尾部結構外形對轎車氣動阻力影響的試驗研究

黃志祥　陳立　王橋

摘 要：對某斜背造型轎車模型分別在基本狀態、不同尾部導流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態下進行了氣動特性的風洞試驗研究，獲得了不同尾部結構外形對轎車氣動阻力的影響規律，為實車減阻裝置的應用研究提供了依據和參考。研究結果表明，對于斜背造型的轎車，安裝尾部導流片會明顯增大氣動阻力，氣動阻力的最大增加量可達26.41%；安裝尾部擋板，氣動阻力約有0.65%～3.18%的增加量；在20°的尾部下端傾角范圍內，0°尾部下端傾角下的氣動阻力最小，隨著尾部下端傾角的增大，氣動阻力會逐漸增大，相比于0°尾部下端傾角下的氣動阻力，最大增加量約為4.93%。

關鍵詞：汽車；模型；氣動阻力；風洞試驗；減阻

中圖分類號：U467.1+2文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.02

Abstract：The wind tunnel test research was conducted to investigate the aerodynamic characteristics of a fastback car model in basic state and states with different tail flow deflectors， tail baffle plates and tail bottom slope angles. The effects of different tail structures and shapes on aerodynamic drag of the car was obtained， which serves as a reference for the application of drag-reduction components on real cars. The results show that， for a fastback car， the aerodynamic drag increases remarkably with tail flow deflectors installed， and the maximum increment of aerodynamic drag is 26.41%； the increase of aerodynamic drag is in the range of 0.65% ～ 3.18% with tail baffle plates installed. The smallest aerodynamic drag is achieved when the tail bottom slope angle is 0°. The aerodynamic drag increases gradually along with the increase of tail bottom slope angle and compared with

the minimum aerodynamic drag when the tail bottom slope angle is 0°， the maximum increment can be 4.93%.

Key words：car； model； aerodynamic drag； wind tunnel test； drag reduction

我國已多年穩居汽車產銷量世界第一的位置，同時也是世界能源消耗大國，其中汽車油耗占據重要的份額，也一直保持著持續增長的勢頭。對汽車阻力的研究事關降低汽車能耗、節約資源和提高速度，也是研發節能、環保的高品質汽車必須考慮的問題。因此，如何降低汽車阻力，減少油耗成為汽車技術研究領域的重要課題，具有非常重要的現實意義和經濟價值。

近年來，包括改進尾部造型[1-3]和采用附加裝置[4-5]以減小氣動阻力的汽車減阻技術與應用研究得到了迅速發展，對汽車阻力，尤其是氣動阻力形成機理的研究成果也非常豐富。湖南大學谷正氣帶領的研究團隊對快背、斜背和階梯背三種尾部造型的MIRA模型的氣動阻力特性進行了研究[6]，分析了不同尾部造型造成汽車氣動阻力差異的原因。吉林大學傅立敏帶領的研究團隊對轎車尾流特性進行了研究[7-8]，從尾流特性方面分析了轎車氣動阻力的形成機理。目前，研究汽車氣動阻力的方法包括：模型或實車風洞試驗、數值計算、實車路試和理論研究[9]，其中應用最廣泛也最可靠的研究方法是模型或實車風洞試驗。它既能為數值計算提供驗證依據，也因試驗條件易于控制而比實車路試更方便易行。

本文基于風洞試驗方法，對某斜背造型轎車模型分別在基本狀態、不同尾部導流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態下進行氣動特性的風洞試驗研究，對比分析不同尾部導流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態與基本狀態的氣動阻力特性，研究不同尾部結構外形對轎車氣動阻力的影響規律，以期為轎車氣動外形設計和選型提供參考與借鑒。

1 試驗研究概況

1.1試驗風洞與模型

本項目的試驗研究在中國空氣動力研究與發展中心低速所的1.4 m×1.4 m風洞進行。該風洞是一座閉口直流式風洞，試驗段截面為矩形，寬1.4 m，高1.4 m，長2.8 m。在風洞試驗段安裝有固定地板模擬地面，地板寬1.4 m，長2.5 m，地板距風洞下洞壁0.37 m，地板前端開了一個沿寬度方向長900 mm、寬5 mm的槽，以降低地板表面附面層厚度。安裝試驗地板后，試驗段寬1.4 m，高1.03 m，風洞有效截面積1.438 8 m2，試驗段最高風速可達50 m/s。

試驗模型為1∶6的某斜背轎車模型，采用環氧樹脂加工而成，模型長694 mm，寬271 mm，高237 mm，正投影面積0.052 7 m2，并包括尾部導流片、尾部擋板和尾部下端傾角共三種結構部件，如圖1所示。在無側風（試驗橫擺角為0°）情況下，試驗模型的阻塞比為3.66%。

