李春鹏，赵 婧

（中国第一汽车集团有限公司，长春 130000）

通常道路上行驶的汽车受到的阻力主要是滚动阻力和空气阻力，随着车速增加，空气阻力的占比逐渐增加。当车速达到60 km/h时，空气阻力占整车阻力的一半。而在国内高速公路最高限速120 km/h的情况下，空气阻力占整车阻力的绝大部分[1]。因此，降低整车空气阻力是当前汽车行业内性价比较高的节能降耗手段。汽车行驶时空气阻力主要分为压差阻力与摩擦阻力，而压差阻力占总阻力的绝大部分。压差阻力受造型设计影响较大，因此，通过整车造型及附件优化减小整车前后压力差对降低风阻具有重要意义。

作为SUV车型的传统重要部件，尾翼是增强造型效果和降低整车风阻的重要部件。单纯从降低整车风阻系数的角度来分析，尾翼的作用主要是强制顶部气流分离，同时延长分离点，并通过下压或上翘实现顶部气流方向控制，从而控制尾涡结构，降低风阻。

本文将重点介绍某电动SUV车型（配置悬浮式尾翼代替传统尾翼）实现降阻的过程、遇到问题的解决办法及原理探究。

1 背景介绍

1.1 传统尾翼

与赛车上的尾翼不同，SUV车顶末端的尾翼设计主要起到疏导气流、改善尾部流场的作用，因此也被称为后扰流板。由于后扰流板对顶部气流方向的控制，所以尾翼能够较有效地引导顶部气流分离，延长分离点，同时通过控制其上表面的角度可直接控制车顶高速气流的出射方向，进而改变尾涡结构，控制整车风阻系数。传统SUV车顶尾翼如图1所示。

图1 传统SUV车顶尾翼

由于尾翼是SUV控制尾部流场、降低风阻的重要附件，所以对它的优化设计从未停止。研发至今，为兼顾性能与造型，当前市面上SUV车型的尾翼仍为传统造型风格。

1.2 悬浮式尾翼

随着乘用车造型风格向运动化发展，轿车逐渐趋于轿跑车风格，而SUV也逐渐趋向轿跑SUV造型风格。因此，各大厂商纷纷发布配置了悬浮尾翼的SUV车型。经过对某SUV流场分析后发现，该方案不仅满足造型风格的发展趋势，而且通过合理设计，其对引导车顶气流，改善尾涡结构降低风阻同样具有明显作用。悬浮式尾翼如图2所示。

图2 悬浮式尾翼

2 方案过程介绍

2.1 基础工况状态说明

如前所述，本文针对某电动SUV，采用瞬态仿真软件PowerFLOW对其进行数值分析。从基本工况y=0 mm速度切片分布图（图3）得出以下结论。

（1）底部气流在后保下沿发生分离。电动车底盘平整度较高，流入尾涡的底部气流速度较高。

（2）该基础工况尾翼造型风格导致其末端稍上翘。

（3）尾翼上翘的造型风格导致车顶高速气流上扬射出，底部气流上卷，尾涡结果较差，尾涡尺寸较大。

图3 y = 0 mm速度切片分布（基本工况）

2.2 第一阶段优化方案及结果分析

根据基础工况流场分析结果设计尾翼下压方案。利用ANSA有限元软件，在尾翼整体厚度不变的情况下，将其末端沿z向下压65 mm，x向不变，旨在通过改变顶部气流方向，使尾涡上、下气流强度平衡，改善尾涡结构，降低整车风阻。优化前后尾翼y= 0 mm截面模型对比，如图4所示。

图4 y=0 mm 截面模型切片

将优化方案y= 0 mm速度切片分布图与基本工况进行对比得出两点结论：（1）顶部气流分离后的出射方向由上扬改为下压，尾涡区z向尺度明显减小。（2）上、下气流在尾涡中更加平衡，尾涡结构得到较明显改善。尾翼下压优化后尾部流场y=0 mm速度切片分布，如图5所示。

图5 y=0 mm 速度切片分布（尾翼下压优化后）

2.3 方案推动及悬浮式尾翼方案引入

在上述方案推动过程中，由于尾翼下压尺寸较多，所以与造型风格不符。经过一段时间的沟通及讨论，最终提出悬浮式尾翼方案，即尾翼前端与车顶断开，形成开口，从而既能保留造型风格又能满足性能要求。悬浮式尾翼y= 0 mm截面模型切片，如图6所示。

图6 y=0 mm 截面模型切片（悬浮式尾翼）

经过空气动力学仿真验证后，证明该方案的确具有一定的降阻效果，顶部气流具有下压趋势，从而改善尾涡结构。该方案相比于基础工况，整车风阻系数降低0.020，降阻效果显著。更换悬浮式尾翼尾部流场y= 0 mm速度切片分布，如图7所示。

图7 y=0 mm 速度切片分布（悬浮式尾翼）

2.4 发现问题

更换悬浮式尾翼使整车风阻系数降低，但背部表面压力图出现后风窗单侧低压区明显增加，尾部两侧涡极不对称的现象。背部表面压力及ISOCpt=0如图8所示。

图8 背部表面压力及ISO Cpt=0

此外，在后续针对后视镜等进行优化方案验证时，发现尾部流场敏感性较高，后视镜优化、增加尾翼支架导致风阻增加0.008。该现象立即引起了专业及项目组重视，经专业讨论后判断该现象可能与悬浮式尾翼从车顶引入的新气流相关，因此，决定针对开口气流控制方向寻找问题解决的突破口。

