基于鯊魚盾鱗的空氣動力學仿生減阻研究

王鶴鑾，景 然，王靖宇，劉 昂，于佳馨，李美佳

（吉林大學，吉林 長春 130022）

前言

汽車行業代表一個國家的科技發展水平，隨著我國汽車工業技術的不斷進步，汽車已經成為重要的交通工具，在人們的生活中起著不可或缺的作用。對于高速行駛的汽車，氣動力對其各性能的影響占主導地位。研究發現，汽車行駛過程中所受到的氣動阻力所造成的燃油及發動機功率消耗與汽車行駛的速度具有相關關系，因此汽車的燃油經濟性會受到汽車行駛中空氣阻力的影響。我國是人口大國，同時也是汽車消費大國，較大的汽車保有量所產生的能源消耗問題尤其突出，因此降低汽車氣動阻力十分必要。添加空氣動力學附加裝置、使底部平整化、主動射流減阻、等離子體減阻、非光滑表面減阻等均有一定的效果。通過前期查閱大量相關資料及調研發現，以往研究的非光滑表面是基于傳統的幾何圖形，例如圓形或矩形等，雖然有一定的減阻效果，但是對造型的美觀程度影響較大。已有的研究表明，自然界許多生物表面的非光滑結構往往能夠起到十分可觀的減阻效果，受到這一啟發，將仿生學原理運用到非光滑表面的減阻上，就可以在實現減阻的同時保證其美觀性。

20世紀70年代末，美國航空航天局設計出了一種平板上具有溝槽形狀表面的設計，并對其進行減阻降噪研究，發現較光滑表面而言，這種機身形狀在降低阻力的同時也降低了噪音，在一定程度上提升了火箭飛行器的性能[1-4]。經過Park[5]等人利用儀器測量的結果顯示，該結構能夠降低約1%的噪聲水平，同時也具有一定減小空氣阻力的效果。

楊易[6-7]等人以標準SAE模型為研究對象，利用風洞實驗與數值計算結合的方法研究了了將凹坑形非光滑結構分別布置在SAE模型的四個不同位置后的減阻效果，發現尾部的減阻效果最為明顯，減阻率達到5.73%，這是因為非光滑表面布置于車尾部加劇了車輛尾部整體流場的參混效應。耿小華[8]提出了一種非光滑表面應用于后視鏡上從而優化車內噪聲的方案。高長風[9]建立了原尺寸幾何模型，將研制的翼緣仿生外形置于整體車身的模型上以體現和印證鸮翼外緣的仿生造型結構對車身后視鏡部分起到了降噪的效果。王懷玉[10]通過對A柱進行研究，安置仿生鋸齒結構，證實了該結構能夠對側窗的表面氣流脈動起到減緩的作用。

吉林大學吳元強[11]對某SUV后視鏡A柱區域進行了幾組正交實驗，包括各種不同形狀、不同尺寸的仿生非光滑結構，得出了非光滑表面結構是能夠有效減緩側窗噪聲的最佳手段。

總結發現，國內外研究非光滑表面的形狀幾乎均為圓形、方形等基本形，采用凸起、凹坑或波浪形布置，研究重點放在排列方式上，如均勻排列、菱形排列、等差排列等。這些結構布置在汽車上雖然有一定的減阻效果，但影響整車的美觀。

1 “盾鱗”模型確定

仿生學設計，即通過了解以及合理應用生物體表及內在的生理結構的原理，模擬具有生物特征的一些結構并對其進行形狀的優化，適用于工程類應用。仿生學是將各種傳統學科例如生物學和數學工程等進行融合并且能夠實際應用的新興科學。

通過觀察表明，在自然界中，為了更好地適應環境，迎合生存的需求，大多生物或者其他物質表面常常都是凹凸不平的。其中較為典型的有穿山甲和蜣螂，蜣螂的頭部以及穿山甲的背部上都有著凹凸不平的鱗片外形，如圖1所示，因此蜣螂能自由地在濕潤的泥土里穿梭，穿山甲的表面也具有減黏降阻的作用。海洋生物如鯊魚也具有這種表層非光滑結構，在鯊魚體表有規則分布的盾鱗，鱗片內部是于身體相連的嵌入式骨質基板，外部是突出身體表面的琺瑯質的棘，并且每片鱗片上有V型溝槽結構，以特殊的方式排列[12]。

