孟妍妮， 戚宇欣(金陵科技學(xué)院，南京 211169)

車(chē)輛行使時(shí)，車(chē)輛四周的空氣與車(chē)身表面發(fā)生沖擊，形成無(wú)數(shù)的氣流與車(chē)身接觸，產(chǎn)生空氣阻力.另外，由于車(chē)身上部凸起，底部平坦，流經(jīng)車(chē)輛上方的氣流比車(chē)輛下方的氣流的流速更快，由此造成的升力會(huì)減弱車(chē)輪與地面間的附著力，影響車(chē)輛的穩(wěn)定性.已有的研究結(jié)果表明，在高速行駛時(shí)汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)組件,如后擾流板,能夠調(diào)節(jié)通過(guò)車(chē)輛尾部的氣流，減小尾部渦旋的產(chǎn)生，降低空氣阻力[1-4].與側(cè)面的擾流板相比，后擾流板還能夠增大后輪附著力，提高車(chē)輛穩(wěn)定性.文中著重從阻力系數(shù)和升力系數(shù)兩個(gè)方面來(lái)研究三廂汽車(chē)后擾流板對(duì)車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響.

目前常用數(shù)值模擬方法對(duì)汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究，不但耗時(shí)較短，不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，還能分析一些實(shí)驗(yàn)無(wú)法處理的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題，并且其仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證已經(jīng)能達(dá)到較高的精度[1].朱忠華等通過(guò)仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究后擾流板對(duì)整車(chē)氣動(dòng)性能的影響，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的偏差僅為0.001[2].文中采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析.

1 模型建立

采用Creo軟件創(chuàng)建中型三廂轎車(chē)的簡(jiǎn)化1∶1模型，忽略了車(chē)身的一些外部結(jié)構(gòu)，如后視鏡、車(chē)輪等，對(duì)底部進(jìn)行了簡(jiǎn)化.后擾流板的支撐部分由于迎風(fēng)面積較小，對(duì)尾部氣流的影響較小，故在模型中省略.車(chē)輛模型的長(zhǎng)為4 550 mm，寬為1 750 mm，高為1 500 mm.文中研究的三廂轎車(chē)一般情況下車(chē)速低于200 km/h，此時(shí)，空氣相對(duì)于車(chē)身運(yùn)動(dòng)的馬赫系數(shù)遠(yuǎn)小于0.3，空氣流動(dòng)可定義為不可壓縮流動(dòng)，空氣對(duì)車(chē)身的擾流處于湍流狀態(tài).采用工程上廣泛應(yīng)用的雷諾時(shí)均三維不可壓縮N-S方程，選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型來(lái)封閉方程.標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求不高，模擬計(jì)算也較快，適用范圍很廣泛.使用FLUENT軟件進(jìn)行流體力學(xué)分析，因?yàn)榇舜斡?jì)算的模型不是很復(fù)雜，故采用FLUENT的標(biāo)準(zhǔn)算法.

為模擬車(chē)身周?chē)臍饬鳡顩r，建立一個(gè)包圍車(chē)身的長(zhǎng)方體計(jì)算域，其長(zhǎng)為11倍車(chē)長(zhǎng)，寬為5倍車(chē)寬，高為5倍車(chē)高的一個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域，如圖1所示.車(chē)輛底盤(pán)距地面高度為200 mm，車(chē)輛位于計(jì)算域?qū)挾确较虻闹行木€上，車(chē)輛前端距離計(jì)算域入口3倍車(chē)長(zhǎng)，后端距離計(jì)算域出口6倍車(chē)長(zhǎng).

圖1 車(chē)輛簡(jiǎn)化模型與計(jì)算域示意圖

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，占用的計(jì)算機(jī)資源較少.在FLUENT軟件中將網(wǎng)格的精度設(shè)置為高，平滑度設(shè)置為光滑.為了提高計(jì)算精度，對(duì)車(chē)身周?chē)木W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，加密的精度為0.01.文中所研究的三廂轎車(chē)主要在城市行駛，行駛速度選取為80 km/h，即入口的氣體流動(dòng)速度為22.22 m/s.在Fluent中設(shè)置邊界條件，入口為速度入口，速度為車(chē)速，方向垂直于入口；出口為壓力出口，出口距離車(chē)尾足夠遠(yuǎn)，出口處氣流不受汽車(chē)影響，壓力值與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之差為0，四周為靜止壁面墻壁.計(jì)算域的邊界應(yīng)在汽車(chē)外圍的無(wú)窮遠(yuǎn)處，但在實(shí)際計(jì)算中，將其設(shè)在有限的范圍內(nèi)，由于計(jì)算域較大，側(cè)向力接近于零，近似認(rèn)為無(wú)干擾，忽略側(cè)向力系數(shù).

