分離的程度，使由流動(dòng)分離產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)變窄，因此安裝渦發(fā)生器附件.通過研究發(fā)現(xiàn)渦發(fā)生器正確安裝后可以有效降低氣動(dòng)阻力系數(shù)，尤其是安裝三角翼渦發(fā)生器［3］之后阻力系數(shù)降低了0.000 6.

筆者以某國(guó)產(chǎn)快背式轎車作為研究對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)原理與方法，研究轎車尾部氣動(dòng)附件對(duì)快背式轎車氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響.對(duì)原始車型進(jìn)行詳細(xì)的分析，著重分析尾部的氣流流動(dòng)結(jié)構(gòu)，找到渦流發(fā)生的位置，最后在汽車尾部各個(gè)位置加裝各種不同種類的附件，找到適合該車型的附件安裝方式.

1 幾何模型

頂部擾流器作為穩(wěn)定汽車行駛的附件已經(jīng)在汽車上應(yīng)用較廣泛，近年來對(duì)于頂部擾流器的減阻效果也有研究，M.Koike等［3］對(duì)3種不同形式的頂部擾流器進(jìn)行了研究，得到了普通形式的布置在車尾頂部狹長(zhǎng)的擾流器會(huì)有較好的綜合性能.普通形式的頂部擾流器主要由2個(gè)因素控制:① 擾流器的攻角α;②擾流器最長(zhǎng)的弦長(zhǎng)L.普通形式擾流器以及控制參數(shù)的選取如圖1所示.

圖1 普通擾流器形狀與尺寸定義方式圖

頂部擾流器的尺寸形狀由參數(shù)L與α共同確定，弦長(zhǎng)變化范圍為120～250 mm，攻角變化范圍為3°～23°.在此范圍內(nèi)弦長(zhǎng)每隔65 mm選取試驗(yàn)點(diǎn)，攻角每隔10°選取試驗(yàn)點(diǎn)，不同尺寸擾流器幾何模型如圖2所示.在這2個(gè)參數(shù)變化所組成的樣本空間內(nèi)，共選取8個(gè)樣本點(diǎn)，通過8組不同的試驗(yàn)得到L120α03，L120α13，L120α23，L185α03，L185α13，L185α23，L250α03，L250α13 的 阻 力 系 數(shù) 分 別為 -0.002，0.008，-0.016，0.008，0.013，0.011，0.005，0.005.

圖2 不同尺寸擾流器幾何示意圖

通過分析可以發(fā)現(xiàn):8種方案中只有L120α23起明顯的減阻效果，其他尺寸的頂部擾流器反而起惡化作用，因此將L120α23與L185α13這2種方案進(jìn)行詳細(xì)的流場(chǎng)分析對(duì)比.

本研究的側(cè)部擾流器的建模思路和頂部擾流器的類似，也由2個(gè)主要參數(shù)弦長(zhǎng)和攻角控制，對(duì)于側(cè)部擾流器的攻角與弦長(zhǎng)的定義與頂部擾流器的相同.側(cè)部擾流器的形狀如圖3所示.

圖3 側(cè)部擾流器示意圖

分析了7種不同尺寸的尾部側(cè)部擾流器，其尺寸形狀由L與α共同確定，弦長(zhǎng)變化范圍為160～240 mm，攻角變化范圍為75°～85°，在此范圍內(nèi)均勻選取試驗(yàn)點(diǎn).RSS(rear side spoiler)為側(cè)部擾流器.試驗(yàn)得到 RSS-L160α75，RSS-L160α80，RSS-L200α75，RSS-L200α80，RSS-L200α85，RSS-L240α75，RSSL240α80 的相對(duì)阻力系數(shù)分別為0.006，0.015，0.023，0.014，-0.007，0.005，0.003.

在7種不同的尺寸中，只有RSS-L200α85起到減阻效果，其余都對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生惡化影響，與該尺寸相似的 RSS-L200α80也是阻力系數(shù)增加，RSS-L160α80的阻力系數(shù)相比原型也有所增大.因此重點(diǎn)分析上述3種情況與基本型的車尾部件表面速度分布與流線分布.

