傅中正

( 重庆理工大学 车辆工程学院，重庆，400054)

0 研究介绍

汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一，直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性[1，2]。为了保证安全性和燃油经济性，现代汽车对高速行驶时汽车的气动阻力和升力提出了更高的要求。在汽车行驶过程中保证阻力较小的前提下，增大负升力，保证汽车的高速稳定性。加装尾翼是提高汽车高速稳定性一种简单有效的方法，但是会增大汽车的阻力。对于加装尾翼的轿车外流场分析，国内研究起步较晚，并且以分析简单扰流板模型为主。国外对特殊造型的尾翼研究，大部分以竞赛汽车为主[3，4]。传统的汽车空气动力学研究是建立在汽车风洞试验基础上。在汽车造型设计过程中,为了改善汽车空气动力学性能，需要花费大量的时间和财力、物力、人力进行汽车风洞试验[5，6]。随着计算机技术的发展和计算流体力学(CFD)的快速发展，基于计算流体力学的汽车空气动力学数值模拟在汽车空气动力学研究中发挥着越来越重要的作用。本文以Mira模型为基础，对加装固定攻角尾翼的阶背式轿车和加装多几何攻角尾翼的阶背式轿车周围的流场进行三维数值模拟，计算车身周围的流场、阻力系数和升力系数。研究加装普通尾翼以及加装多几何攻角尾翼对气动力特性的影响。研究结果表明，安装多几何攻角尾翼的Mira模型，比安装普通尾翼的Mira模型减少了阻力，增大了负升力。

1 模型和网格

1.1 模型

本次模拟旨在研究汽车在加装尾翼时汽车的空气动力特性，采用国内外常用的阶背式Mira模型。计算域长L=37 485 mm、宽W=11 375 mm、高H=7 015 mm，如图1所示：

图1 模型和计算域

尾翼翼型采用低速时具有较大升阻比的翼型NACA6412，其弦长为200 mm。建立三种不同的尾翼的翼型方案，RW1、RW2与RW3。其安装位置都在尾箱末端上方300 mm处。RW1为突变式多几何攻角尾翼，采用端板把尾翼分为三段，两端攻角为-9°，两端总展长为800 mm，中间攻角为+1°，展长为1 000 mm；RW2为渐变式多几何攻角尾翼，两端攻角为-9°，两端总展长为800 mm，在尾翼中间部分攻角从-9°渐变为+1°，展长为1 000 mm。RW3为固定攻角尾翼，其攻角为-9°，总展长为1 800 mm。尾翼RW1、RW2与RW3两端均设置了尾翼端板，来防止尾翼翼尖气流上翻，降低尾翼的升阻比，如图2所示。

(a)尾翼RW1 (b)尾翼RW2 (c)尾翼RW3

1.2 网格策略

模型的网格划分采用了网格加密技术。在汽车周围的小计算域内用尺寸较小的六面体网格，以便更好地处理尾翼、端板等细小面。在外面的大计算域内采用尺寸较大的六面体网格，来减少整体网格数量。汽车周围与尾翼处拉伸5层边界层网格以更好地捕捉边界层内的气体流动状况。每一个计算案例都生成550万左右的网格，经过平滑处理后，网格质量良好。考虑到Y+对数值模拟结果的影响，Y+值最好要小于50[6，7]，本次模拟Y+值在20左右，表明网格划分合理。

1.3 基于实验和仿真的网格策略验证

对于汽车空气动力学数值模拟研究一般应用高雷诺数低速不可压模型，并取与风洞类似的数值模拟边界条件[8]。采用基于有限体积法的 Navier-Stokes方程的商业软件求解。本研究采用Fluent 软件进行计算。为了更好地捕捉汽车尾部大尺度的涡，湍流模型选用Relizablek-e[9]。根据研究需要其余边界条件设置为速度入口(35m/s)，压力出口，滑移壁面边界。经过计算机的求解，就能得出加装尾翼之后整车的升力系数与阻力系数，汽车周围流场，尾翼周围流场等相关参数，并由这些计算结果得出固定攻角尾翼与多几何攻角尾翼的气动特性。

在吉林大学汽车风洞实验室，试验测得阶背式Mira模型的气动阻力系数Cd=0.3029[10]。对阶背式Mira模型，世界上其他风洞试验得到比较统一的阻力系数为0.3[11]。在做本次对比模拟实验之前，用相同的网格方案，相同的边界条件的设定，计算得出Mira模型的Cd=0.2959。通过与吉林大学风洞试验室测得的实验值，和与其他风洞的实验值Cd=0.3相比较，其误差均在2.5%之内，表明该网格方案与数值模拟实验的精度均满足要求。

2 计算结果及分析

加装固定攻角尾翼的Mira模型和加装多几何攻角尾翼的Mira模型数值模拟结果见表1。

表1 安装不同尾翼的Mira模型的气动力系数

安装多几何攻角尾翼RW2时，阻力系数最小，负升力系数最大。其升阻比是三个尾翼中最大的。安装RW2尾翼的汽车在燃油经济性与高速稳定性上面的表现是三者当中最好的。安装多几何攻角尾翼RW1时，阻力系数稍大于安装尾翼RW2的阻力系数，增大了2.1%，负升力系数也稍小于安装尾翼RW2的阻力系数，减少了3.7%。尾翼RW1与尾翼RW2的性能参数上的差距较小。安装固定攻角尾翼RW3时，阻力系数最大，比尾翼RW2增大了9.0%；负升力系数最小，减小了8.9%，其升阻比是三个尾翼中最小的。安装RW3尾翼的汽车的燃油经济性是三者里最差的，高速稳定性也是三者当中最差的。

