楊 易,聶 云,徐永康,谷正氣,范光輝

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

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2015053

車尾造型對(duì)凹坑型非光滑車身氣動(dòng)減阻的影響*

楊 易,聶 云,徐永康,谷正氣,范光輝

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

將凹坑型非光滑表面布置在MIRA直背式、斜背式、階梯背式3種模型的尾部，分析了3種不同車型的尾流結(jié)構(gòu)，研究不同的汽車尾部造型對(duì)非光滑車身氣動(dòng)減阻的影響。通過(guò)對(duì)模型外部流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，比較光滑模型和非光滑模型尾部流場(chǎng)、壓力、湍動(dòng)能等參數(shù)，對(duì)比不同尾部造型非光滑表面流場(chǎng)差異，分析非光滑表面氣動(dòng)減阻的機(jī)理，解釋不同車尾造型減阻率差異的原因，為進(jìn)一步研究車身非光滑表面氣動(dòng)減阻效果提供理論依據(jù)。

尾部造型；氣動(dòng)減阻；非光滑表面；尾流結(jié)構(gòu)

前言

汽車氣動(dòng)阻力與尾部氣流息息相關(guān)。由于車身外形接近于鈍型物體，繞汽車表面流動(dòng)的氣體會(huì)在汽車的尾部發(fā)生分離，形成尾渦。隨著行駛速度的提高，汽車尾渦強(qiáng)度隨之增大，將顯著提高汽車的氣動(dòng)阻力。文獻(xiàn)[1]中對(duì)MIRA斜背式、直背式和階梯背式3種車型進(jìn)行了相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同尾部造型對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)有顯著的影響，導(dǎo)致模型組氣動(dòng)性能差異的原因在于不同尾部造型產(chǎn)生不同的流動(dòng)機(jī)理。

仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，表面非光滑形態(tài)結(jié)構(gòu)能夠改變氣-固表面邊界層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，控制物體表面流場(chǎng)從而降低阻力[2]。將非光滑減阻實(shí)際應(yīng)用到車身表面上，須考慮不同汽車外形帶來(lái)的影響。本文中將凹坑型非光滑表面布置在MIRA直背式、斜背式和階梯背式3種車型尾部，通過(guò)CFD數(shù)值仿真，研究車尾造型對(duì)非光滑表面氣動(dòng)減阻的影響，比較光滑和非光滑模型尾部流場(chǎng)、壓力和湍動(dòng)能等參數(shù)，分析非光滑表面氣動(dòng)減阻機(jī)理和減阻效果差異的原因，為研究非光滑表面氣動(dòng)減阻效果與車輛造型之間的關(guān)系提供參考。

1 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 MIRA模型組的建立

選取國(guó)際標(biāo)模MIRA模型組中的階梯背、斜背和直背式模型。MIRA模型較為簡(jiǎn)單，車身沒(méi)有復(fù)雜附件，底盤簡(jiǎn)化為光滑平板。使用的MIRA模型組均在UG軟件中建立。模型組按照國(guó)際MIRA模型標(biāo)準(zhǔn)尺寸制作，統(tǒng)一的試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅ＷC了數(shù)據(jù)的可比性[3]。模型組如圖1所示。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

在數(shù)值模擬時(shí)，足夠的流體區(qū)域?qū)τ?jì)算精度非常重要。MIRA模型組的計(jì)算域參數(shù)如表1所示。

表1 MIRA模型的計(jì)算域參數(shù)

采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格尺寸最大為512mm(流體網(wǎng)格)，光滑模型車身頂部、底部、尾部和前部表面網(wǎng)格尺寸最大設(shè)置為32mm，輪胎表面網(wǎng)格尺寸最大為8mm，車身表面曲面網(wǎng)格尺寸最大為16mm。為確保模型周圍流場(chǎng)尤其是尾部流場(chǎng)的準(zhǔn)確性，在模型周圍添加密度盒，使模型周圍一定區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格加密，其網(wǎng)格尺寸最大設(shè)置為128mm。為能更準(zhǔn)確獲取所需的流場(chǎng)信息，在非光滑表面上進(jìn)行網(wǎng)格加密，圖2為凹坑網(wǎng)格細(xì)節(jié)，將凹坑表面最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4mm，同時(shí)在車身表面添加三棱柱網(wǎng)格作為附面層，以消除壁面函數(shù)的影響。為了避免網(wǎng)格差異對(duì)仿真結(jié)果的影響，計(jì)算模型的相同部分采用相同的網(wǎng)格尺寸[4]。

