孔昕昕，高伟，张学聪

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002)

车辆遇到紧急情况时，需要较高的制动性能。鉴于空气动力学在高速列车上的应用经验，将空气动力学制动技术应用于汽车上，可减轻传统制动装置的负荷。李文华等［1］对汽车加装扰流板，缩短刹车距离，提高了汽车的制动性能。孙连伟［2］对汽车加装尾翼，改变汽车尾部流场，增加尾部负升力，提高了汽车的行驶稳定性。计时鸣等［3］设计了前后对称随动尾翼，通过调整尾翼迎角控制汽车升力大小和方向，达到提高车辆稳定性和节能减排的目的。谷正气等［4］分别对尾翼形式变化、尾翼攻角变化、翼面凹坑直径变化进行单独分析，研究其对气动升力影响。已有研究大多针对汽车加装尾翼的影响进行分析，或者单独对尾翼的形状或攻角进行分析，很少有研究尾翼攻角、纵向水平距离和垂向高度等多尾翼参数对车辆气动特性及制动性能的影响。文中对有无尾翼的高速汽车外流场进行了数值模拟，分析了尾翼攻角、纵向水平距离和垂向高度对整车气动特性及制动性能的影响规律。

1 外流场数值模拟

1.1 MIRA汽车模型建立与验证

根据MIRA 模型组的结构外形及尺寸（图1），按照1∶10 的比例，利用CATIA 软件建立MIRA 半模模型。按照湖南大学风洞试验研究中心对MIRA 汽车的试验条件［5］设置仿真边界条件，风速为30 m·s⁻¹，仿真与试验对比结果如表1所示。由表1可以看出，数值模拟得到的气动阻力系数、气动升力系数和风洞试验结果的误差小于5%，验证了数值模拟结果的可靠性。

表1 CFD仿真值与风洞试验值比较

图1 MIRA模型组尺寸

设定仿真车速为108 km·h⁻¹，翼型弦长为1 m。根据翼片的最大升力系数同几何参数的关系，确保升力系数可达到最大［6］，在Profili 翼型库中分组对比，选取GOE 436 翼型，将尾翼模型加装在MIRA汽车模型上，如图2所示。

1.2 网格划分和边界条件

为了提高计算精度，设计长方体计算域：入口距车头3倍车长，出口距车尾7倍车长，顶部距车身顶端4倍车高，侧面距车身侧面4倍车宽。设置车身表面的网格尺寸为8 mm，有圆角、弧度等尺寸较小的表面网格尺寸为4 mm，尾翼网格尺寸为1 mm。对车身表面的棱柱网格进行局部细化，第1层厚度为1 mm，层数为5 层，增长率为1.2，达到模拟汽车边界层附近流场状态的目的。网格模型见图3，网格总数为430 429。数值模拟的边界条件设置见表2。

图3 加装尾翼后计算域网格

表2 加装尾翼后的边界条件

2 尾翼的影响

2.1 对高速汽车气动特性的影响

对加装尾翼汽车进行CFD 仿真计算，得到压力、速度分布云图如图4～5 所示。由图4 可看出，加装尾翼后，尾翼前缘上表面在气流流过时产生较大的表面压力，使车身尾部具有更大的下压力。从图5 可看出，加装尾翼后，车身尾部气流速度明显增大，并且产生涡流，气动阻力增大。

图4 车身表面压力对比分析云图

图5 纵向对称面上速度矢量对比图

加装尾翼后汽车的阻力系数由0.3332 变为0.4475，升力系数由0.0208 变为-0.3456，可以看出：加装尾翼后汽车阻力系数变大，制动力增强；负升力也明显增加，对地面压力增大，增加了汽车的滚动阻力，提升了高速行驶汽车的制动性能。

2.2 对高速汽车制动性能的影响

加装尾翼后，车辆在高速行驶时尾翼产生的空气动力学特性对有效制动力有较大影响。有效制动力可表示为［7］

式中：F为有效制动力；Fd为空气阻力；F1为空气升力；Fn为竖直方向正压力；f为地面附着系数；A为汽车迎风投影面积；V为相对速度；r为空气密度；Cd为空气阻力系数；Cy为空气升力系数。

设定整车质量为1200 kg，V为30 m·s⁻¹，重力加速度为9.8 m·s⁻²，干燥路面的附着系数为0.7，湿滑路面的附着系数为0.4。将车辆阻力系数、升力系数代入式（1）～（3）中，计算得加装尾翼前后的制动力如表3所示。加装尾翼后，车辆受到的气动阻力增加、升力减小，从而增加在干燥路面及湿滑路面的制动力，有利于提高制动性能。

表3 制动力数据对比 N

3 尾翼参数的影响

尾翼的不同攻角、纵向水平距离和垂向高度对汽车气动特性及制动特性有较大影响。尾翼空间结构如图6 所示，x为尾翼中心距车尾纵向水平距离，y为尾翼中心距车尾垂向高度，θ为尾翼攻角。

图6 尾翼空间结构

3.1 尾翼攻角影响分析

以尾翼垂向高度70 mm、纵向水平距离70 mm为基准，尾翼攻角为变量，在边界条件及求解参数设置不变的前提下，以5°为梯度，逐渐增大尾翼攻角，进行仿真研究［8］。结果如表4所示，可以看出，阻力系数和负升力系数均随着攻角的增大而增大，气动阻力增大，提高了辅助制动效果，下压力的增大使制动力增大。

表4 不同攻角的阻力系数和升力系数

3.2 尾翼纵向水平距离影响分析

以尾翼垂向高度70 mm、攻角0°为基准，尾翼中心距车尾纵向水平距离为变量，在边界条件及求解参数设置不变的前提下，以10 mm 为梯度，逐渐增加纵向水平距离，进行仿真研究。结果如表5所示，当尾翼纵向水平距离为90 mm 时，整车阻力系数为0.4475，随着尾翼纵向水平距离的增大，阻力系数变大；当纵向水平距离超过100 mm时，阻力系数的增长趋势加快；而负升力系数在100 mm 时达到峰值，而后随着纵向水平距离的增大，负升力系数大幅度下降。故尾翼纵向水平距离为100 mm时，车辆有较大的阻力系数和负升力系数，有利于提高车辆的有效制动力。

表5 不同纵向水平距离的阻力系数和升力系数

3.3 尾翼垂向高度影响分析

以尾翼中心距车尾纵向水平距离70 mm、攻角为0°为基准，以尾翼垂向高度为变量，在边界条件及求解参数设置不变的前提下，以10 mm 为梯度，逐渐增加垂向高度，进行仿真研究。结果如表6所示，气动阻力系数随着尾翼垂向高度的增大而增大，而负升力系数随着高度的增加先增加后减小，当尾翼垂向高度为60 mm 时，负升力系数达到最大，此时车辆有较大的阻力系数和负升力系数，有利于增加有效制动力。

表6 不同尾翼垂向高度的阻力系数和升力系数

4 结论

考虑到尾翼系统对高速汽车主动安全性能的影响，对有无尾翼车辆模型进行数值模拟分析，结果表明，加装尾翼能够有效提高车辆制动性能；文中还分析了尾翼攻角、纵向水平距离和垂向高度对整车气动特性及制动性能的影响规律，结果表明，尾翼攻角越大、纵向水平距离在100 mm时、垂向高度为60 mm时，对整车气动特性及制动性能改善最好，有利于提高有效制动力。