孙连伟

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122）

基于CFD的尾翼对汽车稳定性数值分析

孙连伟

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122）

文章以一种常见轿跑车为分析对象，采用CFD计算方法对高速行驶过程中的汽车进行三维数值模拟，对车体加设尾翼装置前后的外流场进行了分析研究。考察了尾翼装置对汽车空气动力特性的影响，为实际生产提供一种高效设计手段。通过分析发现加装汽车尾翼装置可以增加车体表面压力加大车轮对地面的附着力，同时改变汽车尾部流场，降低了尾部因气流回旋造成的升力。虽然安装尾翼装置后汽车能耗会在一定程度上增加，但是可以大大提高汽车的行驶稳定性。

汽车；空气动力学；尾翼；计算流体力学

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.054

CLC NO.:U467.3 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-158-03

前言

随着计算机技术高速发展，计算流体力学（CFD）在实际汽车设计生产中得到广泛应用，特别是在汽车外形设计中，由于这种分析方法不受场地和实验环境条件的影响，可以根据设计需要随意改变车体形状和流体边界条件，通过CFD理论进行设计方案分析能大大提高设计效率，降低设计成本，相比传统的实验设计，CFD能获取实验中不能采集到的信息。在汽车高速行驶过程中，汽车的稳定性直接影响人员的安全，为了改善汽车高速行进过程中产生“发飘”的问题，国内外已有很多科研人员通过实验对“发飘”过程汽车空气动力学进行大量分析[1-2]，实验分析结果表明，采用增设负升力翼可以很好的控制升力[2]，本文以常见的汽车外形为计算模型，采用CFD数值计算方法，分析车体添加尾翼前后空气动力特性变化。

1、理论基础

三维流场数值计算是以流体力学理论为基础的，采用有限体积方法进行计算，这种方法是将流体计算域划分为有限个网格单元，然后对流体动力学方程组求解。

除竞技汽车以外，汽车行驶速度均小于声速，其流体动特性符合低速空气动力学[3],车体周围流场可视为不可压缩流体，文献[4]提出Realizable k-ε模型在升力 计算上比较符合实际情况，其结果也具有良好的收敛性。对于三维非定常流动的流体动力学方程组[5]：

连续性方程：

动量方程：

湍动能方程：

是i方向速度矢量的分量；xi、xj分别是位移在i和j两个方向的分量；v是粘性系数；ε是耗散率；G为湍动能项。

2、计算模型与边界条件

图1 车体几何模型Fig.1 The geometric model of car

本文用solidworks对车体模型进行三维建模，为了提高仿真效率，对车体模型进行简化，省略车体上的一些细节，如把手、雨刮器、后视镜等，为了计算车体底部流场情况，故虽简化了车轮模型，但将车轮高度考虑到流体域中。

为了使得计算结果更准确，以车轮与地面接触的位置为流体域的直径所在边建立一个半圆轮廓的仿真区域，根据外流场计算经验，仿真域的入口距离车体前端为3倍车长，出口距离车体后端为7倍车长，半径为7倍车宽[6]网格方面采用非结构网格进行划分，无尾翼车体模型和有尾翼车体模型网数量均为210万左右。计算的边界条件如下：流体域入口速度为45m/s，设置流体域出口为压力出口，在车身表面考虑为无滑移壁面边界。

3、计算结果与分析

图2为增设尾翼装置前后车体表面压力分布情况，可以看出在同一边界条件下，增设尾翼后车体表面压力最大值虽然接近，但是各网格单元表面压力值高于未增设尾翼时，特别是在车体尾部两者差异比较大，因此假设尾翼可以提高流体对车体表面压力，能大大增加车轮的抓地能力，改善高速行驶时车体不易稳定，发飘的问题。

图2 增设尾翼前后车体表面压力分布情况Fig.2 The pressure distribution of car surface with tail and without tail

图3增设尾翼前后车体周围气流速度分布云图，可以增设尾翼前后车体前部气流速度变化不明显，增设尾翼可以扩大汽车尾部低流速范围。

图3 增设尾翼前后空气流动速度情况Fig.3 The velocity distribution with tail and without tail

图4分别为增设尾翼前后车体周围流体域的动压图，动压计算公式为：

结合动压与气体流速关系式（4）可以看出动压和速度分布趋势应该是相似的，从图4中也印证了这一点，增加尾翼后低流速区域会扩大，造成低压区域增加，使得尾部气流压力梯度变化更大，这样车体尾部受到气流压力作用更明显，作用到汽车表面的压力也随之变化，可提高车体尾部的稳定性。