對(duì)于3種光滑模型及其對(duì)應(yīng)的非光滑模型，生成的網(wǎng)格數(shù)目如表2所示。

表2 數(shù)值仿真網(wǎng)格數(shù)

邊界條件的設(shè)置為：計(jì)算域inlet為速度入口邊界，速度大小為40m/s，outlet為壓力出口，車身表面car為無(wú)滑移壁面，地板ground為移動(dòng)壁面，計(jì)算域上表面和左右側(cè)面均為滑移壁面。湍流模型選用Realizablek-ε模型，采用2階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散求解。計(jì)算殘差設(shè)為0.000 001，迭代步數(shù)為3 000步。

1.3 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)洞試驗(yàn)[1]采用MIRA模型組，模型幾何縮比為1∶3，利用氣動(dòng)六分力天平和PIV系統(tǒng)對(duì)MIRA模型氣動(dòng)阻力系數(shù)和尾部對(duì)稱面的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)風(fēng)速為40m/s，避免了雷諾數(shù)對(duì)測(cè)量的影響，啟動(dòng)地面附面層抽吸裝置，消除由于風(fēng)洞試驗(yàn)引起的地面邊界層。MIRA模型組風(fēng)洞試驗(yàn)如圖3所示。

MIRA原車模型組氣動(dòng)阻力系數(shù)的CFD數(shù)值仿真與相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)值的對(duì)比如表3所示。從表中可以看出，CFD仿真值與風(fēng)洞試驗(yàn)值的誤差較小，在工程允許誤差的5%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了本文中數(shù)值仿真方法的可靠性。

表3 氣動(dòng)阻力系數(shù)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

2 MIRA模型組尾流結(jié)構(gòu)分析

汽車氣動(dòng)阻力的主要成分是壓差阻力，而壓差阻力與汽車尾流結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，因此改善尾流能很好地降低汽車的氣動(dòng)阻力。當(dāng)來(lái)流為40m/s時(shí)，MIRA模型組尾部速度流線圖如圖4所示。

由于MIRA模型組僅僅是車身尾部幾何形狀不同，因此各車型前端的氣流流態(tài)基本相同，其主要區(qū)別在尾流結(jié)構(gòu)。對(duì)各車型的尾流結(jié)構(gòu)分析[5]如下。

(1) 直背式車尾流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是有比其它兩種車型嚴(yán)重的氣流分離，來(lái)自底板的氣流大量地卷入車身尾流中，致使氣流在后窗玻璃位置產(chǎn)生很大的分離以及嚴(yán)重的尾渦。

(2) 斜背式車尾流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是由來(lái)自頂蓋前端的氣流與側(cè)面氣流混合，流向車身尾部，這股氣流在后柱附近開(kāi)始分離，在后行李箱處出現(xiàn)渦流區(qū)。

(3) 階梯背車身的尾流特征是有3個(gè)尾渦，其一是由于階梯背較大的后窗傾角，導(dǎo)致來(lái)流在此處發(fā)生分離，并在后窗處產(chǎn)生渦流；其二是由于側(cè)面氣流的相互作用，致使氣流分離，這股分離流與來(lái)自頂蓋前端、后風(fēng)窗的氣流匯合，在后行李箱處形成一對(duì)尾渦。

3 尾部非光滑凹坑表面對(duì)氣動(dòng)性能的影響

3.1 非光滑表面的布局參數(shù)

常見(jiàn)的凹坑有矩形、菱形和等差3種排列方式。矩形排列如圖5所示；菱形排列即在矩形排列的基礎(chǔ)上，行與行之間錯(cuò)開(kāi)半個(gè)間距，等差排列即在矩形排布基礎(chǔ)上每一行凹坑的間距呈等差數(shù)列。研究表明凹坑矩形排布的減阻效果是最明顯的，因此，在MIRA模型組上采用矩形排布方式。仿生非光滑表面的減阻是通過(guò)對(duì)邊界層的控制[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)凹坑型非光滑單元體尺寸的選擇必須使其深度小于模型尾部邊界層的厚度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的控制。由于在自然界中的凹坑并不是規(guī)則的半球面，并且整個(gè)半球面的凹坑在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量不高的情況，故采用深度小于半徑的淺球面凹坑，主要尺寸為凹坑邊圓直徑D、深度S、橫向間距W和縱向間距L，并且每個(gè)模型上采用的凹坑形狀、大小和排列均相同。

