张英朝，郑镇雨，吴开广，张 喆

（吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022）

前言

现如今汽车的舒适性、安全性和经济性得到越来越多的关注，与这些性能有密切联系的汽车空气动力学性能变得越来越重要。最受关注的便是由汽车车身气动阻力引起的燃油消耗，因此车身的气动减阻成为了关注的重点。在以往的研究中，大部分研究人员采用了改变汽车外形以及车身附件的使用和改型，称之为被动减阻。这种减阻方法一方面会增加车身的总质量，另一方面会极大地影响车身的造型和美观。采用主动减阻的方式可以很好地规避上面提到的缺陷。

国内外近年来有许多关于MIRA模型流场的分析以及流动控制策略的研究。MIRA模型是一种接近实际轿车形状的标准车型。通过对MIRA快背式模型的流场分析可知，若能将一些策略应用到模型上使得模型正迎风面的正压减小或者使模型背风面的压力增大，模型的气动阻力将会得到极大的降低［1］。Beaudoin和Aider得到了前部流场结构对尾流场结构有显著影响的结论［2］。Hucho等对经典快背式车型的外流场进行了分析，发现了由A柱而来的A柱涡和由C柱而来的C柱涡［3］。王子杰利用PIV试验总结出MIRA模型流场的3个典型纵向涡，其中包括从A柱发展的A柱涡，C柱发展而来的C柱涡，由车尾侧面和上翘脚侧面产生的D涡，车尾上下两部分产生的E涡和F涡［4］。在主动流动控制方面，Lehugeur通过对Ahmed模型尾部顶端的吹气设置达到了6%的减阻效果［5］。文献［6］中在尾部斜面顶部设置了抽气和吹气，抑制了气流分离，达到了17%的减阻效果。Leclerc通过在尾部顶端设置合成射流，达到了8.5%的气动减阻效果［7］。本文中基于MIRA快背式模型的流场机理，对气动阻力系数影响比较关键的6个部位施加射流方案，并将不同的射流口尺寸和射流速度进行组合，探究这些参数对流动控制效果的影响。

1 仿真模型和仿真参数

1.1 仿真模型

本文中用PowerFlow软件进行仿真计算。PowerFlow是基于格子—玻尔兹曼方法实现的。格子— 玻尔兹曼方法具有一些其他CFD仿真方法所不具备的优势，这种方法直接反映和描述了流体分子，运算物理项是从分子之间的相互作用中提取的。数值仿真当中使用的湍流模型为VLES模型，VLES模型求解计算的Kolmogorov范围以外的各向异性涡流，可有效减少计算资源的消耗。

1.2 仿真参数

本文中研究对象为国际标准的MIRA快背式模型，这种简化的汽车模型的气动研究已经十分广泛。图1为MIRA快背式模型的三视图以及对其主要尺寸的标注。表1为瞬态仿真的参数设置［8］。

图1 MIRA快背式模型三视图

2 MIRA快背式模型各位置射流减阻方案仿真分析

经过对原模型的外流场稳态和瞬态的仿真分析，已经得到了原模型外流场的基本结构。接下来力图通过射流作用有效减小车身正迎风面压力并增大背风面的压力［9］。图2展示了本文中选取的6个射流方案的具体位置。A位置在发动机罩的后缘；B位置在前轮的正迎风面；C位置在车身侧面靠近车轮的位置［10］；D位置在车身后风窗下部的位置；E位置在车身尾部上翘角的末端；F位置在车身的尾部。

表1 瞬态仿真参数设置

图2 主动减阻射流口位置

A位置（发动机罩后缘）的射流是沿Z轴正方向的，在该位置添加射流口后，前部来流在经过发动机舱盖继续上行的过程中会更平稳过渡到车顶。由图3可以看出，前风窗的正压力明显减小，前部来流对于前风窗的冲击明显减弱，阻力系数降低了0.018。

图3 原模型与A位置射流模型Z向静压系数云图对比

B位置（前轮正迎风面）的射流沿Z轴负方向。该方案的目的是使气流在经过前唇之后继续下行，尽量绕过车轮而不正面冲击车轮。由图4可以看出，B位置射流减阻方案使得气流下行趋势明显，车轮前部的压力减小，最终达成了0.003的减阻效果。

图4 原模型与B位置射流模型y＝633 mm截面静压系数云图和流线图对比

C位置（车身侧面靠近车轮的位置）的射流方向为沿±Y方向向外射出［11］，目的是将车身底部气流由侧面排出，降低车身底部的涡量。由图5可以看出，C位置的射流减阻模型的前轮后部压力升高而后轮前部的压力降低，整车的压差阻力有所降低，阻力系数降低了0.012。

