倪 捷,劉志強,胡國梁,范秦寅

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮(zhèn)江 212013; 2.大阪大學工學部,日本大阪 5650871)

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2015234

帶有減阻增穩(wěn)仿生結構的車輛空氣動力學特性仿真研究*

倪 捷1,劉志強1,胡國梁1,范秦寅2

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮(zhèn)江 212013; 2.大阪大學工學部,日本大阪 5650871)

本文中采用CFD數(shù)值模擬的方法，研究仿生結構對某轎車空氣動力學特性的影響。先對原車進行不同行駛速度下風阻系數(shù)的仿真計算，并通過風洞試驗來驗證數(shù)值模擬的有效性。再在原車的尾部加裝擾流板和采用非光滑棱紋仿生結構，并進行不同行駛速度下的車輛氣動特性仿真。結果表明，棱紋形態(tài)的仿生表面能夠延遲氣流分離，較好地梳理了尾部氣流；在高速行駛時，采用帶有擾流板和棱紋仿生結構有顯著的減阻增穩(wěn)效果，最大減阻率為2.59%，升力系數(shù)下降幅度在55%以上。

車輛；空氣動力學特性；工程仿生；減阻增穩(wěn)；計算流體力學

前言

車輛空氣動力學特性直接影響著其經濟性、動力性和行駛穩(wěn)定性。大量研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，車輛在高速行駛時，發(fā)動機輸出的有效功中，大約有60%用來克服空氣阻力，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油經濟性提高約7%。因此，在“節(jié)能減排”的國家號召和現(xiàn)實需求下，提出行之有效的車輛減阻增穩(wěn)方法，顯得尤為迫切和重要。

生物界普遍存在的非光滑的表面形態(tài)通過控制邊界層改變物體表面流場，從而具有減阻功能[4-5]。同時，通過對魚類游動方式的研究發(fā)現(xiàn)，魚類中央鰭/對鰭的運動可以調整自身運動形態(tài)，對流經身體表面的流動介質實施干擾，可以提高其運動穩(wěn)定性[6-7]。上述仿生學研究成果為開展車輛仿生減阻增穩(wěn)研究提供了契機。文獻[8]中進行了具有非光滑表面的旋成體的風洞試驗和數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)非光滑表面的減阻效果大約為5%。文獻[9]中研究了凹坑型非光滑車身表面的減阻特性，指出凹坑單元體矩形排列最大可達7.62%的減阻效果。文獻[10]中研究了非光滑表面尺寸和組合布置位置對汽車氣動性能的影響，指出行李艙蓋、車身尾部和車身底部非光滑單元體的合理組合與布置具有減阻效果。

然而，利用仿生結構進行車輛氣動減阻增穩(wěn)，需要綜合考慮仿生結構的形狀、空間位置和車輛行駛工況等影響。本文中利用CFD數(shù)值模擬的方法，研究在不同行駛工況下，具有仿生結構的車輛空氣動力學特性規(guī)律，分析其減阻增穩(wěn)效果與內在機理，為車輛仿生學研究和工程應用提供理論依據(jù)。

1 原車模型計算和風洞試驗

1.1 幾何模型的建立

對某轎車進行1∶1的幾何建模。由于計算條件的限制，忽略了輪胎胎紋、后視鏡和雨刮器等細微特征，對轎車底部也進行平整處理，簡化了輪胎模型；同時考慮到作用在輪胎上的阻力和升力對車輛空氣動力學特性的影響，將輪胎的旋轉運動施加到計算模型中。最終建立該車的幾何模型(如圖1所示)，其總長、總寬和總高分別為4.488，1.716和1.318m。

1.2 計算域的確定和網(wǎng)格劃分

根據(jù)汽車外流場CFD模擬經驗[11]，計算域為長方體區(qū)域，長為15倍車長，其中出口距車身尾部10倍車長，寬為10倍車寬，高為5倍車高。在Hypermesh軟件中對幾何模型進行表面網(wǎng)格劃分，然后將表面網(wǎng)格模型導入CFD軟件SC/Tetra進行體網(wǎng)格離散，及對車身、輪胎和地面的局部加密。在車身和輪胎表面插入邊界層網(wǎng)格，經多次網(wǎng)格優(yōu)化和計算，使車身和輪胎表面Y+值介于5～1 000之間。整個計算域網(wǎng)格數(shù)約為2 600萬。