2 分析不同后擾流板對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響

在后擾流板的所有參數(shù)中，影響汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能的參數(shù)主要有截面形狀、攻角和定位(后擾流板前緣到車(chē)身上表面的垂直距離).張英朝在文獻(xiàn)[5]中對(duì)3種不同形狀的后擾流板對(duì)兩廂轎車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析，但沒(méi)有對(duì)攻角和定位這兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析.文中對(duì)安裝了不同形狀、不同攻角和不同定位的后擾流板的汽車(chē)模型進(jìn)行模擬分析，觀察車(chē)身外流場(chǎng)與車(chē)尾附近的壓力分布，較為全面地分析不同參數(shù)的后擾流板對(duì)三廂轎車(chē)的阻力系數(shù)與壓力系數(shù)產(chǎn)生的影響.

2.1 后擾流板截面形狀不同

文中共創(chuàng)建了16種不同參數(shù)的后擾流板.首先設(shè)置后擾流板弦長(zhǎng)(后擾流板前緣至后緣的距離)為180 mm，定位為0.4倍弦長(zhǎng)，即72 mm，長(zhǎng)度為1 750 mm，攻角為15°，厚度為20 mm.在此基礎(chǔ)上設(shè)置不同的截面形狀，其他參數(shù)保持不變.圖2(a)為無(wú)后擾流板時(shí)的汽車(chē)尾部；圖2(b)為上下表面都是直面的后擾流板，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單；圖2(c)為上下面都為曲面的后擾流板，與賽車(chē)的后擾流板類(lèi)似；圖2(d)是下面為曲面的后擾流板，與機(jī)翼的形狀類(lèi)似.

圖2 無(wú)擾流板和不同截面后擾流板網(wǎng)格劃分

對(duì)上述4種不同情況進(jìn)行模擬，得到的阻力系數(shù)和升力系數(shù)如表1所示.可以看出，加裝后擾流板之后，車(chē)輛的阻力系數(shù)會(huì)有所增加，上下曲面型擾流板對(duì)尾流影響小，阻力系數(shù)增加最少，為16.02 %.其次是直線型后擾流板，阻力系數(shù)增加了17.48 %.下曲面型后擾流板阻力系數(shù)增加最多，為35.92 %.這3種不同形狀的后擾流板都較大程度地減小了車(chē)輛的升力系數(shù)，相對(duì)于無(wú)擾流板的情況，直線型后擾流板、下曲面型后擾流板和上下曲面型后擾流板減小的升力系數(shù)的值依次由大到小，分別是0.338、0.309和0.297.

表1 不同截面的后擾流板模擬結(jié)果

由圖3可知，加裝了擾流板后，汽車(chē)后車(chē)窗上方的渦流減小，行李箱蓋上的壓力增大，增加了下壓力，從而減小了升力系數(shù).但是，后擾流板與空氣接觸產(chǎn)生阻力，并且加重了車(chē)輛尾部的尾流，增大了車(chē)輛的前后壓差從而增大了阻力系數(shù).下曲面型擾流板的尾流最大，上下曲面型擾流板的尾流最小，與表1中阻力系數(shù)的大小相符合.

圖3 無(wú)擾流板和不同截面形狀后擾流板車(chē)身截面尾部流線圖和矢量圖對(duì)比

2.2 后擾流板攻角不同

不同攻角的后擾流板能使車(chē)身周?chē)臍饬靼l(fā)生不同程度的變化.若后擾流板攻角選擇合理，可大幅減小轎車(chē)尾部旋渦的尺度，從而減小能量耗散，降低壓差阻力[2].在原模型上只改變后擾流板的攻角，不改變其他參數(shù)，截面形狀選擇下曲面型，后擾流板攻角α分別選取0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的阻力和升力系數(shù)如表2和圖4所示.

表2 不同攻角的后擾流板的模擬結(jié)果

由表2可知，安裝后擾流板后，不同攻角的后擾流板都會(huì)使車(chē)輛的阻力系數(shù)增大.在攻角為0°時(shí)，阻力系數(shù)增加的最少，隨著攻角不斷增加，阻力系數(shù)整體呈增大趨勢(shì).由圖4可知，隨著攻角不斷增大，后擾流板后方也逐漸形成了不斷增大的尾流，并與車(chē)輛尾部的尾流相互影響，增加了車(chē)輛的前后壓差，增大了阻力系數(shù).

