賈　青， 楊　美， 楊志剛

(同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心， 上海 201804)

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離鰭對(duì)方背體氣動(dòng)特性影響的數(shù)值模擬和試驗(yàn)

賈青， 楊美， 楊志剛

(同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心， 上海 201804)

摘要：對(duì)基于Fiat New Panda的方背體車身，首先對(duì)不同高度和長度離鰭下的整車氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，采用模型風(fēng)洞試驗(yàn)測量了不同工況下的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，同時(shí)采用Star CCM+中k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值仿真.研究結(jié)果表明，離鰭高度覆蓋整個(gè)C柱時(shí)，可以有效地降低方背體車身的阻力系數(shù)和升力系數(shù)；離鰭使流經(jīng)C柱兩側(cè)的氣流分離延遲，降低尾流區(qū)的湍流強(qiáng)度，降低能量耗散；方背體尾流區(qū)得到更多的壓力恢復(fù)，降低了前后壓力差，進(jìn)而降低車身阻力系數(shù).然后采用驗(yàn)證過的計(jì)算方法對(duì)不同形狀的離鰭進(jìn)行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)不同形狀的離鰭均可使方背體汽車的氣動(dòng)性能有所提升.但不規(guī)則形狀離鰭對(duì)于汽車尾部氣流造成了一定影響，使得其性能表現(xiàn)不如普通矩形的離鰭.

關(guān)鍵詞：方背體車身； 離鰭； 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)； 模型風(fēng)洞試驗(yàn)； 氣動(dòng)特性

汽車的氣動(dòng)特性對(duì)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操控穩(wěn)定性具有重要的影響[1].汽車周圍的流場是三維流動(dòng)，氣流的分離會(huì)引起壓力損失，并在尾流區(qū)產(chǎn)生漩渦，耗散能量，增加氣動(dòng)阻力.

汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法主要有理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真[2],其中風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬是現(xiàn)今研究最主要的2個(gè)手段.近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，研究者應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)汽車的氣動(dòng)特性做了許多研究工作,為改善汽車的氣動(dòng)特性提供了大量有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)，但同時(shí)也受到數(shù)值計(jì)算自身的限制，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度在計(jì)算流體力學(xué)發(fā)展過程中一直備受關(guān)注.風(fēng)洞試驗(yàn)作為研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)的重要手段之一，可揭示汽車周圍復(fù)雜流場的本質(zhì)且能驗(yàn)證汽車空氣動(dòng)力學(xué)理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果.

離鰭是一種不可收放的小鰭，位于背鰭和尾鰭之間的身體邊緣部分，其高性能的水動(dòng)力特性吸引了生物學(xué)家和工程研究人員的廣泛關(guān)注[3]，被引入飛行器的設(shè)計(jì)中，公開的學(xué)術(shù)發(fā)表及對(duì)其機(jī)理的研究比較匱乏[4-6].波音737和747上的VC(vortex control)離鰭利用可控的湍流流動(dòng)減小飛機(jī)的飛行阻力系數(shù)，從而減小飛機(jī)的燃油消耗.近年來，研究人員開始將離鰭引入到汽車的設(shè)計(jì)中，試圖改變整車的氣動(dòng)特性.目前的離鰭研究多見于企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，公開的學(xué)術(shù)發(fā)表以及對(duì)其機(jī)理的研究比較匱乏.基于此，本文對(duì)方背體上的離鰭進(jìn)行研究.試驗(yàn)在菲亞特風(fēng)洞中心進(jìn)行，采用Fiat New Panda的1∶3 車模，對(duì)不同高度和長度的離鰭進(jìn)行了阻力系數(shù)和升力系數(shù)的測量.同時(shí)，應(yīng)用商業(yè)軟件star CCM+軟件對(duì)1∶3 的車模進(jìn)行數(shù)值模擬，研究離鰭對(duì)方背體氣動(dòng)特性和尾流區(qū)流動(dòng)的影響，為離鰭的影響機(jī)理提供可靠的依據(jù).

1試驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為意大利菲亞特集團(tuán)的1∶3 氣動(dòng)聲學(xué)模型風(fēng)洞.該模型風(fēng)洞是3/4開口式回流風(fēng)洞，最大風(fēng)速可達(dá)270 km·h-1.噴口面積4 m2，試驗(yàn)段長、寬、高分別為4 m,2 m,2 m，7分力天平可以分別測量車身和車輪的氣動(dòng)力.移動(dòng)帶系統(tǒng)和邊界層控制系統(tǒng)可以更好地反映汽車與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及地面的影響作用.試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镕iat New Panda的1∶3縮比模型，通過固定車輪的4個(gè)水平支架和固定車身的豎直支架安裝，如圖1 所示.

圖1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b圖

試驗(yàn)中用硬板模擬離鰭，主要安裝在C柱上，其高度h定義為沿C柱的長度(C柱總高度為130 mm)，長度l定義為從C柱到離鰭邊緣的水平距離，如圖2所示.

