基于多孔介質材料和仿生設計的汽車阻流板減阻機理

袁志群 谷正氣

1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門，3610242.中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室，長沙，4100753.湖南大學機械與運載工程學院，長沙，4100824.福建省客車及特種車輛研發協同創新中心，廈門，361024

0 引言

在當前汽車產業發展的新形式下，節能減排是各大企業關注的熱點，而氣動阻力一直以來都是汽車空氣動力學的研究重點，也是整車造型設計必須關注的重點[1-2]，它直接影響汽車燃油經濟性。

隨著汽車空氣動力學的發展，越來越多的研究成果被應用到整車設計中，如主動進氣隔柵、主動尾翼等，設計的基本理念始終是降低整車紊流度、提高流場穩定性[3-4]，而汽車輪腔、汽車底部是整車流場最復雜的部位，且它會直接參與尾渦的形成[5]，目前對該部分的研究較少?？刂破囕喦缓偷撞苛鲌龅姆椒ㄖ饕械撞抗饣蚣友b氣動附件[6-8]，但是底部光滑化成本高，且影響排氣系統散熱性能，而加裝氣動附件雖然能減小整車氣動阻力，但是會增大整車迎風面積，設計不合理時反而有可能導致氣動阻力增大[9]。

本文對傳統底部氣動附件的減阻機制進行分析，結合多孔介質材料特點以及仿生學設計原理，提出了兩種新型的阻流板結構方案。

1 傳統氣動附件的減阻機制分析

汽車底部的氣動附件包括前阻流板、車輪阻流板和側裙，分別位于車底前部、車輪前部和車身側面，如圖1所示。

圖1 底部氣動附件示意圖Fig.1 Sketch map of aerodynamics devices

汽車高速行駛時，遠方來流在車頭受到阻滯，其中一部分氣流向車身下部流動，并在車頭底部加速，接著從車身底部和地面之間的間隙向車尾和車身兩側流動，最后與來自車身頂部和車身側面的氣流會合，形成汽車尾流。汽車底部氣流對氣動力的影響主要有兩個方面：一方面，高速氣流直接沖擊底部凹凸部件，形成大量局部正壓區域；另一方面，底部紊亂氣流影響尾渦結構，尾部負壓區增大。

當底部高速氣流吹向前阻流板時，在迎風面產生正壓力、背風面產生負壓力，且對車頭底部附近壓力影響顯著，車頭下部正壓區增大，如圖2a所示。雖然阻流板自身會額外增加阻力，但它能改善底部氣流，抑制底部紊亂氣流及其對尾渦的影響(圖2b)，減小車身、底部結構、車輪的氣動阻力，因此仍可減小全車總阻力，如圖3所示。這是由于阻流板自身增加的氣動阻力小于車身、底部結構以及車輪減小的氣動阻力之和。然而，當橫擺角較大時，更多的氣流從車身側面進入汽車底部，阻流板改善底部結構流場效果減弱，且阻流板自身增加的氣動阻力更大，因此整車氣動阻力增大。當橫擺角較大時，側裙減阻效果明顯增強，如圖4所示，它的減阻原理與阻流板相似。

(a)壓力云圖和流線圖

(b)渦量等值面圖圖2 加裝阻流板前后整車流場對比Fig.2 Flow field comparison of car with and without spoiler

圖3 阻流板高度對氣動阻力系數的影響規律Fig.3 Influence of spoiler height on the aerodynamic drag

圖4 整車氣動阻力系數隨橫擺角變化關系Fig.4 Variation of aerodynamic drag with yaw angle

通過以上分析可知，雖然汽車傳統阻流板在特定條件下可有效減小車身、車輪以及底部結構的氣動阻力，但存在三方面缺陷：第一，阻流板自身氣動阻力增大顯著，隨著其高度的增大呈線性比例增大，因為阻流板是一個垂直面，尺寸較大的阻流板不僅增大整車迎風面積，且在高速來流沖擊下，迎風面和背風面壓力絕對值大，因此氣動阻力大；第二，橫擺角變化對阻流板減阻效果影響顯著，而汽車實際行駛過程受環境側風和自然側風影響大；第三，前阻流板會改變車頭底部流場，車頭下部正壓區域明顯增加，不利減阻。由此，如何合理進行結構設計，降低傳統阻流板對橫擺角的敏感性，既改善底部結構流場，減小車身、車輪和底部結構的氣動阻力，又避免自身增加的氣動阻力過大，是阻流板設計的關鍵。