2 數(shù)值模擬

2.1 流場(chǎng)網(wǎng)格

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格求解，車身表面采用三棱柱單元，計(jì)算域內(nèi)部由四面體填充，然后通過四面體合并轉(zhuǎn)換成多面體，從而減少計(jì)算時(shí)間，在車身周圍建立尺寸較小的網(wǎng)格，同時(shí)在車尾部設(shè)置加密區(qū)域，以更加精準(zhǔn)地捕捉尾部流動(dòng)，計(jì)算域采用較大尺寸的網(wǎng)格，在該區(qū)域的流動(dòng)接近平穩(wěn)狀態(tài)，所以大尺寸的網(wǎng)格并不會(huì)影響計(jì)算精度.

2.2 湍流模型

通過查閱大量的文獻(xiàn)，參考了課題組內(nèi)的大量外流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值仿真資料，通過對(duì)該車型試用不同湍流模型的仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最終選擇了k-ω SST湍流模型進(jìn)行數(shù)值仿真，該模型可廣泛應(yīng)用于各種壓力梯度下的邊界層問題的模擬，同時(shí)還能夠較好模擬遠(yuǎn)離壁面充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，尤其對(duì)于邊界層中相對(duì)于主流區(qū)具有逆向壓力而造成的剝離現(xiàn)象具有較高的精度.本仿真對(duì)于邊界層的流動(dòng)較為關(guān)心，因此需要能夠較好地模擬邊界層流動(dòng)的湍流模型，在外流場(chǎng)中通常被應(yīng)用的k-ε模型就不能滿足要求.

在k-ω模型中，湍流黏度為

式中α*為對(duì)湍流黏度進(jìn)行低雷諾數(shù)修正的系數(shù).

k和ω的輸運(yùn)方程分別為

式中:Gk為對(duì)應(yīng)平均速度梯度的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);Gω為ω的產(chǎn)生項(xiàng);Yk和Yω為k和ω由于湍流而產(chǎn)生的耗散;σk和σω為k方程和ω方程對(duì)應(yīng)的湍流Prandtl數(shù);Sk和Sω為自定義的源項(xiàng).

為了使k-ω模型可以近似等效于k-ε模型，需要添加交叉擴(kuò)散項(xiàng):

k-ω SST模型通過一個(gè)混合函數(shù)實(shí)現(xiàn)了從近壁面的k-ω模型到遠(yuǎn)離壁面的k-ε模型的過渡，該混合函數(shù)以近壁面函數(shù)和湍流量為參數(shù)，乘以交叉擴(kuò)散項(xiàng)(4).因此k-ω SST模型可以通過下列湍流黏度方程來表達(dá):

式中:a1=0.31;Ω為平均渦量.

式(1)以壁面距離和湍流量為變量的混合函數(shù)差值來求解.通過對(duì)算例的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用k-ω SST模型，再配合合理的邊界層網(wǎng)格就可以較好地模擬邊界層表面的流動(dòng)，可以滿足計(jì)算精度［4-5］.

3 結(jié)果分析

3.1 頂部擾流器對(duì)轎車氣動(dòng)性能的影響

為了更深刻了解渦發(fā)生器對(duì)于該車型的影響，探究繼續(xù)改進(jìn)的方式，分別對(duì)原車及加裝頂部擾流器后的車型進(jìn)行分析［6-7］.原車型后風(fēng)窗表面速度分布如圖4所示，后風(fēng)窗表面剪切速度流線如圖5所示.

圖4 基本型后風(fēng)窗表面速度分布云圖

圖5 基本型后風(fēng)窗表面剪切速度流線圖

L120α23的頂部擾流器的后風(fēng)窗表面速度分布如圖6所示，表面剪切速度流線分布如圖7所示.

圖6 L120α23后風(fēng)窗表面速度分布云圖

圖7 L120α23后風(fēng)窗表面剪切速度流線圖

可以發(fā)現(xiàn):加裝L120α23形式的頂部擾流器后，后風(fēng)窗附近的渦流得到了有效的抑制，僅在邊緣處形成了2個(gè)小的縱向渦.通過和原車型進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)L120α23起到了很好的導(dǎo)流作用.通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加裝了L185α13的頂部擾流器會(huì)產(chǎn)生惡化氣動(dòng)性能的效果.該種情況的后風(fēng)窗表面速度分布如圖8所示，后風(fēng)窗表面流線分布如圖9所示.

