尾部空氣動力附加裝置對客車氣動阻力的影響

陸潤明 廖抒華 覃紫瑩 趙國灰

摘? ? 要：為研究車身尾部結構特征對整車風阻有重要影響，降低某客車的氣動阻力，設計了3種空氣動力附加裝置，并分別進行外流場數值模擬和流場特征分析.研究結果表明：在同等分析條件下，安裝在客車尾部的3種空氣動力附加裝置均有減阻效果，其中減阻效果最好的方案使氣動阻力系數下降了4.8%，氣動阻力降低了174 N，有效地提高了客車的燃油經濟性與動力性.

關鍵詞：空氣動力附加裝置;數值模擬;流場特征;減阻

中圖分類號：U461.1? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.008

0? ? 引言

隨著汽車車速的逐漸提高，汽車的空氣動力學性能備受關注，氣動阻力成為汽車空氣動力學關注的焦點.汽車的行駛性能，包括燃油經濟性、加速性能和最高車速等，與氣動阻力有直接的關系，同時也成為消費者購買汽車產品的重要特征之一.在汽車減阻方面的研究，主要考慮如何減小汽車所受的壓差阻力.要減小壓差阻力，主要是要減小汽車前部的正壓區和后部的負壓區[1].車身尾部結構特征對尾部流場結構有直接影響，近幾年來，在減小汽車后部負壓區的研究上，國內許多學者做了許多探索.比如楊易等[2]在SAE模型上研究了非光滑表面對氣動減阻的影響;彭麗娟等[3]通過對某SUV的外造型面和氣動附件的優化，使汽車風阻系數明顯下降;羅建斌等[4]研究了突風環境下高速列車的氣動特性;李向前等[5]運用空氣動力數值模擬方法設計了符合空氣動力學和美學要求的汽車外形.

本文通過在客車尾部設計3種空氣動力附加裝置，改善車身尾部尾流的結構，從而提高車身尾部的靜壓，減小車身前后壓差，最終減小車輛的氣動阻力，有效地提高了客車的燃油經濟性與動力性.

1? ? 模型創建與分析方法

1.1? ?計算模型

本次仿真分析簡化了對客車外流場影響不大的底盤細節和車身的細小特征并建立長方體虛擬風洞，客車模型如圖1所示，圖2為計算域中的客車模型.研究表明，只有阻塞比低于5%的風洞實驗結果，阻塞干擾產生的誤差較小[6]，計算式為：

[ε=AAN]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[ε]為阻塞比，A為汽車正投影面積，AN為虛擬風洞入口面積.

本次數值模擬中，模型正投影面積A：8.83 m2，虛擬風洞入口面積AN：593.1 m2，所以[ε=1.5%<5%]，滿足阻塞比的要求.

1.2? ?數學模型

客車的外流場數值模擬，認為空氣為不可壓縮的穩定流動流體，其控制方程[7]如下：

連續方程（質量守恒方程）：

[?ρ?t+??xiρui=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，ρ為氣體密度，[ui]為i方向的速度分量.

動量守恒方程：

[??tρui+??xiρuiuj=-?P?xi+?τij?xj+ρgi+Fi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，P是靜壓力，[τij]是應力矢量，[gi]是i方向的重力分量，[Fi]是由阻力和能源引起的其他能源項.

1.3? ?分析方法

本次模擬假設客車外部流場中不存在側風作用，且空氣為不可壓縮的穩定流動流體[8]，邊界條件設置如表1所示.

2? ? 客車原始模型外流場分析

2.1? ?湍流動能圖

由如圖3所示的湍流動能圖可見，在客車尾部和空調機后方的車身上表面，出現了湍流動能較大的情況.湍流的出現會造成氣流能量的損耗，是氣流不穩定流動的表征，湍流動能越大，意味著氣流相互之間的擾動就越大，能量損失也越大，就會在客車行進方向上形成一個較大的逆壓梯度，從而導致客車阻力的增加.從而導致客車行駛阻力的增加.

2.2? ?壓力分布圖

圖4是客車對稱面上的壓力分布圖，存在較大車頭正壓區和車尾負壓區.壓力的分布與流場的速度分布相關，流體的壓力會隨著流速變化，只要是定常絕熱等熵的流動，當速度增大時，壓力都會降低[9].在客車尾部，氣流發生分離后，尾部上方氣流速度大于下方氣流速度，從而產生壓差，下方氣流往上涌，所以此區域的壓力會降低，當低壓區靠近客車尾部車身表面，客車前后壓差變大，客車受到的阻力會隨著低壓區的位置和壓力值改變.

2.3? ?速度矢量圖

如圖5是客車對稱面速度矢量圖，在客車尾部，車身上方主流速度較車身尾部主流速度要大，相應的壓力勢能就越小，在壓差的作用下，車身尾部氣流往上竄動，與上方氣流產生剪切運動，同時因為車身尾部的氣流速度增加，車身尾部的氣體壓力減小，所以會吸引一部分的上方氣流，產生回流，從而形成渦流.在空調機后方，也出現了一個小漩渦.渦流是劇烈的、不規律的運動，并伴隨著能量的損失.