1.3 邊界條件

選取轎車行駛速度為120km/h。因此，計算域進口設為速度進口，其值為33.33m/s；地面設為運動壁面，速度與車輛行駛速度一致；車輪設為旋轉壁面，并根據(jù)車速和車輪半徑求得其旋轉角速度為113.949rad/s；出口設為靜壓條件，其值為0；車身表面設為無滑移壁面，其余壁面為自由滑移壁面。

1.4 仿真結果和試驗驗證

為了驗證數(shù)值模擬的準確性，根據(jù)該車CAD模型通過數(shù)控加工中心加工成1∶2的試驗模型，并在回流式風洞中進行了風洞試驗，用六分力浮框式測力天平測量模型的氣動力。試驗風速分別設為30，33.33和38.89m/s，其風洞試驗如圖2所示。

通過風洞試驗獲得該車模型阻力系數(shù)CD，并將仿真結果與試驗結果進行對比，如表1所示。由表可見，車輛阻力系數(shù)計算誤差均在5%以內，滿足工程要求。

表1 車輛氣動性能仿真結果與試驗結果的對比

2 帶有仿生結構的轎車計算模型

2.1 形態(tài)仿生結構設計

在原車模型基礎上，為了提高車輛操縱穩(wěn)定性，在車尾部增加如圖3所示的擾流板結構，同時，在后車窗和行李箱蓋上設計棱紋仿生結構，以實現(xiàn)類似于渦流發(fā)生器的功能，其空氣動力學原理是提前將層流轉捩為湍流，以期延遲氣流的分離。而為了達到對邊界層內空氣運動的干擾，必須將該棱紋仿生結構的幾何尺寸控制在邊界層厚度范圍內。通過計算，可得該車邊界層厚度為15.74mm。故本文中設計成L和H均為12mm的等腰三角形。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進行帶有仿生結構的車輛幾何模型網(wǎng)格劃分時，采用與原車計算時相同的計算領域和網(wǎng)格處理規(guī)范。此外，對于車尾處仿生結構進行網(wǎng)格細化。同樣經多次網(wǎng)格優(yōu)化和CFD計算，保證整個車身和輪胎表面Y+值滿足計算要求。最終確定整個計算域網(wǎng)格數(shù)約為3 400萬。

2.3 計算方案

為了全面探究不同行駛車速下帶有形態(tài)仿生結構的轎車空氣動力學特性規(guī)律，選取不同行駛速度進行計算，具體方案見表2。

表2 計算方案

3 計算結果和分析

3.1 空氣流量分配對比

圖4為行駛速度為120km/h下，流經轎車車身表面的空氣流量分配對比情況。由圖可見，帶有形態(tài)仿生結構的轎車車身上部空氣流量減小，底部流量提高。通過進一步計算發(fā)現(xiàn)，上下部氣流流速差由原來的5.34減小為4.83m/s，減幅9%，這會使車身上部與下部形成的壓力差發(fā)生明顯的變化，從而影響轎車的氣動升力特性。其余方案的仿真計算結果也符合這一變化規(guī)律。

3.2 縱向對稱面上速度矢量對比

圖5為行駛車速為20和120km/h時，縱向對稱面上空氣速度矢量圖。由圖可見，車身表面邊界層內的空氣在逆壓梯度和黏性剪切力作用下，動能逐漸減少，直至不能再在車身表面上前進而脫離其表面，并倒流回來形成漩渦。帶有形態(tài)仿生結構的轎車在高速行駛過程中，車尾部存在更為明顯的上下兩個漩渦，使流經擾流板下部低速空氣和車尾下部高速空氣被卷吸進該尾渦區(qū)。圖6為行駛車速為120km/h時，帶有形態(tài)仿生結構的轎車尾部棱紋溝槽內氣流圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當氣流經過棱紋溝槽時，在溝槽內部產生了與外部高速氣流方向相反的逆向氣流，形成渦墊效應，從而降低了邊界層內摩擦阻力，增加了表面氣流流動速度，使原本不能流動而即將從車身表面分離的氣流得以沿車身表面繼續(xù)流動，邊界層分離得以延遲。