2 計算模型建立

通過廣泛查閱相關文獻發現，采用多孔介質結構的材料是一種可行的減阻方案。多孔介質結構的材料是一種多相結構，基本框架為固體，內部有許多孔隙，氣體能從孔隙流動，且流動過程中壓力會產生變化。應用該材料能改變汽車周圍流場，抑制渦的脫落，減小分離渦尺度，提高汽車車身繞流穩定性，目前多孔介質結構的材料已被廣泛應用于過濾、降噪、散熱以及氣動減阻領域[10-11]。胡興軍等[12]將多孔介質材料應用于貨車車廂的減阻，分析了纖維、泡沫鎳以及泡沫銅3種材料的減阻性能。本文參考纖維材料的屬性進行分析。纖維材料參數如下：黏性阻力系數5.87×109，慣性阻力系數3.2×105，孔隙率0.8。多孔介質阻流板形狀和安裝位置見圖5，其高度為60 mm。

圖5 多孔介質阻流板示意圖Fig.5 Sketch map of porous medium spoiler

近年來，仿生減阻在汽車減阻領域應用廣泛，如仿生形體、仿生材料等[13-14]。鯊魚雖然體形龐大，但游動速度快，其背鰭具有很好的穩定性控制作用，背鰭前沿扁尖，沿著背部方向逐漸增高。從流體力學角度分析，該造型能控制尾部氣流分離，減小流動阻力。對鯊魚鰭線條進行抽取，適當簡化，得到鯊魚鰭截面曲線輪廓，將該曲線應用于底部氣動附件設計中，如圖6所示。

圖6 仿生阻流板示意圖Fig.6 Sketch map of bionic spoiler

為了準確捕捉汽車底部氣流流動，保留底部詳細結構，整車幾何模型見圖5和圖6，計算域采用長方形(圖7)，阻塞比小于2%，以有效消除洞壁干擾，保證計算結果的準確性。側風工況計算采用偏風方法，它是目前側風計算的主要方法，在計算結果準確的前提下，計算效率更高[15-17]。橫擺角β變化范圍為0°～30°，每3°為一個計算工況。為了準確捕捉底部流場及其對尾渦的影響，對汽車底部和尾部進行網格加密，計算域網格數總計900萬左右。整車表面采用三棱柱網格模擬邊界層速度分布，計算網格見圖7。

圖7 計算域及網格示意圖Fig.7 Sketch map of computational domain and grid

汽車在高速路上行駛時，對應車速下馬赫數較小，故其氣體流動屬于不可壓縮流動范疇，質量守恒方程和動量方程如下：

(1)

ρV?

(2)

(3)

i=x,y,z

式中，ρ為密度；u、v、w分別為速度矢量u在x、y、z方向的分量；μ為動力黏度；p為壓力；V為多孔介質內流速，多孔介質阻流板采用多孔介質模型進行計算；SV為廣義源項；Si為多孔介質源項，本文采用的多孔介質材料為均勻材質;Vi為V沿i方向的分量；1/α為黏性阻力系數；C2為慣性阻力系數。

計算域入口設為速度入口，速度為30 m/s，該速度工況對應的雷諾數滿足雷諾相似準則，氣動力系數不再隨雷諾數的變化而變化；出口設為壓力出口，相對大氣壓力為0；汽車表面設為非滑移壁面；為了消除邊界層的影響，地板表面設為滑移壁面，移動速度與入口速度的大小和方向一致。對于穩態數值計算，影響計算精度的主要因素之一是湍流模型，目前汽車外流場穩態計算常用的湍流模型包括可實現k-ε(Realizablek-ε)、重整化群k-ε(RNGk-ε、標準k-ε(Standardk-ε)以及剪切應力輸運k-ω(SSTk-ω)四種模型，其中，ω為比耗散率。國內外學者對湍流模型在汽車外流場的應用進行了許多嘗試，本文結合風洞試驗數據選取合適的湍流模型進行計算，數值求解采用二階迎風格式和基于壓力耦合方程組的半隱式(SIMPLE)算法。

3 風洞試驗驗證

為了避免底部復雜結構加工引起的形狀誤差和裝配誤差導致計算模型與試驗模型不一致，采用上述方法構建光滑底部汽車外流場數值計算模型，并將數值計算結果與該模型對應的風洞試驗數據進行對比。選取可靠的湍流模型，驗證本文數值計算模型的精度，驗證模型與風洞試驗模型完全一致，邊界條件與風洞試驗設定工況保持一致。風洞試驗在湖南大學HN-2號回流閉式風洞進行，如圖8所示，風洞試驗系統包括六分力浮框式汽車專用應變天平、轉盤系統、邊界層抽吸系統和數據采集系統，流場測量采用粒子圖像測試技術(PIV)。當試驗風速達到20 m/s后，氣動力系數趨于穩定，進入雷諾自準區。