3.2 MIRA模型組非光滑表面布置位置

由于MIRA模型組前端外形相同，故把非光滑表面加在尾部區(qū)域，以研究不同車尾造型對(duì)凹坑型非光滑車身氣動(dòng)減阻的影響。尾部加非光滑表面的MIRA模型組如圖6所示。

3.3 結(jié)果分析與討論

在MIRA模型組尾部加非光滑表面后，通過(guò)CFD仿真計(jì)算，分別得到3種車型的氣動(dòng)阻力系數(shù)值，并與原車光滑表面的氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比，如表4所示。

表4 光滑與非光滑模型氣動(dòng)阻力系數(shù)仿真值對(duì)比

由表可知，直背式的減阻率最大，階梯背次之，斜背式最小。

圖7分別為直背式、斜背式和階梯背原車模型與非光滑模型的尾部速度流線對(duì)比圖，渦A與渦B[7-8]如圖中所示，對(duì)比分析如下。

(1) 非光滑直背模型渦A的擴(kuò)展范圍較之光滑模型明顯縮小，說(shuō)明能量耗散較小，而渦B的渦流中心到車尾距離比原車模型要遠(yuǎn)離車尾一些，說(shuō)明非光滑模型的尾部受到渦流中心低壓區(qū)的影響較小，尾部的氣流流線較之光滑的模型好，有著更優(yōu)的汽車尾渦[9]，空氣阻力小。因此，非光滑直背式模型耗散的能量會(huì)減少，氣動(dòng)阻力會(huì)相應(yīng)地降低。

(2) 對(duì)比斜背式光滑模型和非光滑模型的尾流，可以發(fā)現(xiàn)變化不是很明顯，但渦B的渦流中心有微小的后移，這對(duì)于氣動(dòng)阻力的減少也有一定程度的作用。

(3) 階梯背非光滑模型中渦A和渦B均無(wú)明顯變化，但光滑模型原有的后窗背后的渦(定義為渦C)消失了，渦C具有一定的擴(kuò)散范圍，會(huì)消耗一定的能量。在尾部加非光滑凹坑后，來(lái)自頂部和側(cè)部在氣流流過(guò)尾部時(shí)，由于凹坑內(nèi)部的渦墊作用，使原本停滯于尾部的氣流繼續(xù)流動(dòng)，使來(lái)流流動(dòng)更加順暢，后續(xù)順暢的氣流相應(yīng)地影響后行李箱蓋上面的氣流流動(dòng)，使后行李箱蓋上面的渦也趨于消失。而渦C的消失說(shuō)明非光滑表面對(duì)于氣動(dòng)阻力的減少起到一定程度的作用。

通過(guò)尾部速度流線對(duì)比可知，在模型尾部加上非光滑表面后，尾部流線均有所改善，但直背式和階梯背較為明顯，尾部速度流線的改善對(duì)于減少氣動(dòng)阻力是有促進(jìn)作用的。

圖8分別為直背式、斜背式、階梯背光滑模型與非光滑模型的的縱向?qū)ΨQ面上的壓力對(duì)比。圖9分別為直背式、斜背式、階梯背光滑模型與非光滑模型中距離尾部400mm處垂直于模型縱軸線的平面上的壓力對(duì)比。由壓力云圖對(duì)比可以看出，由于非光滑表面加在模型尾部，故模型前部的壓力基本無(wú)變化，主要是模型后部或尾部的壓力變化。

(1) 直背式 結(jié)合縱向?qū)ΨQ面和尾部400mm平面云圖可知，模型尾部加非光滑表面后，尾部壓力有明顯變化，可以看出，負(fù)壓區(qū)明顯減小，而正壓區(qū)略有增大。