圖2　離鰭高度和長度的定義

試驗(yàn)中測量了不同高度和長度組合下的氣動(dòng)力，寬度分別為130 mm和65 mm，對(duì)應(yīng)每個(gè)寬度都設(shè)置長度為30，40，50，60，70 mm.試驗(yàn)時(shí)噴口速度140 km·h-1(38.8 m·s-1)，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)Re=3×106(基于車長).

2數(shù)值模擬

與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢拢瑪?shù)值仿真中也使用Fiat New Panda的1：3的縮比模型，應(yīng)用Star CCM+軟件進(jìn)行網(wǎng)格生成和數(shù)值計(jì)算.對(duì)應(yīng)計(jì)算了與試驗(yàn)相同的離鰭長度和高度.計(jì)算域?yàn)殚L方體，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)置計(jì)算域?yàn)檐嚽?L(L為車長)，車后10L，車側(cè)2.5W(W為車寬)，車上方5H(H為車高).計(jì)算域阻塞比為3%，可保證尾流充分發(fā)展，避免流動(dòng)受到其他邊界影響.在計(jì)算方法得到有效驗(yàn)證后，又對(duì)不同形狀離鰭進(jìn)行數(shù)值仿真，分別選取長城形(Ⅰ)、波浪形(Ⅱ)、鋸齒形(Ⅲ)，如圖3.

計(jì)算網(wǎng)格為多面體網(wǎng)格，并在車身表面生成邊界層網(wǎng)格，為了更好地模擬汽車周圍的流場并提高計(jì)算效率，對(duì)車身周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密，最終網(wǎng)格數(shù)量為350萬.

a長城形b波浪形c鋸齒形

計(jì)算中采用Realizablek-ε湍流模型，其中k為湍動(dòng)能，ε為湍動(dòng)能耗散率，邊界條件設(shè)置如表1所示，u,v,w為速度3個(gè)方向分量，其中u為主流方向速度分量.

表1　邊界條件設(shè)置

3結(jié)果分析與討論

3.1風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測得的原始車阻力系數(shù)為0.344.圖4給出了風(fēng)洞試驗(yàn)中測出的整車阻力系數(shù)Cd隨不同長度離鰭的變化曲線.離鰭高度為65 mm時(shí)，Cd的變化較為平緩，且比原始車的Cd提高約0.001左右；離鰭高度為130 mm時(shí)，Cd隨離鰭長度的增加而逐漸減小，和原始車相比，不同長度的離鰭使整車的Cd有所降低，降幅在0.013和0.016之間.

圖4　阻力系數(shù)

a h=130 mm

b h=65 mm

3.2數(shù)值仿真結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算中得到的Cd如圖6，當(dāng)h=130 mm時(shí)，Cd隨長度增加而逐漸減小，當(dāng)l=60 mm時(shí)達(dá)到最小，之后有所上升；當(dāng)h=65 mm時(shí)，Cd隨長度增加一直下降.與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見，數(shù)值計(jì)算所得的阻力系數(shù)的變化趨勢與試驗(yàn)較一致，但數(shù)值比風(fēng)洞試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)偏低.這是由于CFD計(jì)算中氣流物性可以一直保持恒定，且沒有試驗(yàn)中支架的影響，因此Cd比試驗(yàn)中偏小，且兩者誤差均在1%以內(nèi)，因而可以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和合理性.

阻力系數(shù)的大小與流場特性和渦流結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，因此需對(duì)帶有離鰭的汽車的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.通過計(jì)算可知，以130 mm的離鰭為例，其Cd最小為0.321 5，圖7比較了對(duì)稱面上原始車A與帶有離鰭的車B的壓力分布和流線分布.帶有離鰭的整車其背部壓力比原始車的高，意味著離鰭可以使方背體實(shí)現(xiàn)更多的壓力恢復(fù).其尾部的展向渦較小，尾流區(qū)壓力較高，通過車身底部進(jìn)入死水區(qū)的氣流質(zhì)量增加，補(bǔ)充一部分動(dòng)能，尾流區(qū)底部的氣流與上方回流作用形成了與大的展向渦反向旋轉(zhuǎn)的小渦.

圖8 對(duì)比了原始車A和帶離鰭車B的縱向?qū)ΨQ面湍動(dòng)能云圖.從圖中可以明顯看出B車身尾流區(qū)的湍動(dòng)能較A車有所降低，這是由于離鰭可以使流經(jīng)C柱兩側(cè)的氣流附著，延遲分離，減少兩側(cè)氣流回流進(jìn)入尾流區(qū)，進(jìn)而減小湍動(dòng)能，降低能量耗散，減小動(dòng)能損失，促進(jìn)尾流區(qū)的壓力回升，減小車身前后壓力差，降低阻力系數(shù).

