沈 夏 威

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機(jī)電與汽車工程學(xué)院, 浙江　湖州　313000)

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基于CFD的車輛地面效應(yīng)研究*

沈 夏 威

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院, 浙江湖州313000)

運(yùn)用CFD(計(jì)算流體力學(xué))仿真計(jì)算方法，對(duì)車輛氣動(dòng)升力的重要影響因素“地面效應(yīng)”進(jìn)行了研究。構(gòu)建簡(jiǎn)化的車輛鈍體模型，對(duì)不同的車輛離地間隙和車輛尾部擴(kuò)散器的上翹角度進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得不同工況下的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布。在考慮氣動(dòng)阻力的前提下，研究車輛離地間隙和擴(kuò)散器上翹角度對(duì)氣動(dòng)升力的影響規(guī)律。研究表明汽車離地間隙存在一個(gè)一定小的值使得氣動(dòng)負(fù)升力達(dá)到最大；一定小角度的擴(kuò)散器可改善整車的流場(chǎng)品質(zhì)，降低氣動(dòng)阻力，并且同時(shí)可以減小氣動(dòng)升力系數(shù)。

CFD；車輛；地面效應(yīng)；氣動(dòng)升力；離地間隙；擴(kuò)散器

汽車在地面上行駛時(shí)，由于粘性邊界層的干擾，底部氣流速度減緩，使得環(huán)流問題稍有增加，并且氣動(dòng)升力進(jìn)一步增加[1](P5)。由于汽車的橫縱比較小，在其三維流場(chǎng)中，部分空氣趨于從側(cè)面繞經(jīng)汽車，故汽車流場(chǎng)要比一般由翼展較大的機(jī)翼的流場(chǎng)更復(fù)雜些。為更好的研究與利用地面效應(yīng)，本文將根據(jù)大多數(shù)乘用車的尺寸，建立三維鈍體模型，使用CFD[2](P155)仿真工具，研究地面效應(yīng)中車輛離地間隙和擴(kuò)散器對(duì)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。

一、研究模型及CFD前處理

汽車尾部上翹，形成一個(gè)擴(kuò)散器，它與地面的共同作用使其產(chǎn)生一個(gè)高的下壓力[3](P75-81)[4](P392-397)。相關(guān)研究提出，將擴(kuò)散器的作用機(jī)理分成三方面：地面效應(yīng)產(chǎn)生的下壓力，尾部上翹產(chǎn)生的下壓力和尾部渦流的抽吸產(chǎn)生的下壓力。其表達(dá)式為:CL=CLG+CLU+CLD,式中，CLG表示由地面效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)升力，CLU表示由車尾上翹產(chǎn)生的負(fù)升力，CLD表示尾部吸氣作用產(chǎn)生的負(fù)升力。

在車輛離地間隙較大時(shí)，對(duì)氣動(dòng)升力的影響是很小的。但隨著車輛的離地間隙逐漸減小，地面效應(yīng)產(chǎn)生的下壓力逐步增大。

車尾上翹所引起的下壓力是源于向上翹起彎曲的尾部使氣流經(jīng)過汽車底部的距離加長(zhǎng)了，使底部氣體的流速加快了，因此根據(jù)伯努利方程，汽車底部的壓力減小了，即增加了負(fù)升力。擴(kuò)散器加大了汽車底部向尾部開放，普通車輛車尾就是一個(gè)強(qiáng)負(fù)壓的狀態(tài)，擴(kuò)散器的上翹角的存在，促進(jìn)了車身底部氣流向尾部流動(dòng)。尾部設(shè)計(jì)成擴(kuò)散器的形式就像一個(gè)吸氣泵，將氣流從底部抽出，從而產(chǎn)生強(qiáng)下壓力。

擴(kuò)散器的主要參數(shù)是車輛的離地距離rideheight以及車尾上翹角rampangle，本文將從這兩點(diǎn)來研究其對(duì)氣動(dòng)特性的影響。建立三維鈍體模型如圖1所示，模型三維尺寸為：4 400×1 500×1 200mm。模型底部從中間開始斜向上后翹至尾部，形成一個(gè)擴(kuò)散器，上翹角度為θ，兩側(cè)設(shè)計(jì)側(cè)裙，模型離地間隙為h。在離地間隙的研究中上翹角度θ為0 °，即無擴(kuò)散器的情況。