(2) 斜背式 結(jié)合縱向?qū)ΨQ面和尾部400mm平面云圖可知，模型尾部負(fù)壓區(qū)有所減小，正壓區(qū)有所增大。

(3) 階梯背 結(jié)合縱向?qū)ΨQ面和尾部400mm平面云圖可知，模型尾部負(fù)壓區(qū)減小，而后窗后部處正壓區(qū)有明顯增大。

由于尾部負(fù)壓區(qū)減小，正壓區(qū)增大，使模型前后壓差減小，降低了氣動(dòng)阻力。從壓力云圖也可以看出，直背式模型的壓力變化最為顯著，而斜背式模型的壓力變化程度最小，故3種模型減阻程度的強(qiáng)弱也可以從此得到驗(yàn)證。

在光滑與非光滑模型組車尾后400mm垂直于模型縱軸線的平面上均取兩條垂直的直線，定義為A線和B線，如圖10所示。在A、B兩線上各取60個(gè)點(diǎn)，通過(guò)后處理軟件分別得到直背式、斜背式和階梯背光滑模型和非光滑模型在這兩條線上的湍動(dòng)能對(duì)比圖，如圖11～圖13所示。

通過(guò)湍動(dòng)能對(duì)比圖可知，各模型A線和B線上各點(diǎn)的湍動(dòng)能均發(fā)生變化。

(1) 直背式 非光滑直背式模型的A、B兩線上各點(diǎn)的湍動(dòng)能均要小于光滑模型，并且各點(diǎn)差值較大。

(2) 斜背式 非光滑斜背式模型A線上各點(diǎn)的湍動(dòng)能均要小于光滑模型，但差值較小，而非光滑模型的B線上則出現(xiàn)某些點(diǎn)的湍動(dòng)能高于光滑模型，整體來(lái)說(shuō)，還是非光滑模型上B線的湍動(dòng)能要低一些。

(3) 階梯背 非光滑階梯背模型A線上也出現(xiàn)湍動(dòng)能高于光滑模型的點(diǎn)，并且整體上非光滑模型上A線的湍動(dòng)能高于光滑模型，而非光滑模型B線上各點(diǎn)的湍動(dòng)能均小于光滑模型，并且差值非常明顯。

對(duì)于MIRA模型組3種車型來(lái)說(shuō)，在尾部加上非光滑表面后，直背式無(wú)論A線還是B線，湍動(dòng)能均明顯減小，斜背式的湍動(dòng)能也有小幅度的減小，而非光滑階梯背上A線的湍動(dòng)能要高于光滑模型，但B線上的湍動(dòng)能較之光滑模型顯著減小，故從整體來(lái)說(shuō)，階梯背非光滑模型的湍動(dòng)能也有一定程度的減小。湍動(dòng)能的減小意味著氣流流過(guò)非光滑模型尾部時(shí)，能量耗散會(huì)比光滑模型減少，氣動(dòng)阻力相應(yīng)減小。

通過(guò)3種模型的尾部流線圖、壓力和湍動(dòng)能對(duì)比圖的分析可以知道，3種模型在尾部加上非光滑表面后，均能起到一定程度的減阻效果，但直背式的減阻最為明顯，階梯背和斜背式次之。

3.4 減阻機(jī)理與減阻效果差異分析

汽車氣動(dòng)阻力是由氣流黏性效應(yīng)和渦場(chǎng)所產(chǎn)生的，黏性渦場(chǎng)的形成與車表邊界層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。仿生非光滑減阻方法的實(shí)現(xiàn)途徑就是通過(guò)對(duì)邊界層的控制來(lái)減少湍流猝發(fā)強(qiáng)度，減小湍動(dòng)能的損失，進(jìn)而減小氣動(dòng)阻力。圖14為直背式模型凹坑內(nèi)部氣流。