升力系數(shù)的變化有點(diǎn)復(fù)雜，后擾流板攻角在0°至15°之間時(shí)，后擾流板能使后車(chē)窗后部的渦流減小，增加行李箱蓋上方的氣壓，升力系數(shù)顯著減小.當(dāng)攻角大于15°并繼續(xù)增大到25°時(shí)，后擾流板前方開(kāi)始形成渦流，并逐漸增大，但此時(shí)升力系數(shù)仍在減小.當(dāng)攻角從25°增大到30°并持續(xù)增大時(shí)，后擾流板前方形成較大渦流，減小了行李箱蓋上的氣壓，同時(shí)，后擾流板后方的氣流也逐漸形成了渦流，減小了行李箱蓋上方的氣壓，升力系數(shù)開(kāi)始增大.谷正氣在2012年的研究結(jié)果表明，攻角越大，尾翼上的下壓力越大，汽車(chē)整體受到的負(fù)升力越大[3].在研究后得出了更加細(xì)致的結(jié)果：在攻角從0°增大到25°時(shí)，升力系數(shù)隨著攻角的增加而減小，當(dāng)攻角為25°時(shí)，升力系數(shù)為最小，當(dāng)攻角大于25°后，升力系數(shù)略有增大.

圖4 不同攻角后擾流板車(chē)身截面尾部流線圖和矢量圖對(duì)比

2.3 后擾流板定位不同

后擾流板與行李箱蓋的間隙過(guò)小會(huì)使行李箱蓋上方產(chǎn)生負(fù)壓，減小后擾流板的作用.如果間隙過(guò)大，會(huì)增加后擾流板支架所受到的力矩，增加空氣阻力，也對(duì)支架的強(qiáng)度提出更高的要求.設(shè)定后擾流板的截面為下曲面型，攻角為15°，后擾流板定位分別為 40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、180 mm.模擬結(jié)果如表3和圖5所示.

表3 不同定位的后擾流板模擬結(jié)果

由表3可知，不同定位的后擾流板都會(huì)增加車(chē)輛的阻力系數(shù)，但增加的幅度不大.當(dāng)后擾流板的定位為80 mm和120 mm時(shí)，阻力系數(shù)最小，當(dāng)定位為40 mm時(shí)，阻力系數(shù)最大.不同定位的后擾流板都會(huì)減小車(chē)輛升力系數(shù).定位為120 mm時(shí)，升力系數(shù)最大，定位為40 mm時(shí)，升力系數(shù)最小，阻力系數(shù)卻最大.

圖5 不同定位的后擾流板車(chē)輛尾部流場(chǎng)對(duì)比

由圖5可知，后擾流板定位對(duì)汽車(chē)尾流的影響比較復(fù)雜.當(dāng)定位為40 mm時(shí)，尾流相較于無(wú)擾流板時(shí)有所增加，氣流大多數(shù)從后擾流板的上方經(jīng)過(guò)，從下方經(jīng)過(guò)的較少，增大了行李箱蓋上的氣壓，升力系數(shù)大幅度下降.而且此時(shí)行李箱蓋上的氣流較小，阻力系數(shù)增加不大.定位為80 mm和120 mm時(shí)，行李箱蓋上方形成了渦流，使行李箱蓋上方的氣壓變小，升力系數(shù)增加.流線圖上看出尾部渦流較小，阻力系數(shù)稍有減小.定位為160 mm時(shí)，行李箱蓋上的渦流再次減小，低壓區(qū)變小，升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增加不大.定位為180 mm時(shí)，從后擾流板下方經(jīng)過(guò)的氣流增加，行李箱蓋低壓區(qū)增大，升力系數(shù)再次增大，阻力系數(shù)略有增大.

3 結(jié) 論

對(duì)裝有不同參數(shù)后擾流板的汽車(chē)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，從阻力系數(shù)、升力系數(shù)、流線圖和折線圖等方面，研究了后擾流板的截面形狀、攻角和定位對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，主要的結(jié)論如下：

1)后擾流板能有效地減小汽車(chē)的升力系數(shù)，且阻力系數(shù)增加并不大.在不同截面的后擾流板中，直線型后擾流板能產(chǎn)生較小的升力系數(shù)，上下曲面型后擾流板的阻力系數(shù)最小.

2)當(dāng)后擾流板其他參數(shù)不變時(shí)，隨著攻角的增加，汽車(chē)的阻力系數(shù)增加，升力系數(shù)先減小，在攻角為25°時(shí)最小，攻角大于25°后略有加大.三廂中型轎車(chē)后擾流板攻角的值應(yīng)該在10°-25°之間較為合理.

3)后擾流板的定位對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律比較復(fù)雜，其他參數(shù)不變時(shí)，隨著后擾流板的定位的增加，阻力系數(shù)變化不大，而升力系數(shù)波動(dòng)較大.當(dāng)定位為40 mm時(shí)，升力系數(shù)最小，阻力系數(shù)最大.三項(xiàng)中型轎車(chē)后擾流板定位選擇在40-80 mm之間比較合理，車(chē)輛能夠在不增加太多阻力的同時(shí)獲得較小的升力.

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