汽车气动附件对气动力优化的数值仿真

2013-07-13唐天宝郭建成

河南科技大学学报(自然科学版) 2013年1期

唐天宝，郭建成

(1.湖南长丰汽车沙发有限责任公司，湖南永州425101;2.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙410082;3.一汽—大众汽车有限公司，吉林长春130011)

0 引言

随着现代汽车技术的发展，对汽车的空气动力学性能也提出了更高的要求。提高汽车的气动性能，一方面可以通过气动造型来实现;另一方面可以通过加装气动附件来实现[1］。事实上，气动附件已经成为汽车结构中非常重要的一部分，在实际车型中得到了很广泛的应用。

汽车在行驶时受到的气动力中，对汽车气动性能影响最大的是气动阻力和气动升力。气动阻力附件的主要目的是减小汽车行驶时的气动阻力，从而提高燃油经济性;气动升力附件的主要目的和作用是降低汽车的气动升力，从而增强汽车的地面附着性，提高汽车的操纵稳定性和安全性。

计算流体力学(CFD)方法因为其耗时短、不受试验环境及试验器材影响、模型修改方便等优点，广泛应用于汽车气动性能的研究[2］。此外，大量的试验已经证实，CFD仿真对汽车气动性能的数值模拟已经达到很高的精度[3］。

国外对气动附件的研究较为深入，在赛车和乘用车上进行了一定的数值模拟研究。而中国由于CFD仿真的方法起步较晚，对汽车车身气动附件的研究较少。为研究气动附件对汽车气动力的优化效果，本文运用CFD仿真的方法，分别对某SUV模型的气动阻力附件及某跑车升力气动附件进行仿真研究。研究的气动阻力附件主要有车轮阻风板、底盘导流板、侧裙及后扰流器，气动升力附件主要是尾翼。

1 计算流体力学数值模拟

1.1 CAD模型建立

本文以某SUV和跑车模型为基础，其CAD模型是在UG中建立的。由于实车模型比较复杂，会给网格绘制和仿真计算带来很大困难，而且耗时长、效率低，因此需要对车身模型进行简化。忽略一些对气动力计算影响很小的细节，如门把手、雨刮器等;为了保证后续绘制网格的质量，保证结果的收敛性，对模型的尖角处进行圆整处理;为准确模拟实际风洞的气流状况，建立一外轮廓为长方体计算域。根据汽车外流场的特点，结合以往计算经验，设置计算域的大小为:入口距模型前端3倍车长，出口距模型后端6倍车长，总高度为4倍车高，总宽度为7倍车宽。以SUV为例，其计算域如图1所示。

1.2 网格划分

完成对模型的简化和修改之后，运用ANSYS软件绘制模型网格。采用Delaunay三角形方法在整个计算流域面生成半尺寸化网格，在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格作为附面层，以消除壁面函数的影响。为提高计算精度，建立包围车身的密度核，同时为了避免网格差异对仿真结果的影响，在每次仿真过程中，保持模型的相同部分网格尺寸不变，同时用不同数目的网格验证网格的无关性[4］。

图1 SUV计算域示意图

1.3 湍流模型选取

汽车周围流场可以看作是三维不可压缩黏性等温流场。由于其外形复杂，容易引起气流分离，所以应按湍流处理。仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、标准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模型考虑涡流因素影响和低雷诺数效应，可有效模拟汽车尾部和底部复杂漩涡流动结构，计算湍流精度较高，且计算量小，是5种模型中较适于汽车外部复杂流场数值仿真计算的湍流模型[5］。因此，本文对SUV和跑车的仿真均选用RNG k-ε湍流模型。

2 气动附件设计目标

2.1 气动阻力附件设计目标

汽车行驶过程中受到的气动阻力可以分为外部阻力和内部阻力[2］，外部阻力所占总的气动阻力的比例要远大于内部阻力，而形状阻力和诱导阻力占外部阻力的绝大部分。

诱导阻力是伴随升力而产生的阻力成分。汽车顶部和底部的压力差会产生尾涡，这个涡包含着一定的动能，它必须克服部分阻力的功，这部分阻力就是诱导阻力。形状阻力主要取决于汽车车身前方阻止气流前进的压力与车身尾部使压力恢复的压力差。对气动阻力的优化，很重要的手段就是削弱尾涡，减小尾部涡流包含的湍动能。因此，气动阻力附件的重要目标，就是削弱和破坏尾涡，减少尾涡包含的湍动能。

汽车尾涡是由来自顶部、侧面和底部的气流汇聚并相互作用而形成的。汽车底面通常高低不平，使得底部气流变得复杂，形成强湍流区和各种复杂的涡流，当汽车底面光顺度提高时，使得气流流经下表面的摩擦损失降低，同时使气流得到有效的梳理，到达汽车尾部时会降低尾涡的湍流度，因此，可以通过在汽车底部加装气动附件来优化底部的流场。而流经汽车顶部的气流，在流到汽车尾部时向下移，与底部上扬的气流及侧面的气流汇聚，因此，可在顶部加装气动附件，使顶部气流与底部及侧向气流汇聚的位置远离车身。SUV车型的特点是具备较高的车身和较大的离地间隙，应重点对汽车顶部和底部的气动附件进行设计。本文SUV设计的底部气动附件为车轮阻风板、侧围及后底盘导流板，顶部气动附件则是对其后扰流器进行改型。