2.5 问题解决过程及结果

分析发现，导致上述现象的主要问题是：尾翼开口位置引入的顶部气流流入后风窗表面，从而导致背部表面压力降低以及侧部气流塌陷。

经过讨论明确以下设计方案，验证上述猜想是否正确，同时解决上述问题。

2.5.1 尾翼开口增大

尾翼悬浮部分前端截断，从而使尾翼开口增大。仿真验证后发现，开口加大后，引入气流增加，后风窗低压区增加，整车风阻系数增加0.002，与推测一致。

图9 y=0 mm 截面模型切片（尾翼开口增大）

2.5.2 上翘结构设计

明确由于开口引入的气流流到后风窗导致表面低压区增加及尾涡结构破坏，所以决定在车顶末端即后风窗顶部设计上翘结构，强制气流分离的同时避免开口气流流入后风窗，该方案降阻0.007。

2.5.3 结果

基于强制气流分离，改变气流出射方向，延后气流分离点的几个影响风阻系数的关键因素，针对上述上翘特征进行几轮优化，在上述方案基础上继续降阻0.003，最终版悬浮式尾翼如图10所示，该悬浮式尾翼方案相比于基础工况降阻0.025，明显改善了尾涡结构，提高了稳定性。最终版悬浮式尾翼方案尾部流场y= 0 mm速度切片分布如图11所示。

图10 y=0 mm 截面模型切片（最终版悬浮式尾翼）

图11 y=0 mm 速度切片（最终版悬浮式尾翼）

表1 仿真算例历程

3 原理探究

以上方案有效改善了悬浮式尾翼导致的尾涡不平衡现象，但对于该现象产生的具体原理及是否存在更有效的控制手段仍未知。在此后的项目研发过程中，一次数据更新后，尾涡不平衡及后风窗两侧低压区增加的现象再次出现，导致风阻急剧增加。结合此次的问题分析及解决过程，对该尾涡不平衡现象进行更深入的原理探究。

3.1 现象描述

数据更新后原平衡的尾涡状态被严重破坏。原本存在的后风窗两侧表面低压区明显增加。数据更新前后尾部流场y= 0 mm速度切片分布如图12所示，数据更新前后后风窗表面压力对比如图13所示。

图12 y=0 mm 速度切片对比

图13 背部表面压力图对比

3.2 原理分析

基于车身背部拓扑结构分析及后风窗表面流线分析判断：本次数据更新前后，尾涡从典型方背式尾涡结构转变为类阶背式尾涡结构。数据更新前后后风窗表面流线对比如图14所示。

图14 背部表面流线对比

阶背式汽车从车顶末端分离的流体会绕着分离泡的侧面流动到后风窗上，在贴近后风窗位置形成大的回旋涡（图15中的绿色显示）。而随着回旋涡不断向下发展，其剪切层不断脱落（图15中的黄色显示），涡旋周期性地从分离区释放出来，并进一步流动到下游，最终形成一对较大尺寸的涡旋（图15中的红色显示）。GILHOME称这种涡旋为“发夹涡旋”。其靠近后风窗的部位导致后风窗表面形成与C柱涡旋向相反的一对涡，在二者的相互作用下导致后风窗形成低压区，从而产生了上述现象[2-3]。

由于尾涡结构复杂，所以在本案例中其是否与上述阶背式汽车背部现象完全一致，暂无法准确判定，需在后续风洞试验中加以验证分析。

图15 阶背式汽车背部拓扑结构

3.3 控制要点

综上所述，悬浮式尾翼引入的气流在顶部分离泡的作用下流动到后风窗上，进而与C柱涡相互作用使后风窗表面压力降低，从而导致上述现象的发生。因此，该现象产生的重点在于开口尾翼引入气流的流向、流量与C柱涡（即侧部气流）的相互作用。

上文提到的尾翼开口下表面增加上翘特征起到了改变开口气流流动方向、减小流入后风窗气流流量的效果。此外，基于尾翼上翘方案对尾翼进行以下两种优化方案设计，同样可以达到降阻及尾涡稳定性提升的目的。

（1）尾翼开口两侧适当封堵，减少尾翼开口引入气流总流量，减少流向后风窗的流量，改善后风窗压力。

（2）后风窗低压区附近C柱扰流条加长，阻隔侧部气流与尾涡的相互作用，改善后风窗低压区。

4 结论

通过优化某电动SUV车型尾翼，使整车风阻系数降低7.2%，NEDC工况能耗降低2.6%，提升了续驶里程。此外，在SUV车型尾翼优化方案设计方面得出以下结论：

（1）SUV搭配悬浮式尾翼与传统尾翼末端下压均能够实现对顶部气流出射方向的控制，从而改善尾涡结构，降低风阻。

（2）SUV搭配悬浮式尾翼是当下造型设计的趋势，但需注意其对原本稳定的SUV尾涡结构带来的不利影响。针对本研究中出现的问题，对尾翼开口及C柱扰流条进行优化可起到一定的改善和控制作用，若遇到相同情况可参考。

（3）该现象在此前开发的车型中尚未出现过，该车为首个搭配悬浮式尾翼的SUV车型，尾涡敏感与其相关。本文中所述方案仅为解决项目开发中遇到的相应问题所设计，该类型尾涡结构及整体控制的具体手段需进一步探究。