图5 增设尾翼前后车体尾部空气流动情况Fig.5 The air flow of the rear with tail and without tail

图5是增设尾翼装置前后车体尾部空气流向图，从图中可以看出气流在尾部形成低压力区域，在无尾翼装置的情况，气流在尾部形成明显气流漩涡，接近车体尾部壁面位置处气流向上，产生向上的升力，造成车轮的抓地力降低，而在增设尾翼后，尾部低压力区域分成了两部分，在两部分中间有部分高速气流通过，破坏了未增设尾翼装置时的涡流，使得向上产生的升力减小，因此可以达到增加车轮与地面的附着力的目的，让汽车在高速行驶时，不会产生尾部因附着力不强产生“发飘”的问题。

图6 增设尾翼前后湍流动能变化情况Fig.6 The change of turbulent kinetic energy with tail and without tail

图6为增设尾翼装置前后尾部流场的湍流变化情况，未安装尾翼装置时尾部湍流动能比较小，安装完尾翼装置后的尾部湍流动能比较大，特别是在尾翼装置附近，明显高于周围流场的湍流动能，湍流动能较大的区域湍流耗散率就会比较大，湍流动能将转化为热能散失到空气中，因此增设尾翼装置后能量消耗会比未添加尾翼时要大。

4、总结

采用CFD分析方法对车体添加尾翼装置两种工况流场进行数值计算，为指导实际汽车工业设计生产提供了高效的理论依据，本文建立了车体流体域计算模型，对两者流场变化情况进行分析，并得到如下结论：

（1）增设尾翼装置以后，车体表面压力分布情况有明显变化，特别是车体后半部分上表面，增加尾翼后这一区域的表面压力明显高于安装尾翼之前，可提高车轮与地面的附着力，改善高速行驶中“发飘”的问题。

（2）通过计算发现在车体尾部在高速行驶时会产生一个低压流体域，未增设尾翼的车体产生的低压流体域内会产生明显漩涡，贴近汽车尾部会形成上升气流，降低了车轮与地面的附着力，添加尾翼后这一问题得到明显改善。

（3）通过对湍流动力的分析发现添加尾翼装置以后湍流动能较大的区域面积明显变大，且湍流动能数值也明显增加，说明增设尾翼后能耗会有所增加。

[1] Dumas L, Herbert V. Hybrid method for aerodynamic shape optimiza -tion in automotive industry . Computers & fluids, 2004[J], 33(5):849-858.

[2] Joseph Katz ,Garcia Darwin ,Sluder Robin. Aerodynamics of race car lift off [R]. [S.l.] :SAE,2004.

[3] 谷正气.汽车空气动力学.北京:人民交通出版社[M],2005.

[4] 宋昕,谷正气,何忆冰,等.基于 Ahmed模型的气动升力研究[J].汽车工程, 2010, 32 (10) :846 -851.

[5] 刘伯潭，李洪亮，潘书杰.复杂汽车消声器内部流场模拟[J].汽车技术，2006,2:21-24.

[6] 谷正气,郭建成.张清林等 某跑车尾翼外形变化对气动升力影响的仿真分析[J].北京理工大学学报,2012,32(3):248-252.

The car spoiler for stability analysis based on CFD

Sun Lianwei
（Liaoning Provincial College of Communications, Liaoning Shenyang 110122）

Based on a common coupe as analysis object, using CFD calculation method in the process of high speed car for simulation of the flow field before and after the body including the rear wing, examines the rear wing device influence on automobile aerodynamic characteristics, and provides a highly efficient design method for practical production. Analyzing the installation of car rear wing device can increase pressure wheel on the ground adhesion to the surface of car body, change the flow field ,and reduce the rear wing lift force caused by the airflow swirl. Installing the rear wing device after automobile energy consumption can increase a certain extent, but the driving stability of vehicle is improved greatly.

Car Aerodynamics; rear wing; Computational fluid dynamics

U467.3

B

1671-7988(2016)01-158-03

孙连伟，就职于辽宁省交通高等专科学校。