a h=130 mm

b h=65 mm

圖9所示為h=130 mm時(shí)不同長度離鰭下對(duì)稱面上的流線圖，展示了不同尺寸的離鰭對(duì)流場的影響.當(dāng)長度較小為30 mm時(shí)(見圖9a)，尾流區(qū)只存在1個(gè)大展向渦.隨著長度的增加，離鰭可以使更多的氣流附著，推遲分離，底部氣流流量增加，進(jìn)入死水區(qū)，與上方回流相互作用，形成小渦.從圖中可以看出l從30 mm增加到60 mm時(shí)，中心展向渦越來越松散；底部小渦隨著長度的增加而變大，70 mm時(shí)再有所減小.這是由于離鰭長度過長時(shí)，上方氣流回流逐漸向后推移，底部氣流進(jìn)入死水區(qū)之后與回流相互作用的質(zhì)量減小，底部小渦有所減小.

a 車A

b 車B

a 車A

b 車B

a l=30 mm

b l=40 mm

c l=50 mm

d l=60 mm

e l=70 mm

圖10給出了400 mm時(shí)OXY截面上的壓力分布.從圖中可以看出，后窗表面附近的壓力隨著長度的增加而變大，且尾流區(qū)負(fù)壓區(qū)域越來越小.在C柱兩側(cè)，由于離鰭使C柱兩側(cè)的氣流分離延遲，有助于其壓力恢復(fù)，因而隨著長度的增加，C柱附近分離逐漸推遲，壓強(qiáng)也逐漸增加.

a l=30 mm

b l=40 mm

c l=50 mm

d l=60 mm

e l=70 mm

表2給出不同離鰭形狀下整車Cd值,研究不同形狀離鰭對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響.通過比較發(fā)現(xiàn)，不同形狀的離鰭均會(huì)降低整車氣動(dòng)阻力，幾種形狀的離鰭對(duì)氣動(dòng)阻力的改善效果相差不大，而其中矩形離鰭的改善效果相對(duì)較好.可見文中所選形狀對(duì)于整車氣動(dòng)性能的改善效果不如離鰭尺寸的變化帶來的影響大.

表2　多種形狀離鰭的阻力系數(shù)對(duì)比

4結(jié)論

基于Fiat New Panda 的1∶3 縮比模型的方背體車身，采用模型風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算2種方法研究了離鰭對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 無論數(shù)值模擬還是風(fēng)洞試驗(yàn)，離鰭高度覆蓋整個(gè)C柱(130 mm)可以使整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)平均下降0.015左右，且阻力系數(shù)隨著長度的增加逐漸減?。欢x鰭高度覆蓋C柱上半部分(65 mm)時(shí)，整車氣動(dòng)阻力系數(shù)略有增加，但影響很小.

(2) 所有配置的離鰭均可以使整車前后的升力系數(shù)降低，后軸減少量為前軸的3倍左右；高度為130 mm的離鰭對(duì)升力系數(shù)的改變約為65 mm的2.5倍.

(3) 離鰭使尾渦湍流強(qiáng)度降低，減小了能量耗散，實(shí)現(xiàn)了方背體尾部的壓力回升，減小車身前后壓力差，進(jìn)而降低整車的氣動(dòng)阻力系數(shù).

(4) 離鰭使車身兩側(cè)C柱附近的氣流重新附著，且長度越大，氣流分離越晚.后窗和C柱附近的壓力隨著離鰭長度的增加而升高，減小了能量耗散.

(5) 由于離鰭的影響，在中心展向渦的下方形成了一個(gè)反方向旋轉(zhuǎn)的小渦，在一定范圍內(nèi)隨著長度的增加而逐漸變大.

(6) 對(duì)不同形狀離鰭的數(shù)值模擬結(jié)果表明，盡管形狀不同，但對(duì)方背體汽車的氣動(dòng)性能都有提升.但是由于離鰭不規(guī)則形狀對(duì)于汽車尾部氣流還是造成了一定影響，使得其性能表現(xiàn)不如普通矩形離鰭.

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收稿日期：2014-10-24

基金項(xiàng)目：上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目(14DZ2291400)

中圖分類號(hào)：U467.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Computational and Experimental Study on Aerodynamics of Finltes on a Square-back Body

JIA Qing, YANG Mei , YANG Zhigang

(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：Finlets with varied length and height on square-back body based on Fiat New Panda were investigated firstly both by computational and experimental ways. The scale wind tunnel tests were performed to obtain the drag coefficient and lift coefficient and the correlations with computational fluid dynamics based on k-ε turbulent model were studied. It indicated that finlets along the whole C pillar could reduce both the drag coefficient and lift coefficient of a square back body. Finlets could delay air flow separation around C pillars and then decreased the turbulence kinetic energy in the wake. More pressure recovery was realized on the square back body to reduce the pressure gradient of the car body and the drag coefficient can be decreased as a result. Then the finlets with varied figures were simulated and got the results that the all the finlets can reduce the drag and lift coefficient but finlet with rectangle figure was the best.

Key words：square back body; finlets; computational fluid dynamics (CFD); scale wind tunnel test； aerodynamics

第一作者： 賈青(1979—)，女，講師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué).E-mail:qing.jia@sawtc.com