D位置（后风窗下部）的射流方向沿着Z轴正向。由图6可以看出，D位置射流减阻模型的吹气方式使得后风窗后缘的压力升高，这是因为后缘位置向上的吹气对顶部下行气流产生阻滞作用使得后风窗后缘压力增大，有很好的减阻效果。但另一方面，这种阻滞作用使得尾流区的尺度增大，对减阻又产生了消极影响，所以D位置的射流工况仅仅减阻0.003。

图5 原模型（左）与C位置射流模型（右）静压系数云图对比

图6 原模型与D位置射流模型侧向压力系数云图和流线对比

E位置（尾部上翘角的末端）的射流沿Z轴的负方向，该射流会对底部的来流产生阻滞作用，上翘角位置的压力会明显增大［12］。另外，E位置的射流产生的来流阻滞效果抑制了D涡的生成，这也产生了一定的减阻效果，E方案共减阻0.005左右。

F位置（车身的背部外缘）的射流吹气沿X轴正方向，与风速相同，与车辆的行进方向相反。由图7可以看出，F射流减阻模型的尾流区的尺度明显减小，这是因为F位置的射流对C柱涡和D涡都产生了一定冲击，破坏了涡流的继续发展［13］。

由于F位置的射流工况的射流方向与阻力产生的方向是相同的，需要用一定的方法将其对阻力的影响进行修正。在这里采用式（1）进行阻力系数的修正［14］。经过修正的阻力系数的值为0.276 8，减阻0.012。

图7 原模型和F位置射流减阻模型总压为零等值面视图

式中：Cdprofile为修正后的气动阻力系数；Cdglobal为未修正的气动阻力系数；Cjet为射流力矩影响产生的气动阻力系数；Fd为未修正的气动阻力；ρ∞为来流密度；Arefcar为模型正投影面积；ρjet为射流气体密度；Arefslot为射流孔面积；Ujet为射流速度；U∞为入口速度。

表2展示了各射流减阻方案的阻力系数（Cd值）以及与原模型的阻力系数差距，可以看出各方案均起到了一定的减阻效果。接下来将会把各位置方案进行组合，分析综合的减阻效果。

表2 各位置射流减阻效果

3 各位置最优射流方案组合研究

前文中得到了各个射流方案的具体效果，由于其中一些射流位置的射流影响范围较大，有些射流位置的射流效果会产生相互作用，因此有必要将各位置的射流组合考虑。经过仿真验证，将各个位置最优方案进行总结后得到的阻力系数值为0.221 6，但因为F位置的射流方向与阻力产生的方向相同，使用前文中提到的修正方法得到修正后的阻力系数值为0.241 4，实现了16.3%的减阻效果，阻力系数降低了0.047。图8为组合射流模型和原模型的阻力系数发展曲线的对比图，从中可以明显看出两者的差别。在前风窗之前的位置，组合射流模型的阻力系数大于原模型，这是因为前风窗边缘和前轮位置射流口Z向吹气产生的阻滞作用的效果［15］。在车身的中段，从前风窗位置开始，组合射流模型的阻力系数开始明显低于原模型，在车身后部组合射流的减阻效果更加明显。

图8 组合射流模型与原模型阻力系数发展曲线对比图

由图9可以看出，组合射流模型前风窗的正压区的整体压力明显减小，后风窗位置的压力明显增大，意味着模型前后压差的降低。由图10可以看到，后轮前部的正压明显减小，这是由于C位置（车身侧下部）射流吹气减弱了车底以及后轮前方的气流阻滞区，使得底部气流对于后轮的正面冲击减弱［16］。从图11中可以看到尾部上翘角的位置压力明显增大，减阻效果明显。另外，由背部压力系数云图可以看出，组合射流模型中F射流的效果依然明显，背部压力明显增大。

图9 组合射流模型与原模型表面静压系数云图（Z轴负向视图）

图10 组合射流模型与原模型表面静压系数云图（Z轴正向视图）

图11 组合射流模型与原模型表面静压系数云图（车身背部）

4 结论

本文中选取了快背式的MIRA模型进行优化减阻的研究。首先对MIRA原模型的外流场进行了分析，确定了车身的外流场结构以及一些耗能涡的状态和位置。然后拟定了6个位置的主动流动控制方案，即射流减阻方案，目的是减小模型的前后压差阻力并在一定程度上抑制耗能涡流的发展和产生。经过仿真的验证，各位置射流方案均取得了很好的减阻效果。最后将各位置最优方案组合形成组合射流模型，得到的组合射流模型阻力系数值为0.241 4，实现了16.3%的减阻效果。