圖8 汽車風洞試驗模型及設備Fig.8 Model and equipment of wind tunnel test

氣動力系數對比如圖9所示。由圖9可知，Realizablek-ε湍流模型氣動阻力計算精度最高，SSTk-ω湍流模型次之，Standardk-ε和RNGk-ε湍流模型計算誤差都比較大；SSTk-ω湍流模型氣動升力計算精度最高，Realizablek-ε湍流模型次之，RNGk-ε湍流模型計算誤差最大。尾部流場對比如圖10所示。由圖10可知，Realizablek-ε和Standardk-ε湍流模型對尾渦形態和大小捕捉比較準確，而Realizablek-ε和SSTk-ω湍流模型對速度大小和方向方面捕捉比較準確，RNGk-ε湍流模型對尾渦速度大小和方向的計算存在較大偏差。

圖9 氣動力系數對比(β=0°)Fig.9 Comparison of aerodynamic drag coefficient(β=0°)

總體而言，4種湍流模型的計算精度基本都達到工程應用要求，綜合考慮4種湍流模型優劣，本文選用Realizablek-ε湍流模型進行計算求解，它在氣動力計算以及流場捕捉方面的精度更為均衡，且在汽車外流場計算中應用廣泛[15,17]。該模型的湍流動能k和湍流耗散率ε計算公式如下：

(4)

(a)風洞試驗

(b)Realizable k-ε

(c)Standard k-ε

(d)RNG k-ε

(e)SST k-ω圖10 尾部流場對比(β=0°)Fig.10 Comparison of wake flow field(β=0°)

(5)

式中，ui(i=x,y,z)為速度分量；xi(i=x,y,z)為坐標分量；μt為湍流動能黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能k的產生項；σk、σε分別為與湍動能和耗散率對應的普朗特數；C1、C2為常數項；ν為黏性系數；S為平均應變率張量的模量。

4 計算結果分析與討論

氣動阻力一般用量綱一的氣動阻力系數評價，而流場則用可視化的壓力云圖、速度矢量圖、湍流動能圖、三維流線圖等相關信息評價。圖11所示為阻流板改進前后自身氣動阻力系數隨橫擺角變化關系曲線。橫擺角β為來流方向與汽車行駛方向夾角。

圖11 不同阻流板方案的氣動阻力系數隨橫擺角的變化規律Fig.11 Variation of different spoilet aerodynamic drag coefficient with yaw angle varied

由圖11可知，當橫擺角在0°～6°之間變化時，氣動阻力系數變化不明顯，但隨著橫擺角的進一步增大，不同方案阻流板的氣動阻力系數都呈現減小的趨勢。相比傳統阻流板，多孔介質材料阻流板和仿生阻流板氣動阻力系數減小非常明顯，橫擺角越小，減小量越大，當橫擺角為0°時，兩種方案氣動阻力系數分別減小了20.47%和50.85%，說明本文兩種新方案對阻流板自身的減阻效果較好。

圖12 不同方案整車阻力系數隨橫擺角的變化關系Fig.12 Variation of aerodynamic drag coefficient with yaw angle varied for different spoilet cases

圖12所示為阻流板改進前后整車氣動阻力系數隨橫擺角變化關系。由圖12可知，各方案的氣動阻力系數隨橫擺角的變化趨勢一致，兩種新結構方案相比原始阻流板方案，氣動阻力系數均出現了不同程度的減小。橫擺角大于18°以后，原始阻流板方案的整車氣動阻力明顯大于原始方案整車氣動阻力(原始方案指沒有裝阻流板的整車模型)，但采用多孔介質材料和仿生設計的阻流板在橫擺角大于21°以后，整車氣動阻力有明顯減小，接近或略大于原始方案的整車氣動阻力。原始方案的氣動阻力系數峰值出現在橫擺角為15°左右，而阻流板方案的氣動阻力系數峰值出現在橫擺角為21°左右，多孔介質阻流板和仿生阻流板氣動阻力系數最大值相比原始阻流板氣動阻力系數最大值分別減小了3.3%和4.7%，兩者均比原始方案的峰值要低。為了揭示兩種新結構方案的減阻機理，接下來以橫擺角為0°時的工況分析改進前后流場變化情況。