圖1 穿山甲和蜣螂的非光滑體表

鯊魚盾鱗表面上的V型溝槽結構就是能夠幫助其在海水里高速行駛的減阻結構，而其幾何形狀以及尺寸也作為仿生減阻結構的重要參數依據。研究選取的典型的減阻功能鱗片是在快速鯊魚平雙髻鯊身上提取出的高質量標本，通過掃描電鏡和顯微鏡對此樣本進行觀察和研究，最終得出其形狀、尺寸以及分布特性。其鱗片呈覆瓦式排列，每條盾鱗上有三尖五脊，肋條的高度在20 μm，16 μm，10 μm左右，溝槽的寬度為50 μm，30 μm和16 μm左右。這些數據能為后續的研究和模型提供有效的幫助，并且從仿生學角度為非光滑表面減阻研究奠定了重要基礎。

本文根據鯊魚盾鱗原型設計出形狀類似又方便制作的改造“鱗片”模型，并且由于鯊魚盾鱗尺度過小，無法制造和安裝，所以對此模型進行放大，以便于制造安裝以及試驗。初步設定“鱗片”尺寸為長150 mm，寬100 mm。

在此基礎上，共設計多種“鱗片”造型。根據試驗結果，對其進行一定程度的分析和改進，選擇減阻效果更加明顯的一種“鱗片”模型進行后續的對比分析實驗。如圖3所示。

圖2 鯊魚的盾鱗

圖3 “盾鱗”模型

2 階梯背MIRA模型

2.1 基礎模型

本文以MIRA階梯背模型為基礎模型，其主要尺寸如圖4[13]所示。利用CATIA軟件建立MIRA模型，如圖5所示，該模型有豐富的氣動阻力試驗數據，是一個被廣泛應用的簡化的汽車模型。

圖4 階梯背MIRA模型主要尺寸

圖5 階梯背MIRA模型

2.2 車身表面壓力分布

從圖6中可以看出，汽車在道路上行駛，遠前方來流首先遇到車頭，氣流在那里受到阻滯，速度大大降低，氣流的動壓轉變為靜壓，因此車頭前部出現正壓區。然后，這股氣流分成兩部分，一部分向上，經過發動機罩、前風窗和頂蓋向后流去，另一部分向下，通過車身下部，向車尾流去[14]。流向上方的這部分氣流，在流經車頭上緣的時候，由于緣角半徑比較小，氣流往往來不及轉折而出現局部的分離，同時此處的氣流速度也較大，因此在上緣角附近有很大的吸力峰。隨后，氣流又重新附著在發動機罩上，由于發動機一般都具有一定的斜率，其上的氣流速度仍然較大，因而壓力仍為負值，所以在發動機罩的前部形成一個較大的負壓區。當氣流到達發動機罩和前風窗交接處時，由于前風窗的存在，氣流速度降低，同時由于該處的凹角較大，氣流只能平滑地轉向前風窗，而在凹角處形成一個死水區，該區域具有正壓力，而且內部有渦流的存在。當氣流到達前風窗上緣時，結構上又有一個轉角，因而在此處又出現了一個吸力峰。由于車頂平滑，該處的氣流速度較大，因而車頂部分仍為負壓區。氣流通過車頂以后，轉向后窗，然后又轉向后行李艙蓋。由于擴散的作用，這部分氣流速度比車頂有所降低，因而負壓有所減小，氣流沖擊到后行李艙蓋上，會產生一個較小面積的正壓區。由于汽車后部具有截尾的造型，氣流就沿著后行李艙蓋后端向后流出，在車身后面形成一個負壓尾流區。流向車身下部的氣流，通過車身底部和地面之間的間隙，向后流去。由于氣流的通道比較窄，因此氣流速度較大，車身底面上仍是負壓區。氣流通過底部以后，在車后某一距離與上部氣流會合，共同構成了汽車的尾流區域[15]。