圖1　三維鈍體模型

計(jì)算域模型為11倍的車長(zhǎng)，7倍的車寬和5倍的車高。模型被安置在距離計(jì)算域入口3倍車長(zhǎng)的中間位置。使用ICEM軟件對(duì)幾何表面處理，生成四面體網(wǎng)格單元，在車身表面拉伸出與其平行的三棱柱網(wǎng)格模擬表面附面層。創(chuàng)建命令流對(duì)網(wǎng)格設(shè)置，保證每組模型采用相同的網(wǎng)格設(shè)置避免了網(wǎng)格差異性對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響，同時(shí)減少了工作量。整個(gè)計(jì)算域生成網(wǎng)格數(shù)150萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)32萬，如圖2所示。

圖2　計(jì)算域網(wǎng)格截面圖

二、離地間隙對(duì)氣動(dòng)升力的影響規(guī)律

本文對(duì)50-400mm之間，八組不同的離地間隙進(jìn)行CFD仿真，研究其對(duì)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律[5]。各組CFD計(jì)算域網(wǎng)格均采用相同的方法生成，設(shè)置相同的邊界條件進(jìn)行計(jì)算。由于汽車空氣動(dòng)力學(xué)馬赫數(shù)小于0.3，可作不可壓縮流處理，壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為常溫。湍流模型選擇可實(shí)現(xiàn)的k-ε兩方程模型。近壁處處理方法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，數(shù)值方法采用SIMPLE算法。為防止地面邊界層對(duì)仿真的干擾，設(shè)置地面邊界條件為與來流速度相同的移動(dòng)壁面邊界條件。計(jì)算域出口為壓力出口邊界條件，計(jì)算域入口為速度入口邊界條件，設(shè)置來流速度40m/s[6](P296-298)。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表1所示，氣動(dòng)系數(shù)隨離地間隙的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3　氣動(dòng)系數(shù)隨離地間隙變化關(guān)系

阻力系數(shù)隨著離地間隙的增加呈上升趨勢(shì)，在50-200mm之間上升較快，200-400mm之間增加趨勢(shì)趨于平緩。而升力系數(shù)在50-150mm之間先減小后增加，從150-400mm呈增加趨勢(shì)，且趨于平穩(wěn)。

模型縱對(duì)稱面速度矢量圖如圖4所示。結(jié)合表1，從圖中可以看出，離地間隙從100-400mm，模型底部速度呈遞增趨勢(shì)。流體運(yùn)動(dòng)連續(xù)性積分形式方程表示為：ρvA=常數(shù),式中:ρ為密度，v為流速，A為面積。

圖4　不同離地間隙速度矢量圖

由該方程可知模型離地間隙的減小，模型底部氣流速度將增加。然而對(duì)于50mm這一小離地間隙的負(fù)升力系數(shù)相對(duì)于100mm的工況卻增加了，是源于氣體的粘性。如此小的離地間隙，使得車輛模型底部的粘性邊界層與地面發(fā)生了干涉，流體所受阻力加大，流速減小。由此模型的不同離地間隙與氣動(dòng)特性的變化規(guī)律可知，汽車離地間隙存在一個(gè)一定小的值使得氣動(dòng)負(fù)升力達(dá)到最大。對(duì)氣動(dòng)阻力而言，隨著離地間隙的減小，從汽車底部流向尾部的氣流減少了，使得尾部氣流速度減小，因此靜壓相應(yīng)增大，整車的壓差阻力減小了，故氣動(dòng)阻力系數(shù)減小了。

三、擴(kuò)散器上翹角對(duì)氣動(dòng)升力的影響規(guī)律

本文以普通轎車的離地間隙150mm為基礎(chǔ)，在車速40m/s工況下，分別對(duì)擴(kuò)散器角度從0 -14 °進(jìn)行CFD模擬，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 　不同角度擴(kuò)散器對(duì)氣動(dòng)系數(shù)的影響