2.2 气动升力附件设计目标

气流流经汽车表面到尾部汇聚，车身上部的气流和流经车身下部的气流经过的长度不同，从而造成上、下部的气流流速不同，使得上、下部分间形成压力差，从而产生气动升力。气动升力过大时，会降低汽车的地面附着性，从而影响汽车的操纵稳定性和安全性，特别是在转弯时，由于侧向风的影响会造成不安全因素。对普通的轿车和SUV等车型，由于自身质量较大，气动升力一般在安全范围内。但对于高速的赛车和跑车，一方面大量选用轻型的材料(如全铝车身和碳纤维)使得自身质量较轻;另一方面，赛车和跑车在高速范围内行驶，受到的气动升力更大，所以必须减小其受到的升力，一般应受负升力的作用。赛车和跑车的外形都经过优良的气动造型，车身具备很好的流线性，底板一般都是平直的平板，因此，主要通过加装气动附件的方法来产生负升力，最常见的气动升力附件就是尾翼。气动升力附件的主要目标，就是减小车身上、下部的压力差，而对于跑车来讲应产生较大的负升力，因此，本文选取一个跑车模型，主要研究尾翼端板及尾翼形式对其气动升力的影响。

3 阻力气动附件分析

3.1 SUV原车分析

选取某SUV模型分析阻力气动附件作用效果，对SUV原车进行分析。绘制原车网格后，将网格文件导入Fluent软件进行计算，边界条件设置为:计算域入口设为velocity inlet，速度大小为38.9 m/s;计算域出口为pressure outlet;车身表面设为无滑移壁面边界条件;计算域上表面及左右侧面均设置为滑移壁面边界条件;为消除地面效应的影响，设置地面为移动壁面，速度同样为38.9 m/s。

仿真得到原车的气动阻力因数为0.387，其底部压力云图和尾涡示意图分别如图2和图3所示。从图2可以看出:车轮上存在有较大的正压区。从图3可以看出:尾部的涡流附着在后风窗下缘，离车身的距离很近，说明气流在距离车身很近的位置即发生了分离，这将导致较大的气动阻力。因此，可以添加底部气动阻力附件，减小车轮和后底盘受到的正压;同时添加顶部气动附件，通过修改后扰流器延迟气流的分离，使尾涡远离车身，从而减小气动阻力。

图2 原车底部压力云图

3.2 车轮气动附件优化

车轮附件流场的优化，一方面要减小车轮受到的气流的正面直接冲击;另一方面要阻挡来自侧面的气流和底部的气流在轮腔内汇聚形成涡流。车轮阻风板及侧裙是SUV车型上比较常见的气动阻力附件[6-7］，车轮阻风板能有效地减少气流对车轮的正面冲击，而侧裙能阻止侧面气流涌入轮腔体。

因此，确定的车轮附件优化方案为添加车轮阻风板和侧围。首先，参考实际车型的模型，建立了其UG模型，前轮阻风板位于前轮腔前缘，高度为45 mm，后轮阻风板位于后轮腔后缘，高度为65 mm，宽度分别为前、后轮腔最大宽度;侧裙位于车身侧边下缘，长度为1 850 mm，高度为40 mm。

在绘制网格并进行仿真计算，得到安装车轮阻风板和侧裙后，原车的气动阻力因数降低至0.374。车轮对于气动阻力的影响很大，对于F1赛车，由于车轮完全暴露，车轮所引起的气动阻力占总阻力的40%以上。而本文的SUV车型，从图4和图5所示的前轮车轮压力云图可以看出:加装车轮阻风板后，车轮上的正压区明显减小，这表明车轮及轮腔内流场得到优化。车轮阻风板阻挡了气流对车轮的正面冲击，而侧裙阻挡了两侧气流涌入底部，两者共同削弱了汽车轮腔内和底部气流的紊乱程度，起到了降低气动阻力，优化流场状况的作用。

图4 原车前轮压力云图

图5 优化后前轮压力云图

3.3 后底盘气动附件优化

底盘结构的复杂性，会对气流流动形成较大的阻碍作用。对底盘研究表明:底盘阻力占汽车总气动阻力的比例较大，汽车底部外形越复杂，气动阻力因数越大[8］。底部的结构得到优化，对于减小汽车受到的压差阻力、诱导阻力和摩擦阻力都是十分有利的。因此，可以在底部加装导流板，梳理底部紊乱的气流。为此，加装如图6所示的导流板。绘制网格并仿真计算，得到气动阻力因数降为0.380。