(a) 尾翼RW1

(b) 尾翼RW2

(c) 尾翼RW3

图3为汽车表面压力分布。安装尾翼RW1与安装尾翼RW2的压力分布图类似，而安装固定攻角尾翼RW3的压力分布不同。安装了尾翼RW1与尾翼RW2的汽车尾部低压区集中在尾箱后缘中部。由图3(c)可以看出，安装了尾翼RW3的汽车尾部低压区在尾箱后缘上平均分布，并且呈现尾箱后缘两边压力较低，中间压力较高。这说明多几何攻角尾翼在其中段的正攻角部分，对于车顶流经车尾的下洗气流有疏通作用，可以让气流更顺利地流过车尾，气流流速加快使车身表面压力降低。而固定攻角的尾翼对这股下洗气流产生了阻碍作用，所以其尾部后缘中部的低压区要高于车尾两端的低压区。

(a) 尾翼RW1

(b) 尾翼RW2

(c) 尾翼RW3

图4为汽车中央对称面的速度云图。安装尾翼RW1与安装尾翼RW2的汽车中央对称面的速度云图类似，但不同于安装固定攻角尾翼RW3。由图4(c)可知，固定尾翼RW3在下洗气流的影响下，实际工作时的攻角远大于设计使用攻角-9°，NACA6412翼型发生气流分离，尾翼造成的拖拽涡与汽车的尾流区的拖拽涡相互叠加，使尾部的湍流区域增大，而尾涡带来了更多的能量耗散，使之阻力急剧增大。而多几何攻角尾翼在汽车尾部考虑到了下洗气流的影响，通过攻角的改变，使尾翼在下洗气流的影响下还能正常工作。在多几何攻角尾翼的引导下，气流更快地从尾翼下表面与汽车尾箱后缘通过，还在一定程度上压缩了尾部拖拽涡的大小，减小了阻力。

图5为汽车中央对称面的压力云图。运动空气的粘性导致汽车前后产生压力差而形成的阻力，约占汽车总阻力的60%左右，是气动阻力的主要部分[11，12]。对比图5(a)(b)与图5(c)，可发现，图5(a)(b)尾部压力要高于图5(c)。在汽车加装多几何攻角尾翼之后，其后部的低压区比加装固定攻角尾翼的低压区有所减小，从而降低压差阻力。多几何攻角尾翼在汽车尾箱上缘与尾翼下表面前缘，压力比固定攻角尾翼低。说明了气流在多几何攻角尾翼中段正攻角部分的引导下，可以更快的从尾翼下表面与汽车尾箱后缘通过。

(a) 尾翼RW1

(b) 尾翼RW2

(c) 尾翼RW3

为了更详细地分析尾翼的工作状态，本次研究在汽车尾翼上布置了6条压力检测曲线，见图6。在尾翼中部，以中线为参考线，以175mm为间隔，在攻角变化的范围内平均取3条线，对比突变式攻角尾翼RW1与渐变式尾翼RW2的区别。在尾翼两端部分，以100mm为间隔，平均取3条线。通过压力线来捕捉尾翼表面的压力变化，见图7。

图6 汽车尾翼压力分布曲线位置图

图7 汽车尾翼不同位置的压力分布曲线

图7为6处不同位置的压力分布曲线。由图6可知，Middle系列位于尾翼中部，Side系列位于尾翼侧部。由图7(a)(b)(c)的压力曲线可知，多几何攻角尾翼RW1与尾翼RW2在尾翼中部、尾翼下表面产生的负压要远大于固定攻角尾翼；在尾翼两端部分，多几何攻角尾翼与固定攻角尾翼表面压力基本相同。在尾翼中部，多几何攻角尾翼的攻角为+1°而固定攻角尾翼的攻角为-9°。在下洗气流的作用下，固定攻角尾翼下表面产生气流分离，降低了尾翼下表面的负压，减小了尾翼的效率。多几何攻角尾翼在下洗气流区通过使用正攻角，来避免气流分离，保证多几何攻角尾翼正常工作。突变式多几何攻角尾翼RW1的气动性能略差于渐变式多几何攻角尾翼RW2。由于下洗气流的下洗角度在不同的纵向截面为渐变的，RW1的中段尾翼两端部分不会像RW2的中段尾翼两端部分会有较小的攻角，来适应渐变的下洗气流。并且多几何攻角尾翼RW1在尾翼突变处存在两个端板来连接两段不同攻角的两段尾翼，在端板上部会产生翼尖涡流，从而增加了阻力。如图7(d) (e)(f)所示，Side系列的尾翼压力分布曲线，尾翼RW1、尾翼RW2、尾翼RW3三者的压力曲线基本重合。在尾翼侧端，此时尾翼已经不受下洗气流的影响，对于固定攻角尾翼RW3设定的-9°的攻角可以在保证气流不分离的条件下产生足够的下压力。多几何攻角尾翼在气流洁净区域，通过其-9°攻角的设定，有了和固定攻角尾翼相同的表现。

3 结论

气流从车身顶部流向车身尾部时，会产生下洗气流。在下洗气流的影响下，安装在车身中部的尾翼攻角与实际工作的攻角不同。下洗流的影响下导致了尾翼中段提前失速，使尾翼减少了下压力的同时，增加了阻力。减小了尾翼的负升阻比，降低了尾翼效率。本文提出了多几何攻角尾翼这一种全新的尾翼设计。多几何攻角尾翼由于其中段的负攻角部分的存在，在中段的NACA6412翼型在下洗气流的影响下仍然能够正常工作。产生足够的负升力的同时遏制了气流分离，保证了中段尾翼的工作效率。在多几何攻角尾翼中，RW2在空气动力学性能上要略好于RW1。RW2的中段尾翼两端部分会有较小的攻角，可以更好地适应渐变的下洗气流的角度。