氣動(dòng)系數(shù)隨θ角的變化如圖5所示。隨著擴(kuò)散器的角度從0 °增加到4 °，模型阻力系數(shù)先減小，后增加。從4 °再往上翹起到14 °，阻力系數(shù)一直增加。然而，自擴(kuò)散器的角度從0 ° 增加到14 °，模型的氣動(dòng)升力系數(shù)一直呈減小趨勢(shì)。以此可知，一定小角度的擴(kuò)散器可改善整車的流場(chǎng)品質(zhì)，降低氣動(dòng)阻力系數(shù)，并且同時(shí)可以減小氣動(dòng)升力系數(shù)。

圖5　氣動(dòng)系數(shù)隨擴(kuò)散器角度變化關(guān)系

模型在不同角度擴(kuò)散器影響下的縱對(duì)稱面速度分布如圖6所示。從圖中可以看出，自0 °到14 °，隨著角度的增加，擴(kuò)散器的“抽吸”效果越明顯，模型與地板之間的氣流速度呈增加狀態(tài)。根據(jù)伯努利方程，可以判斷該區(qū)域靜壓應(yīng)該隨擴(kuò)散器角度增加而減小。模型在不同角度擴(kuò)散器影響下的縱對(duì)稱面壓力分布如圖7所示。據(jù)圖可知，伴隨著擴(kuò)散器角度的增加，模型與地板之間靜壓愈來愈小，這與根據(jù)速度分布圖所判斷的壓力變化趨勢(shì)是一致的。模型上下表面壓差隨角度增加而增加，故氣動(dòng)升力呈減小狀態(tài)。

圖6　模型縱對(duì)稱面速度云圖　　　　　圖7　模型縱對(duì)稱面壓力分布圖

四、結(jié)　語

本文運(yùn)用CFD的方法，以簡(jiǎn)化車輛模型為研究對(duì)象，對(duì)影響氣動(dòng)升力較大的“地面效應(yīng)”進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)果：1)不同離地間隙對(duì)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。汽車離地間隙存在一個(gè)一定小的值使得氣動(dòng)升力最小。2)車輛尾部擴(kuò)散器角度對(duì)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。一定小角度的擴(kuò)散器在減小氣動(dòng)阻力的同時(shí)減小氣動(dòng)升力。3)本文以簡(jiǎn)化模型為對(duì)象研究地面效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)升力的影響規(guī)律，可為實(shí)際車型的氣動(dòng)升力改進(jìn)作理論基礎(chǔ)與工程指導(dǎo)。

[1] 谷正氣.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[J].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3][英]A.J.賽伯里爾斯基.汽車空氣動(dòng)力學(xué)(楊尊正,鄒仲賢,譯)[M].北京:人民交通出版社,1984.

[4]HUCHOWH. Aerodynamics of Road Vehicle[M].ButterworthCo.Ltd,1987.

[5] 葉 輝.轎車尾部上翹角與離地間隙的CFD研究[D].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[6] 谷正氣,姜樂華,吳軍,等.轎車外流場(chǎng)的三維計(jì)算模擬[J].汽車工程,2000(5).

Research on Road Vehicle Ground Effect Based on CFD

SHEN Xia-wei

( School of Electro-mecharnic Automobile Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

As an important influence factor of aerodynamic lift based on CFD, “Ground Effect”was researched in this paper. this paper tries to construct a simplified vehicle bluff body model, and do simulating calculation for different vehicle ground clearance and upwarping angle of diffuser of tail of vehicle to obtain the velocity field and pressure field distribution under different condition, and study the the effect law of vehicle ground clearance and upwarping angle of diffuser of tail of vehicle for aerodynamic lift, under the premise of considering aerodynamic drag. Research has shown that there is a small value in vehicle ground clearance, which make the pneumatic negative lift achieve maximum; diffuser with certain small angle can improve the flow field quality of vehicle, reduce aerodynamic drag, and can simultaneously reduce aerodynamic lift coefficient.

Computational Fluid Dynamics; vehicle; ground effect; aerodynamic lift; ride height; diffuser

2015-08-15

本文系2015年度湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題《基于CFD的汽車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化》(2015JC08)的研究成果之一。

沈夏威(1987-)，男，浙江湖州人，碩士，主要從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究。

U461.1

A

1672-2388(2016)01-0006-04