圖8 L185α13后風(fēng)窗表面速度分布云圖

圖9 L185α13后風(fēng)窗表面剪切速度流線圖

L185α13后風(fēng)窗表面的流動(dòng)比基本型更加不規(guī)則，整個(gè)后風(fēng)窗最后形成了2個(gè)大的斜縱向的渦旋，產(chǎn)生了較為強(qiáng)烈的相互作用，這樣的流動(dòng)狀態(tài)直接體現(xiàn)在尾部的渦旋上.由圖9可知:從車頂?shù)膩砹魇沟迷谲囄采喜啃纬傻臏u流進(jìn)一步擴(kuò)大，車底來流的渦旋繼續(xù)存在，因此阻力系數(shù)與基本型相比也產(chǎn)生了較大增加［8］.而L120α23通過給車頂來流補(bǔ)充了能量，該股氣流向車后流動(dòng)時(shí)，氣流方向并沒有產(chǎn)生突變，而是較為柔和地逐漸向下并未在后車窗與車頂處產(chǎn)生分離，這樣的流動(dòng)和尾部產(chǎn)生的渦流相互融合，最后在尾部?jī)H形成了2個(gè)小的縱向渦旋，且該渦旋流動(dòng)的強(qiáng)度較低，因此損耗的能量較少，所以L120α23起到了較好的減阻效果.L120α23和L185α13后風(fēng)窗上的壓力分布云圖分別如圖10，11所示.從圖10，11可以發(fā)現(xiàn):L120α23后部的壓力明顯大于L185α13的后部，因此這也是通過頂部擾流器對(duì)流場(chǎng)改善后產(chǎn)生的效果.

圖10 L120α23后風(fēng)窗壓力分布云圖

圖11 L185α13后風(fēng)窗壓力分布云圖

3.2 側(cè)部擾流器對(duì)轎車氣動(dòng)性能的影響

基本型與 RSS-L200α85，RSS-L160α80，RSSL200α80的車尾部件表面速度分布和流線分布圖如圖12所示.

圖12 車尾部件表面速度云圖及流線圖對(duì)比

起到減阻作用的RSS-L200α85使得基本型在后風(fēng)窗處形成的2個(gè)強(qiáng)度較高的縱向渦旋擾動(dòng)區(qū)域變小，減小了后風(fēng)窗中部的能量損失，進(jìn)而降低了氣動(dòng)阻力.RSS-L200α80并沒有很好地減小后風(fēng)窗處的2個(gè)強(qiáng)度較高的縱向渦旋擾動(dòng)區(qū)域，在后風(fēng)窗處依然有較大的能量消耗，所以不但沒能起到足夠的減阻效果，反而增加了氣動(dòng)阻力系數(shù)［9-10］.RSS-L160α80使得后風(fēng)窗處的2個(gè)縱向渦在強(qiáng)度和影響范圍上都有所擴(kuò)大，因此使得阻力系數(shù)反而有較大的增加.

該車型后風(fēng)窗與C柱、車頂部之間留有一定的間隙，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分氣動(dòng)性能較好的跑車后風(fēng)窗與周圍都不存在較小的間隙.通過改變后風(fēng)窗的安裝位置分析間隙對(duì)氣動(dòng)性能的影響，新的后風(fēng)窗安裝方式減小了后風(fēng)窗與C柱、車頂間的裝配間隙.通過計(jì)算，縮小裝配間隙的后風(fēng)窗阻力系數(shù)減小了0.004.減小裝配間隙后的幾何形狀與基本型的對(duì)比如圖13所示.2種情況下車尾部件表面速度分布云圖及速度流線對(duì)比如圖14所示.

圖13 幾何形狀對(duì)比圖

通過減小后風(fēng)窗與C柱、車頂之間的裝配間隙可以消除基本型中后風(fēng)窗上的2個(gè)橫向渦動(dòng)，由于在車頂與后風(fēng)窗交接處的幾何突變較小，因此保證了流動(dòng)分離被推遲，但是由于2個(gè)縱向渦之間產(chǎn)生了相互作用，阻力系數(shù)減小有限.

4 結(jié)論

1)不考慮其他因素，安裝頂部及側(cè)部擾流板可以有效降低汽車空氣阻力.

2)攻角和弦長(zhǎng)控制著擾流器的幾何外形與尺寸，在已選擇的8種不同尺寸中進(jìn)行仿真得出最佳的尺寸組合為弦長(zhǎng)120 mm，攻角23°，該種擾流器的組合方式阻力系數(shù)減小了0.016倍.

3)通過添加側(cè)部擾流板和減小后風(fēng)窗與C柱、車頂之間的裝配間隙都可以縮小汽車原后風(fēng)窗處形成的渦流，使后風(fēng)窗及轎車尾部的流動(dòng)更加有規(guī)律.

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