尾翼對汽車氣動性能的影響

劉旺 侯路飛 顧君杰 王菁 王煥軍

（長城汽車股份有限公司技術中心）

在汽車的設計制造過程中，車身造型的演變與發展在很大程度上受汽車空氣動力學和造型美學兩大因素的影響和支配。現代汽車設計的主流趨勢是在不斷追求氣動性能優化的同時追求個性化和多樣化。而在對汽車進行氣動優化的過程中，尾翼作為汽車的一種附加裝置表現出了良好的效果，因此汽車尾翼的設計和安裝就顯得尤為重要。文章通過模擬仿真分析，結合空氣動力學原理，驗證了尾翼對于不同行車速度下整車氣動性能的影響，為汽車尾翼的設計提供了理論依據。

1 汽車尾翼的空氣動力原理

當汽車行駛在路上時，由于和空氣存在著相對運動，所以除了受到地面對汽車的作用力外，還受到車外氣流對汽車的作用力，也就是氣動力。嚴格來說汽車受到的總氣動力應該是汽車外表面每一點受到的氣動力之和，為了簡便起見，經常把氣動力轉換到風壓中心這個特殊的點上。氣動六分力，如圖1 所示。

圖1 氣動六分力示意圖

將氣動力的作用點變換到汽車的質心上，然后沿著坐標系將氣動力分解到X，Y，Z 三軸上[1]。在X，Y，Z 軸上的分力分別為氣動阻力（Fd/N），即圖1 中的Fx；氣動側向力（Fs/N），即圖1 中的Fy；氣動升力（Fl/N），即圖 1 中的 Fz。

繞X，Y，Z 軸旋轉的力矩稱為側傾力矩，即圖1 中的 Mx，My，Mz。

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

v——氣流速度，m/s；

S——迎風面積，m2；

L——特征長度，m；

Cd，Cl，Cs——風阻系數，升力系數，側向力系數；

Cx，Cy，Cz——X 軸，Y 軸，Z 軸的側傾力矩系數。

其中，汽車升力的產生原理和機翼升力的產生原理基本相同。汽車行駛時，氣流流到汽車前方分為上下2 股，一股氣流沿著汽車上表面流到汽車尾部，另一股氣流沿著汽車下表面流到汽車尾部，如圖2 所示。由于汽車上半部分向上凸出將汽車表面的氣流向上擠壓，迫使汽車上半部分氣流管線收縮。根據質量守恒定律，當氣流管線截面收縮時，流過這里的氣流速度加快。再根據伯努利方程，氣流速度大的地方壓力小，所以在氣流速度較快的車頂附近產生了低壓區。同時汽車車底，由于表面沒有明顯外凸物，流過此處的氣流沒有明顯加速，相對于車頂，車底壓力較大，這就在車身上下形成了壓差，即氣動升力產生的主要原因。

圖2 汽車升力產生示意圖

2 計算結果及分析

不考慮側向風的影響，可認為流場以車身中心面為中心成左右對稱狀態。為全面分析尾翼對氣動特性的影響，以某車型為例，利用STAR-CCM+仿真工具對速度為 30，50，70，90，110 km/h 時的有尾翼和無尾翼2 種模型進行模擬對比計算[2]。不同速度下的車身阻力系數和升力系數，如圖3 和圖4 所示。由圖3 和圖4 可知，對于驗證模型有無尾翼的2 種狀態，隨著速度的增加，阻力系數呈減小趨勢，而升力系數呈增大趨勢，有尾翼的模型相對于無尾翼的模型起到了明顯的氣動優化效果，阻力系數和升力系數均小于無尾翼狀態。

圖3 不同速度下車身阻力系數曲線

圖4 不同速度下車身升力系數曲線

當車速為120 km/h 時，有尾翼和無尾翼2 種車身縱向對稱面的速度矢量圖，如圖5 所示。由圖5a 可知，汽車尾部由于壁面邊界層流動，與其死水區之間形成剪切層而被卷吸，于是在汽車后部形成大尺度的旋渦[3]。能量迅速消耗，從而使尾流的壓強減小，引起了壓差阻力，在距離汽車尾部的一定距離，氣流出現倒流現象，隨著距離的增大，速度損耗越來越小，直到距離汽車較遠處，速度接近來流速度。由圖5b 可知，雖然尾翼本身也形成旋渦，但旋渦非常小，從而減小了能量耗散和壓差阻力，這與圖3 和圖4 的計算結果吻合。

圖5 汽車速度（120 km/h）矢量圖

對于升力變化，由圖5a 可知，無尾翼狀態下，汽車前窗和后窗分別與車頂交界處，以及轎車頂部附近3塊區域，其氣流明顯形成高速區，產生負壓，形成升力。來流速度越快，負壓越明顯，升力越大，嚴重影響汽車行駛穩定性。由圖5b 可知，加裝尾翼后，高速區來流速度減慢，壓差減小，同時在尾翼與汽車尾部形成高速區，使得尾翼處于受壓狀態，從而起到了對整車的增壓效果。這與圖3 和圖4 的計算結果也是吻合的。

3 結論

文章利用仿真手段證明了汽車尾翼對于節能減排及提高汽車操縱穩定性的積極意義。由于文章分析的前提是忽略側向風對汽車氣動性能的影響，而實際上汽車在行駛過程中無法避免側向風的影響，所以如何得到該體系的精準結果還有待進一步研究。