阻流板改進前后壓力云圖與流線圖見圖13。原始阻流板是目前絕大多數轎車所采用的結構形狀，阻流板垂直布置，這導致車頭前部正壓區域過大，且阻流板后方氣流分離區域過大，雖然相對于原始方案可減小氣動阻力，但這種阻流板的結構形狀存在一定的缺陷，一方面導致車頭阻力增大，另一方面導致車底前端流場紊亂，如圖13a所示。

阻流板采用多孔介質結構的材料后，一部分氣流從阻流板下方進入車底，另一部分氣流從多孔介質內部穿過，車頭阻滯區域變小，阻流板后方氣流分離區域明顯減小，車頭正壓區域、阻流板正壓區域以及后部負壓區域明顯減小，如圖13b所示，因此多孔介質阻流板氣動阻力更小。

(a)原始阻流板

(b)多孔介質阻流板

(c)仿生阻流板圖13 阻流板改進前后壓力云圖與流線圖(β=0°)Fig.13 Flow field of car with different spoiler(β=0°)

原始阻流板采用仿生設計后，汽車前端底部流場發生顯著變化，遠方來流在阻流板底部加速流向車底，車頭阻滯區域明顯減小，阻流板后方氣流分離區域明顯減小，車頭正壓區域以及阻流板后部負壓區域明顯減小，阻流板正壓區域消失，甚至在阻流板前部產生局部的負壓，如圖13c所示，這些因素對減小氣動阻力都有積極作用。

(a)原始阻流板

(b)多孔介質阻流板 (c)仿生阻流板圖14 阻流板改進前后車身壓力云圖(β=0°)Fig.14 Pressure contour of body with different spoiler(β=0°)

(a)原始阻流板

(b)多孔介質阻流板 (c)仿生阻流板圖15 阻流板改進前后底部結構壓力云圖(β=0°)Fig.15 Pressure contour of underbody with different spoiler(β=0°)

圖14和圖15為阻流板改進前后車身和底部結構的壓力云圖。阻流板采用多孔介質結構的材料后，阻流板自身最大正壓區域和最大正壓值都有一定程度減小，與圖11和圖13的分析結論吻合。部分氣流從多孔介質阻流板內穿過后速度會明顯降低，因此采用多孔介質阻流板后汽車底部結構壓力基本保持不變，如圖15b所示，即采用多孔介質流板對底部結構的氣動阻力影響很小。原始阻流板采用仿生設計后，車底前端氣流速度增大，雖然這對減小阻流板自身氣動阻力有積極影響，但是汽車底部結構壓力會產生明顯變化，如圖15c所示，汽車底部后端正壓區變大，因此底部結構氣動阻力增大，但是阻流板自身減小的氣動阻力大于底部結構增大的氣動阻力，因此整車氣動阻力減小。需要說明的是，阻流板采用多孔介質結構的材料后，前輪氣動阻力有一定減小，而后輪、發動機罩、前后風窗、汽車頂部以及尾部壓力變化不明顯。

圖16為阻流板改進前后汽車尾渦分布圖，3種方案的尾渦形態一致、渦核位置基本相同，但采用仿生阻流板結構后，由于車底前端氣流加速，進入汽車底部的高速氣流增加，因此尾渦區域有一定增大。

(a)原始阻流板

(b)多孔介質阻流板 (c)仿生阻流板圖16 阻流板改進前后尾渦圖(β=0°)Fig.16 Wake vortex of different spoiler(β=0°)

(a)原始阻流板

(b)多孔介質阻流板 (c)仿生阻流板圖17 阻流板改進前后尾渦湍動能分布圖(β=0°)Fig.17 Turbulent kinetic energy of different spoiler(β=0°)

由圖17尾渦湍流動能分布圖也可得出相同的結論，仿生阻流板方案的湍動能明顯增大，而多孔介質阻流板方案的湍流動能基本不變，因此采用多孔介質阻流板后，車身氣動阻力基本不變。采用仿生結構阻流板后，車身尾部負壓減小，但車身前部正壓區域減小，雖然車身氣動阻力有一定程度增加，但增加量小于阻流板自身所減小的氣動阻力，且底部結構和車身增加的氣動阻力總和小于阻流板自身減小的氣動阻力，因此整車氣動阻力減小。兩種改進方案的減阻原理不盡相同，但對減小整車氣動阻力都有較好效果。