3? ? 流場對比與結果分析

3.1? ?空氣動力附加裝置設計

針對客車原始模型的外流場分布情況，本文共設計了3種尾部空氣動力附加裝置對客車尾部氣流進行調整，裝置1（如圖6）是為了平順尾部氣流，使流經車身上表面的氣流動能損失減少，到達尾部上方氣流的分離速度變大.裝置2（如圖7）所示，此裝置是為了延后尾部氣流分離，加大尾渦中心與客車尾部表面的距離，降低尾渦對客車尾部表面的影響.裝置3（如圖8）可以破壞客車原有的尾渦結構，減小漩渦尺寸，降低渦流強度，從而減少能量損失.

3.2? ?流場對比

如圖9為各模型對稱面上的速度矢量圖，由圖可見，加裝空氣動力附加裝置后的尾部氣流，讓分離渦區變得更窄，使原始模型的一個大尺寸尾渦變成了兩個小尺寸尾渦，且漩渦的渦心位置離客車尾部平面較遠.特別是加裝裝置4的客車模型，減小渦區、平順尾部氣流的同時，讓上、下兩個旋向相反的尾渦離得更近，使其相互之間抵消一部分能量，減少尾部氣流擾動，使客車尾部能量損失降低.

客車尾部平面是位于負壓尾流區.由圖10可見，通過在客車尾部安裝空氣動力附加裝置，對尾部氣流進行了有效的組織，使尾部氣流得到改善，動能損失較少，提高了客車尾部平面附近區域的壓力.

湍流動能圖能夠體現出速度的波動大小，而速度的波動，會產生額外的阻力和能量損失.如圖11，在客車尾部區域，加裝空氣動力附加裝置后的湍流動能比原始模型要小，湍流動能減小了，在此客車尾部區域的能量耗散就會更低，客車尾部的壓力就能得到提高，從而降低客車前、后壓差，減小客車行駛時的氣動阻力.

3.3? ?計算結果分析

通過在原始模型上加裝3種尾部空氣動力附加裝置，并各自完成虛擬風洞計算，結果表明，在同等分析條件下，3種空氣動力附加裝置對客車均有減阻效果，分析結果如表2所示.其中減阻效果最好的是裝置3，通過直接破壞尾渦結構、減小分離區域的方式，使客車的氣動阻力系數下降了4.8%，相應的氣動阻力降低了174 N，使客車的燃油經濟性與動力性能夠得到有效提高.

4? ? 結論

1）尾部空氣動力附加裝置對客車尾部氣流有很大的影響，合理的空氣動力附加裝置能明顯改善客車的尾流結構.

2）通過數值計算可以預測，在客車尾部增加合理的空氣動力附加裝置，通過平順尾部氣流，延后尾部氣流分離或破壞原來的尾渦結構等方式，使客車尾渦的位置或強度發生變化，從而提升客車尾部靜壓，減小客車前、后壓差，達到明顯的減阻效果.

參考文獻

[1]? ? ?谷正氣. 汽車空氣動力學[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]? &nbsp; ?楊易，范光輝，聶云，等.基于SAE模型非光滑表面對氣動減阻的影響[J]. 機械科學與技術，2014，33（4）：559-563.

[3]? ? ?彭麗娟，袁俠義，陳志夫，等.某型SUV氣動性能優化與驗證[J].汽車工程，2019，41（2）：147-152.

[4]? ? ?羅建斌，吳量.突風下高速列車氣動特性數值模擬[J].廣西科技大學學報，2017，28（4）：19-24-31.

[5]? ? ?李向前，周湃.基于空氣動力數值模擬的汽車外形設計與改進[J].機械設計，2018，35（4）：119-122.

[6]? ? ?支詢，李施，劉源，等.風洞阻塞比系數試驗與研究[J].計測技術，2017，37（S1）：356-358.

[7]? ? ?張金龍. 車身尾部結構對轎車尾流場影響的數值分析與優化研究[D].重慶：重慶交通大學，2015.

[8]? ? ?羅建斌，吳量，苗明達，等.側風下汽車會車氣動特性數值分析[J].廣西科技大學學報，2018，29（2）：31-36.

[9]? ? ?王洪偉.我所理解的流體力學[M].北京：國防工業出版社，2014.

Impact of rear aerodynamic attachment on aerodynamic drag of

passenger cars

LU Runming， LIAO Shuhua*， QIN Ziying， ZHAO Guohui

（School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545000， China）

Abstract： The structural characteristics of the rear part of the car have an important influence on the wind resistance of the vehicle. In order to reduce the aerodynamic drag of a passenger car， three? ? ? ?aerodynamic attachments were designed， and the numerical simulation of the external flow field and the analysis of the flow field characteristics were carried out respectively. The drag reduction mechanism of different aerodynamic attachments was introduced in detail. The results show that under the same? ? analysis conditions， the three aerodynamic attachments installed at the rear of the passenger car have the effect of reducing drag， and the best solution for the drag reduction reduces the aerodynamic drag coefficient by 4.8% and the aerodynamic drag by 174 N， which effectively improves the fuel economy and power of passenger cars.

Key words： aerodynamic attachment; numerical simulation; flow field characteristic; drag reduction

（責任編輯：黎? ?婭）