1.2 試驗方案

轎車模型的試驗方案包括基本狀態和三種尾部結構。其中，基本狀態是無尾部導流片和尾部擋板，且尾部下端傾角12°；第一種尾部結構包括六種尾部導流片狀態，分別是30°弧形導流片、30°直角導流片、45°弧形導流片、45°直角導流片、60°弧形導流片和60°直角導流片；第二種尾部結構包括七種尾部擋板狀態，分別是0°直角擋板、30°弧形擋板、30°直角擋板、45°弧形擋板、45°直角擋板、60°弧形擋板和60°直角擋板；第三種尾部結構包括九種尾部下端傾角狀態，分別是0°下端傾角、3°下端傾角、5°下端傾角、8°下端傾角、10°下端傾角、12°下端傾角、15°下端傾角、18°下端傾角和20°下端傾角，尾部結構部件方案如圖2所示。

1.3 試驗方法

（1）試驗風速為30 m/s，模擬無側風工況，即試驗橫擺角為0°。

（2）僅對轎車模型進行氣動力測量試驗，且主要關注氣動阻力，以無量綱的氣動阻力系數表示，計算如下：

（3）對試驗數據分別進行阻塞修正和軸向靜壓梯度修正[10]。

（4）地板前端采用了開槽法降低附面層，附面層厚度滿足要求，沒有進行附面層影響修正。另外，由于沒有支架干擾，未進行支架干擾修正。

2 試驗研究結果與分析

2.1 試驗結果說明

（1）對基本狀態在25～40 m/s下進行了變風速試驗，圖3給出了cd隨風速的變化結果。由圖3可知，當風速達到30 m/s后，cd隨風速的增加變化很小。另外，30 m/s的試驗雷諾數大于7×105，cd已進入“自準區”[4]，風速的增加對cd影響很小。

2.2 不同尾部導流片狀態的試驗結果

對轎車模型分別在六種尾部導流片狀態下進行了試驗，并與基本狀態下的試驗結果進行比較。表1給出了不同尾部導流片狀態下的氣動阻力試驗結果。

由表1可知，與基本狀態（無尾部導流片）相比，分別安裝六種尾部導流片后，轎車模型的cd都顯著增大，cd的增加量約為23.76%～26.41%。其中，30°弧形導流片的cd增加量最小，約為23.76%；45°直角導流片的cd增加量最大，約為26.41%。

從轎車尾部流場特性來看，對于斜背造型轎車，當沒有尾部導流片時，氣流從車身頂部流經尾部斜背時，由于斜背平緩，基本能從車頂部緊貼斜背表面流動，不出現分離。而當安裝尾部導流片后，氣流從車頂部流向斜背時，受尾部導流片的干擾，不能平順地貼附在斜背上，從而出現分離，氣流能量耗散，增大了尾部氣流形成的壓差阻力，導致轎車的氣動阻力增加。

由此可見，在斜背造型轎車尾部安裝文中的尾部導流片，轎車的氣動阻力都顯著增大，其中，30°弧形導流片的cd增加量最小，45°直角導流片的cd增加量最大。

2.3 不同尾部擋板狀態的試驗結果

對轎車模型分別在七種尾部擋板狀態下進行了試驗，并與基本狀態下的試驗結果進行比較。表2給出了不同尾部擋板狀態下的氣動阻力試驗結果。

由表2可知，與基本狀態（無尾部擋板）相比，分別安裝七種尾部擋板后，轎車模型的cd都增大， cd的增加量約為0.65%～3.18%。其中，30°直角擋板的cd增加量最小，約為0.65%，60°弧形擋板的cd增加量最大，約為3.18%。

尾部擋板使轎車氣動阻力增大的原因是，當沒有尾部擋板時，氣流從轎車斜背下邊緣流經后備廂立面時，將會出現分離，形成相對穩定的渦流[6]。當安裝尾部擋板后，尾部擋板會對流經斜背下邊緣的氣流產生影響，進一步加劇氣流的分離，使氣流能量耗散更多，從而增大壓差阻力，導致轎車的氣動阻力出現不同程度的增加。

由此可見，在斜背造型轎車尾部安裝文中的尾部擋板，轎車的氣動阻力都會出現不同程度的增大，30°直角擋板的cd增加量最小，60°弧形擋板的cd增加量最大。

2.4 不同尾部下端傾角狀態的試驗結果

對轎車模型分別在九種尾部下端傾角狀態下進行了試驗，并對試驗結果進行了比較。圖4和表3給出了不同尾部下端傾角狀態下的氣動阻力試驗結果。

由圖4和表3可知，0°下端傾角時轎車的cd最小，20°傾角的cd最大。與0°尾部下端傾角的 cd相比，其它傾角狀態下的cd都會增大，cd最大增加量約為4.93%。在20°的傾角范圍內，轎車模型的cd隨著下端傾角角度的增大而逐漸增加，傾角角度越大，cd也越大。這主要是因為，隨著轎車尾部下端傾角角度的增大，轎車底部的氣流通道在該處變大，氣流流速降低，能量也逐漸減小，使壓差阻力逐漸增大，從而增加了轎車的氣動阻力。