3.3 縱向對稱面上總壓流譜云圖對比

圖7(a)為行駛車速為120km/h時，縱向對稱面車尾總壓流譜云圖。由圖可知，空氣沿原光滑車身表面流動時，在行李箱蓋末端和汽車底盤末端處失去了邊界限制，壓力得到釋放，出現(xiàn)負壓區(qū)。隨著距離汽車尾部距離的增大，大尺度的漩渦不斷分裂，逆流區(qū)域逐漸變小，直至與遠流匯合。帶有仿生結構的轎車由于擾流板的作用，使車底部低速氣流更多被卷吸進下尾渦區(qū)，導致下部漩渦區(qū)域面積擴大；同時，行李箱蓋上的棱紋仿生結構進一步組織了尾部氣流運動，使上尾渦區(qū)上移，形成了近似對稱的上、下漩渦區(qū)，防止外界高速氣流對內部低速氣流的引射作用。此外，通過計算還發(fā)現(xiàn)，在行駛速度較低時，在擾流板前方還會出現(xiàn)一負壓漩渦區(qū)，如圖7(b)所示。

3.4 各方案升/阻力系數(shù)變化規(guī)律

圖8為不同行駛車速下有無形態(tài)仿生結構對升/阻力系數(shù)的變化曲線。由圖可知，帶有仿生形態(tài)結構的轎車阻力系數(shù)和升力系數(shù)都有一定程度的降低，其中升力系數(shù)下降幅度較大。這也恰好證明采用仿生結構的確可以起到減小阻力和提高車身穩(wěn)定性的目的。

為了進一步定量分析仿生結構在不同行駛車速條件下的減阻增穩(wěn)效果，引入升/阻力系數(shù)變化率指標，其計算公式為

ΔC=(CX-CX0)/CX0×100%

(1)

式中：CX為阻力系數(shù)CD或是升力系數(shù)CL；CX0為原車阻力系數(shù)或升力系數(shù)。

表3為帶有仿生結構的轎車阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化率隨行駛車速的變化情況。從表中可以看出，行駛速度為100km/h時獲得最大的減阻率；另一方面，在相對較高的行駛速度下，采用帶有擾流板和棱紋溝槽的仿生結構的車輛升力系數(shù)比原車下降55%～70%。因而，在高速行駛時，后輪附著力顯著增大，轎車操縱性能得到提升，可以起到較為明顯的增穩(wěn)效果。

表3 阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化率

注：“-”表示減小。

4 結論

(1) 對原車不同行駛速度下的空氣動力學特性進行了數(shù)值模擬，通過對比風洞試驗結果可知，車輛阻力系數(shù)誤差在5%以內。

(2) 在原轎車車尾部位增加擾流板和非光滑棱紋結構，對帶有仿生結構的車輛進行數(shù)值模擬計算。計算結果表明，棱紋形態(tài)的仿生表面能夠延遲氣流分離，較好地梳理了尾部氣流；同時，擾流板結構大大降低了升力系數(shù)，能夠起到增穩(wěn)的效果。

(3) 不同行駛車速下對比了有無形態(tài)仿生結構對升阻力系數(shù)的影響。計算結果表明，在高速行駛時，采用帶有擾流板和棱紋溝槽的仿生結構，最大減阻率為2.59%，升力系數(shù)下降幅度在55%以上。

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A Simulation Study on the Aerodynamic Characteristics of a Vehicle withBiomimetic Structure for Drag Reduction and Stability Enhancement

Ni Jie1, Liu Zhiqiang1, Hu Guoliang1& Fan Qinyin2

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.SchoolofEngineering,OsakaUniversity,Osaka5650871

The effects of bionic structure on the aerodynamics characteristics of a car are studied by CFD numerical simulation in this paper. Firstly a simulation on the aerodynamic drag coefficient of original car is conducted under different driving speeds, with its effectiveness verified by wind tunnel test. Then a spoiler is added and an unsmooth biomimetic ridge structure is adopted on the rear end surface of the car with a simulation on its aerodynamic characteristics performed. The results show that the ridge-shaped bionic surface can delay the separation of airflow, better carding its wake flow. The adoption of spoiler and bionic ridge structure produces a significant effect of drag reduction and stability enhancement in high speed driving, with a drag reduction rate up to 2.59% and an over 55% drop in lift coefficient.

vehicle; aerodynamics characteristics; engineering bionics; drag reduction and stability enhancement; CFD

*教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20113227110014)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12_0657)資助。

原稿收到日期為2014年4月24日，修改稿收到日期為2014年7月3日。