加装导流板后，使气流流经的汽车后底盘结构变得平整，减少了对气流的干涉和阻挡，同时，减少了气流在底部的摩擦损耗，这将引起摩擦阻力的下降。而底部结构的优化使得气流的紊乱程度明显降低，从图7所示的原车及底部加装导流板后的流线图中可以看出:后底盘处的气流经过导流板的梳理，在油箱和后车轮附件的紊流程度得到削弱，这表明气流在底部的能量损耗减少。导流板使后底盘复杂结构对气流流速的降低作用削弱，气流能以较高的速度到达尾部，从而降低车身顶部和底部的压力差，尾部气流的向上翻卷状况得到改善，从而一定程度上抑制了尾涡的产生，降低诱导阻力和压差阻力。

图6 加装附件后模型

图7 底部流线图对比

3.4 顶部气动附件优化

汽车行驶时，流经顶部、底部和侧面的气流，会在尾部汇聚形成涡流区，一般来讲，涡流区离尾部越近，表明气流分离越早，能量耗散越大，气动阻力越大。从图3可以看出:原车的尾涡几乎附着在车身上，说明气流在车尾即发生了分离。因此，考虑对其车身顶部的后扰流器进行改型，使流经汽车顶部的气流在到达后扰流器时流向向后，从而得以与来自底部和侧面的气流汇聚于距离车尾较远的区域。为了使尾部涡流区进一步远离车身，将原SUV的后扰流器延长30 mm，如图8所示。

修改模型并绘制网格后，计算得到气动阻力因数降低为0.369。后扰流器延长后，来自顶部的气流在流经扰流器时延缓了流向的下移，因而和来自底部、侧面的气流在尾部汇聚的位置后移，从而削弱了尾涡对汽车的影响，降低了汽车受到的气动阻力。

图8 后扰流器对比

3.5 各方案效果对比及分析

对于本文的SUV，各方案都起到了减小气动阻力的作用，但效果有所不同，见表1。从表1中可以看出:方案1中的底部导流板由于处于底盘靠近车尾的位置，气流在到达导流板前流速已经下降，有些气流已经发生分离和逸散，因此效果相对不明显。方案2中的车轮阻风板明显减小了气流对车轮的正面冲击力，效果相对明显。方案3对后扰流器的修改产生的效果最为显著，扰流器延长后，尾部的湍动能明显减小，尾涡也明显后移。由3组方案的对比可以发现:SUV车型由于具有较高的车身和较大的离地间隙，底部气流的紊乱在近地面位置并不明显，因此，在汽车底部加装气动附件的效果不如顶部气动附件的效果显著，在对SUV车型进行气动优化时，应重点对顶部的气动附件进行设计和优化。

4 升力气动附件分析

汽车行驶时气动升力对汽车的操纵稳定性和安全性有很大影响[9］，尤其是高速行驶时，气动升力对汽车性能的影响尤为突出。跑车车速一般200 km/h以上，此时受到的气动升力很大，对跑车的地面附着性有很大的影响。因此，必须减小跑车高速行驶时的气动升力，一般应保证升力为向下的负升力，如法拉利跑车在200 km/h时受到的1.2 kN以上的负升力。国外已有部分学者从试验的角度针对气动升力进行了分析[10］。试验研究表明:通过加装气动附件可以在减小升力方面取得很好的效果[11］，而负升力翼是其中最为有效的一种。

表1 各附件效果对比

4.1 负升力翼作用机理

负升力翼的概念最早由美国的查帕拉提出，是根据倒置的机翼而设计的，能产生一个向下的力以抵消一部分气动升力[10］。气流流经负升力翼时，在上、下翼面间形成一定的压力差，形成向下的下压力，从而增加车轮的地面附着力。不同的断面形状、高度、支架及端板都会对负升力翼的作用效果有不同的影响。为研究不同外形尾翼对气动升力的影响，参考实际跑车的尾翼形式，建立如图9所示的4种不同外形的尾翼，分别为端板式、折线式、两段式及双尾翼。其中，图9b中的折线式尾翼没有端板，而图9c中的两段式尾翼有4个端板且面积更大。

图9 各尾翼模型

4.2 仿真计算及分析

设置边界条件如下:计算域入口设为velocity inlet，速度大小为70 m/s;计算域出口为pressure outlet;车身表面设为无滑移壁面边界条件;计算域上表面及左右侧面均设置为滑移壁面边界条件;设置地面为移动壁面，速度为70 m/s。仿真得到原车气动升力因数为0.078，各方案气动升力因数见表2。

从表2可以看出:折线式尾翼较端板式尾翼产生的负升力小些，而两段式尾翼的作用效果比折线式和端板式尾翼都显著，这是因为端板能够阻挡气流向两侧的逸散，本方案中的端板面积更大，数量更多，更能阻挡气流向两侧的逸散，因而产生的负升力较端板式和折线式更大。折线式尾翼产生的负升力最小，而双尾翼产生的负升力最大，这是由于其产生的下压力由两个翼上的压力差共同作用产生。

图10为折线式尾翼和双尾翼的压力云图，从图10中可见:尾翼的上翼面压力高于下翼面和支架，因此，在上翼面和下翼面及支架间的压力差形成作用在尾翼上的下压力，这是加装尾翼产生负升力的原因。