由此可見，對于斜背造型轎車，尾部下端傾角為0°的氣動阻力最小，車尾部選擇0°傾角結構有利于減小阻力。

3 結論

本文通過對某斜背造型的轎車模型分別在基本狀態、不同尾部導流片、尾部擋板和尾部下端傾角狀態下進行氣動阻力特性的試驗研究與分析，獲得了不同尾部結構外形對轎車氣動阻力的影響規律，結論如下：

（1）與沒有尾部導流片相比，安裝文中的尾部導流片將使轎車模型的氣動阻力增大3.76%～26.41%，30°弧形導流片的氣動阻力增加量最小，45°直角導流片的氣動阻力增加量最大。

（2）與沒有尾部擋板相比，安裝文中的尾部擋板將使轎車模型的氣動阻力增大0.65%～3.18%，30°直角擋板的氣動阻力增加量最小，60°弧形擋板的氣動阻力增加量最大。

（3）對于斜背造型轎車，尾部下端傾角為0°的氣動阻力最小，車尾選擇0°傾角結構有利于減小阻力。

本文獲得了不同尾部結構外形對轎車氣動阻力的影響規律，對開展實車減阻應用研究有一定的指導意義。后續工作將在與實車條件銜接的更高雷諾數下進一步深入研究。

參考文獻（References）：

王靖宇，胡興軍，李慶臣，等. 面包車尾部造型對其氣動特性的影響[J]. 吉林大學學報（工學版），2011，41（3）：618-622.

Wang Jingyu，Hu Xingjun，Li Qingchen，et al. Influence of Tail-End Styling on Aerodynamic Characteristics of Minibus [J]. Journal of Jilin University （Engineering of Technology Edition），2011，41（3）：618-622. （in Chinese）.

胡興軍，李騰飛，王靖宇，等. 尾板對重型載貨汽車尾部流場的影響[J]. 吉林大學學報（工學版），2013，43（3）：595-601.

Hu Xingjun，Li Tengfei，Wang Jingyu，et al. Numerical Simulation of the Influence of Rear-End Panels on the Wake Flow Field of a Heavy-Duty Truck[J]. Journal of Jilin University（Engineering of Technology Edition），2013，43（3）：595-601. （in Chinese）.

王靖宇，胡興軍，傅立敏.底部上翹角對輕型客車氣動特性影響的數值模擬[J].重慶工學院學報，2008，22（9）：5-9.

Wang Jingyu，Hu Xingjun，Fu Limin. Numerical Simu-lation of Influence of Underbody Diffuser on Light-Bus Aerodynamic Characteristics [J]. Journal of Chongqing Institute of Technology （Natural Science），2008，22（9）：

5-9. （in Chinese）

楊帆，胡陽洋，王建華. 重型卡車風阻優化[J]. 交通運輸工程學報，2013，13（6）：54-60.

Yang Fan，Hu Yangyang，Wang Jianhua. Optimization of Wind Resistance for Heavy Truck[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering，2013，13（6）：54-60. （in Chinese）

張攀峰，王晉軍，唐青.氣動附加裝置降低廂式貨車后體阻力[J].實驗流體力學，2009，23（3）：12-15.

Zhang Panfeng，Wang Jinjun，Tang Qing. Experimental Investigation on the Aft-Body Drag Reduction of the Tractor-Trailer Truck by Aerodynamic Add-on Device[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2009， 23（3）：12-15. （in Chinese）

谷正氣，王師，仇健，等. MIRA模型組尾部造型風洞試驗研究[J]. 科技導報，2011，29（8）：67-71.

Gu Zhengqi，Wang Shi，Qiu Jian，et al. Wind Tunnel Tests of MIRA Model Group for Study of Vehicle's Rear Shape[J]. Science & Technology Review，2011，29（8）：67-71. （in Chinese）

傅立敏，沈俊，王靖宇. 汽車尾部流場及渦系數值模擬[J]. 吉林工業大學自然科學學報，2000，30（2）：6-9.

Fu Limin，Shen Jun，Wang Jingyu. Numerical Simulation Research of Automotive Flow-Field and Trailing Vortices[J]. Natural Science Journal of Jilin University of Technology，2000，30（2）：6-9.（in Chinese）

傅立敏，張群鋒，靳春寧. 汽車尾跡渦的形成及其控制[J]. 汽車工程，2000，22（1）：13-16.

Fu Limin，Zhang Qunfeng，Jin Chunning.The Mechanism and the Control of the Road Vehicle Wake Vortices For-mation[J]. Automotive Engeering，2000，22（1）：13-16.（in Chinese）

張國忠，賴征海.汽車空氣動力學與車身造型研究最新進展[J].沈陽大學學報，2005，17（6）：39-44.

Zhang Guozhong，Lai Zhenghai. The Latest Progress in Research of Automobile Aerodynamics and Coachbuilding[J]. Journal of Shenyang University，2005，17（6）：39-44. （in Chinese）

龐加斌，林志興.TJ-2風洞汽車模型試驗的修正方法[J].汽車工程，2002，24（5）：371-375.

Pang Jiabin，Lin Zhixing. Correction Methods for Auto-motive Model Tests in TJ-2 Wind Tunnel[J]. Automotive Engineering，2002，24（5）：371-375. （in Chinese）