由圖可見(jiàn)，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)凹坑時(shí)，在凹坑內(nèi)部產(chǎn)生逆向旋轉(zhuǎn)的氣流。凹坑內(nèi)部的低速旋轉(zhuǎn)氣流造成了凹坑內(nèi)部的氣流與外部氣流的氣-氣接觸，形成渦墊效應(yīng)，將原來(lái)光滑模型氣-固表面滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦[10]。根據(jù)滾動(dòng)摩擦遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦的物理原因，凹坑形非光滑表面大大降低了模型邊界層內(nèi)的摩擦阻力，增加了表面氣流流動(dòng)速度，減少了外層高速氣流對(duì)內(nèi)層低速氣流的動(dòng)量傳遞，使原本流不動(dòng)而即將離開(kāi)物面的氣流得以沿物面繼續(xù)流動(dòng)，氣流分離延遲發(fā)生，使其分離點(diǎn)比光滑表面的推后，影響尾跡的氣流會(huì)合，導(dǎo)致模型壓差阻力的減小。

對(duì)于直背式的汽車，一般而言，邊界層的分離是由于其直接截?cái)嗟能囄残螤?，?dāng)來(lái)流到達(dá)汽車末端時(shí)，氣流分離便開(kāi)始發(fā)生，而且比較嚴(yán)重，在直背式尾部以及車窗上下空余部分布置非光滑表面，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)尾部凹坑時(shí)，渦墊效應(yīng)的效果顯著，從而能有效地改善直背式尾部氣流。而斜背式的來(lái)流到達(dá)車頂末端時(shí)，氣流馬上附著在后窗上，能量損失較少，因此當(dāng)氣流流過(guò)凹坑時(shí)，渦墊效應(yīng)作用效果較小。階梯背由于后窗傾角較大，氣流在此處會(huì)分離并產(chǎn)生渦流，而當(dāng)分離的氣流再經(jīng)過(guò)尾部凹坑時(shí)，渦墊效應(yīng)會(huì)改善來(lái)流，并最終使后窗處的渦改善。

故對(duì)于直背式、斜背式和階梯背，在其尾部表面凹坑內(nèi)部均能產(chǎn)生逆向氣流，故其氣動(dòng)阻力減小。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于3種不同車尾造型，直背式模型尾部布置非光滑表面氣動(dòng)減阻效果較之斜背和階梯背模型更優(yōu)。通過(guò)不同車尾造型非光滑減阻效果分析可知，要將非光滑表面實(shí)際應(yīng)用到汽車外表面上，必須考慮不同的汽車外形帶來(lái)的影響。

(2) 在模型尾部布置非光滑表面，能使尾部氣流的分離滯后，有效地改善尾部流場(chǎng)，尾部壓力和湍動(dòng)能均能得到改善。

(3) 凹坑表面對(duì)邊界層的控制行為表現(xiàn)為凹坑內(nèi)部的低速旋轉(zhuǎn)氣流造成了凹坑內(nèi)部氣流與凹坑外部氣流的氣-氣接觸，形成渦墊效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)氣流在凹坑底部產(chǎn)生的摩擦阻力作為一種附加動(dòng)力產(chǎn)生推動(dòng)效應(yīng)。

(4) 本文中僅在尾部加上非光滑表面，沒(méi)有涉及其它部位，同時(shí)非光滑單元體的幾何形態(tài)和車身造型與非光滑減阻的關(guān)系均需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。

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The Influence of Vehicle’s Rear-end Styling on the AerodynamicDrag Reduction of Pit-type Non-smooth Body

Yang Yi , Nie Yun, Xu Yongkang, Gu Zhengqi & Fan Guanghui

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Pit-type non-smooth surfaces are adopted for the three types of rear end (squareback, fastback and notchback) of MIRA model and their wake structures are analyzed to study the effects of different rear-end shapes on the aerodynamic drag reduction of non-smooth car body. Through the numerical calculation of external flow field of models, the flow field, pressure, turbulent kinetic energy and other parameters of rear end of both smooth and non-smooth models are compared. The flow field differences of non-smooth surface of different tail shapes are also compared, the mechanism of aerodynamic drag reduction of non-smooth car body is analyzed, and the reasons for the differences in drag reduction rates of different car tail shapes are explained, providing a theoretical basis for the further research on the aerodynamic drag reduction of non-smooth car body.

rear-end shape; aerodynamic drag reduction; non-smooth surface; wake structure

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51375155)、湖南省自然科學(xué)基金(13JJ3041)和教育部長(zhǎng)江學(xué)者與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(531105050037)資助。

原稿收到日期為2013年3月24日，修改稿收到日期為2013年9月26日。