圖6 車身表面壓力分布圖

3 數值模擬

根據車身表面壓力的特征與分布關系，由于車身主要產生阻力的原因是存在分離氣流，漩渦，以及車身表面分有正壓負壓區，將以鯊魚盾鱗為原型設計的“鱗片”安置于正壓區處會起到減阻的作用，相反安置于負壓區會產生增阻的作用。凸出的部分將分離氣流和產生的漩渦切割，使其重新貼合在車身表面，以此可以達到減低車身表面風阻的作用。基于此，本文選用三種布置位置作為研究對象，分別為車頭前部，發動機蓋與前風窗玻璃交界處，以及輪胎前部。

3.1 流場網絡

首先利用ANSA進行面網格劃分，并生成計算域。由于汽車表面復雜，本研究選擇采用三角形的網格結構，計算域采用基于規則的網格模型風洞幾何結構，速度入口邊界距離車頭3倍車長，壓力出口邊界距離車尾7倍車長，左側邊界為5倍車寬，右側邊界為5倍車寬，高度為5倍的車高。為了獲得更詳細的流場細節，對車身附近流場網格進行了局部細化，并設置8個加密區域。

3.2 湍流模型

雖然k-ε模型有著穩定、簡單、經濟等特點，但是難以模擬剪切層中平均流場方向的改變對湍流場的影響，不能反映雷諾應力的各向異性，特別是近壁湍流，也不能反映平均渦量對雷諾應力分布的影響。所以本研究選擇采用k-ω湍流SST模型進行仿真模擬計算。公式如下：

式中：Gk為湍流的動能；Tk為k的有效擴散項；Tω為ω的有效擴散項；Yk為k的發散項；Yω為ω的發散項；Dω為正交發散項。

3.3 邊界條件

（1）風洞入口：速度入口，給定遠方來流速度30 m/s。空氣密度：1.184 15 kg/m3，運動粘度為1.86×10-5Pa·s。

（2）風洞出口：壓力出口，給定壓力為1個標準大氣壓，為101 325 Pa。

（3）地面：靜止壁面，無滑移。

（4）壁面：對稱壁面。

4 結果分析

基礎模型計算仿真結果為風阻系數CD=0.339，風洞實驗結果風阻系數為0.324，相對誤差為4.6%，在工程允許誤差范圍內，證明了仿真結果的準確性。其矢量圖如圖7所示。

圖7 基礎模型矢量圖

針對加上“盾鱗”的階梯背MIRA模型進行仿真模擬計算，本文主要針對“盾鱗”安裝在不同位置的減阻效果進行分析。

方案一：將“盾鱗”安裝在車頭前部，以對稱形式安裝三枚。計算結果風阻系數為0.330，減阻2.6%，其矢量圖如圖8所示。通過與圖7的對比發現，尾部速度流場發生了明顯的改變，壓力分布改變，氣動阻力減少。

圖8 車頭前部安裝“盾鱗”矢量圖

方案二：將“盾鱗”安裝在汽車底盤部位，對應車輪前部，同樣控制變量三枚“盾鱗”安裝在此處，獲得仿真計算結果風阻系數為0.306，減阻9.7%，其矢量圖如圖9所示。通過與圖7對比發現汽車后風窗部位流場發生較大改變，對于此處負壓區壓力影響較大，進而導致汽車空氣阻力的降低。

圖9 車胎前部安裝“盾鱗”矢量圖

方案三：將“盾鱗”安裝在發動機蓋與前風窗玻璃連接處，對稱安裝三枚“盾鱗”，得到仿真結果風阻系數為0.323，減阻4.7%，其矢量圖如圖10所示。通過與圖7的對比發現后風窗部位同樣發生了變化，但沒有圖9變化顯著。

圖10 發動機蓋與前風窗玻璃連接處安裝“盾鱗”矢量圖

幾種方案的風阻系數如圖11所示。

圖11 風阻系數對比

5 結論

本文通過對階梯背MIRA模型進行安裝“盾鱗”結構，并通過風洞試驗仿真來進行減阻效果的分析，并獲得其矢量圖。通過對其計算得出的風阻系數進行分析，得出將“盾鱗”分別安裝在三個部位的減阻效果，三個位置均可使風阻系數不同程度降低。其中方案二將“盾鱗”安裝在車胎前部效果最為明顯，減阻9.7%。