車身非光滑表面組合布置對氣動特性影響分析

摘要：為了研究非光滑表面尺寸及組合布置位置對汽車氣動性能的影響.以MIRA階梯背模型為研究對象，采用CFD與風洞試驗相結合的方法對3種不同位置組合模型的氣動性能進行了研究，并與光滑表面模型進行對比分析，探討其減阻機理.結果表明，行李艙蓋，車身尾部和車身底部組合布置非光滑單元體減阻效果最佳，減阻率為5.90%.非光滑表面通過改善汽車的尾部渦流，降低了模型壓差阻力；同時通過改變近壁面氣流的流動狀態，降低了車身表面的氣流速度，減小車身的摩擦阻力.

關鍵詞：汽車車身；氣動減阻；非光滑表面；組合布置

中圖分類號：U461.1文獻標識碼：A

降低車身空氣阻力是提高車輛燃油經濟性與動力性的重要途徑[1].仿生學研究發現[2]非光滑表面結構是一種有效的形態減阻方法，它不會給使用體帶來額外能量消耗及空間占用，也沒有對流體造成污染，僅依靠直接改變壁面形狀就可以起到很好的減阻效果.

汽車氣動阻力的產生與車身表面流場邊界層結構密切相關.國內外研究結果表明，表面非光滑形態結構能夠通過控制邊界層改變物體表面流場從而降低氣動阻力[3].容江磊等[4]對某款車輛模型采用后翼子板開孔和尾部開槽方法進行風洞對比試驗時，發現氣動阻力系數降低了6.5%，而采用車頂凹坑非光滑形態減阻方法，最佳減阻率可達9.34%.張國耕[5]將非光滑單元體布置在某車型的發動機前罩蓋及車身頂蓋，仿真發現減阻率可達到10.31%.

為進一步研究非光滑車身氣動減阻問題，本文在MIRA階梯背式模型不同組合位置布置凹坑形非光滑表面，通過CFD數值仿真，研究非光滑表面組合布置對車輛氣動性能的影響，比較非光滑結構對模型壓差阻力、誘導阻力、摩擦阻力的影響，分析非光滑表面氣動減阻機理和減阻效果差異的原因，找出合理有效的組合布局位置，為非光滑形態減阻理論研究和工程應用提供參考.

1非光滑單元尺寸與分布位置

1.1車身模型選取

本文基于UG軟件，選用國際MIRA模型組中的階梯背模型進行研究.由于車身沒有復雜附件，底盤可簡化為光滑平板，故選用較為簡單的MIRA模型.

1.2非光滑單元布置位置

壓差阻力是汽車氣動阻力的主要組成部分，壓差阻力中，汽車前部僅占9%，其余的91%全部來自于汽車尾部.為了使非光滑表面對汽車尾部氣流產生影響，單元體布置位置分別為車身頂部、行李艙蓋、車身尾部以及車身底部.如圖1所示.

4計算結果分析

4.1非光滑表面布置對減阻率的影響

通過計算結果發現，非光滑表面減阻效果受單元體深度，間距以及布置位置的影響.非光滑單元體同時布置在車身底部、車身尾部和行李艙蓋，分別選用深度為8 mm，1 mm和8 mm時減阻效果最好，減阻率為5.90%.

4.2非光滑表面對壓差阻力和誘導阻力的影響

4.2.1非光滑表面對壓差阻力影響

文獻[11]研究表明，受到流體的粘性和汽車的形狀這兩個因素的影響，車前部受到的正壓力與后部由于抽吸作用而成的負壓力形成了前后的壓差阻力.利用fluent積分求解可得出整車所受到的總阻力如表7所示.由表7可知，整車底部后部組合的情況減阻效果最為明顯.

4.2.2非光滑表面對誘導阻力影響

誘導阻力與車尾縱向渦的大小是密切相關的，車尾縱向渦越小，誘導阻力也越小，反之越大.由于車尾縱向渦會產生一個大的負壓區，可以通過比較車尾縱向截面內的壓力云圖，來衡量車尾縱向渦的大小.由圖5可知，與光滑車身相比，非光滑車身壓力云圖低壓區面積明顯較小，低壓區面積越小，界面內壓力升高，氣流的速度減緩，氣流的動能降低，在車尾形成的拖拽流縮小，故所產生的誘導阻力變小.

4.3非光滑表面對摩擦阻力的影響

通過Fluent積分計算可以得到全車所受到的摩擦阻力，如表8所示.由表8可知，摩擦阻力在模型所受總阻力的比值較低，非光滑表面布置后對摩擦阻力的影響不明顯.

5結論

1）在車身行李艙蓋、車身尾部和車身底部布置非光滑單元體的組合有較好的減阻效果，比單獨布置的效果好，減阻率最大為5.90%.

2）非光滑表面減阻效果受非光滑單元體深度、單元體間距和分布位置的影響.在行李艙蓋布置非光滑單元體，凹坑深度為8 mm，間距為60 mm時，減阻效果最好，減阻率為4.97%.

3）非光滑表面改善了汽車的尾部渦流，增大了車身后部的壓力，減小了汽車壓差阻力.同時通過改變近壁面氣流的流動狀態，降低了車身表面的氣流速度，從而減小車身的摩擦阻力，達到了減阻效果.

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