通過以上分析可知，相比于原始阻流板，多孔介質阻流板和仿生阻流板在橫擺角β小于21°時，都能不同程度地減小整車氣動阻力，但3種阻流板在橫擺角β大于21°后，整車氣動阻力相比原始車型都有不同程度的增大。雖然多孔介質阻流板和仿生阻流板的減阻效果相比原始阻流板好，但也略大于原始整車氣動阻力，主要原因在于橫擺角較大時，更多氣流從車底側面進入汽車底部(圖18虛線以上位置)，阻流板改善汽車底部流場效果減弱，不能有效避免高速氣流沖擊底部附件。為了解決該問題，利用側裙在大橫擺角下具有較好的減阻效果這一優點(圖4)，提出仿生阻流板和側裙的組合方案，如圖18所示。

圖18 加裝仿生阻流板后車身底部流線圖(β=21°)Fig.18 Underbody streamline with bionic spoiler(β=21°)

圖19所示為仿生阻流板和側裙組合方案在不同橫擺角工況下的整車氣動阻力系數變化曲線。采用仿生阻流板和側裙的組合減阻方案，橫擺角在0°～30°范圍變化時，整車氣動阻力系數均小于原始方案和原始阻流板方案的氣動阻力系數。由于橫擺角大于21°后，側裙對減小氣動阻力效果顯著，因此相比較原始阻流板，橫擺角越大，組合方案的氣動阻力系數減小幅度越大。原始阻流板方案氣動阻力系數峰值在21°左右，組合方案氣動阻力系數峰值在15°左右，氣動阻力系數最大值減小了10.7%。

圖19 仿生阻流板和側裙組合方案的氣動阻力系數Fig.19 Aerodynamic drag coefficient with combination scheme of bionic spoiler and side-skirts

相比原始阻流板方案，組合方案的車身、底部結構和阻流板氣動阻力更小，在橫擺角較大時，側裙能減少進入汽車底部的高速氣流，避免高速氣流直接沖擊底部的排氣管總成、備胎、傳動軸等部位，如圖20所示。由于前后輪分別處于仿生阻流板和側裙后沿，阻流板后沿和側裙后沿的加速氣流直接沖擊輪胎，導致前后輪氣動阻力有少許增加。當β=30°時，整車各部分氣動阻力系數分布如表1所示。由表1數據可知，當橫擺角為30°時，整車氣動阻力減小了16.7%。

(a)原始阻流板 (b)組合方案圖20 不同方案的底部結構壓力云圖(β=30°)Fig.20 Pressure contour of underbody with different spoiler(β=30°)

原始阻流板組合方案車身0.161 90.145 8底部結構0.126 50.095 1前輪0.023 60.026 8后輪0.016 80.018 9阻流板0.040 80.021 1整車0.369 60.307 7

當汽車高速運行時，汽車底部氣壓比兩側高，因此底部氣流會向兩側流動，在汽車側面形成誘導渦流，誘導渦不僅會直接參與尾渦形成，同時會產生誘導阻力。圖21為X=1.3 m橫截面的流線和湍流動能分布圖，組合方案對汽車背風側流場影響較大，由于側裙能抑制底部氣流向側面流動，因此背風側誘導渦變小，且湍流能量明顯減小，所以組合方案的車身氣動阻力更小。

(a)原始阻流板

(b)組合方案圖21 不同方案X截面流線和湍動能分布(β=30°)Fig.21 Streamline and turbulent kinetic energy of X-section with different spoiler(β=30°)

5 結論

(1)多孔介質阻流板能加速耗散進入車底的高速氣流能量，改善汽車車頭底部結構流場，抑制阻流板后方分離渦尺度。相比傳統阻流板，整車氣動阻力峰值減小了3.3%，解決了傳統阻流板自身氣動阻力過大的問題。

(2)仿生阻流板能改善車頭壓力分布，雖然會導致車底前端氣流速度增加，對減小底部結構和車身氣動阻力不利，但其仿生流線形設計能大幅度減小自身氣動阻力。相比傳統阻流板，整車氣動阻力峰值減小了4.7%，解決了傳統阻流板自身氣動阻力過大的問題。

(3)仿生阻流板和側裙組合的汽車底部氣動附件設計方案能大幅度減小整車氣動阻力，解決傳統阻流板在大橫擺角工況下的氣動阻力過大問題。相比傳統阻流板，整車氣動阻力峰值減小了10.7%。