汽車(chē)水平外形參數(shù)對(duì)氣動(dòng)阻力影響的仿真分析

鄭子浩++楊志剛++朱暉

摘要： 針對(duì)現(xiàn)有的汽車(chē)氣動(dòng)性能優(yōu)化研究大多集中于縱向外形參數(shù)上，缺乏對(duì)水平外形參數(shù)研究的問(wèn)題，選取水平外形參數(shù)中車(chē)尾收縮角和后風(fēng)窗收縮角作為氣動(dòng)優(yōu)化研究對(duì)象.利用數(shù)值仿真軟件建立車(chē)體模型并進(jìn)行仿真，求解獲得水平外形參數(shù)的變化對(duì)氣動(dòng)阻力的影響規(guī)律.將水平參數(shù)的變化與對(duì)應(yīng)的縱向外形參數(shù)的減阻效果進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果表明：水平外形參數(shù)的變化引起尾流結(jié)構(gòu)顯著變化，且與對(duì)應(yīng)的縱向外形參數(shù)相比其減阻效果更好.因此，水平外形參數(shù)對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)性能優(yōu)化具有積極影響.

關(guān)鍵詞： 汽車(chē)； 性能優(yōu)化； 氣動(dòng)阻力； 水平外形參數(shù)； 車(chē)尾收縮角； 后風(fēng)窗收縮角； 尾流結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

氣動(dòng)阻力對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性等有很大影響.良好的汽車(chē)外形能有效減小氣動(dòng)阻力，因此，汽車(chē)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)是整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié).[1]汽車(chē)在不同方向上的外形結(jié)構(gòu)改變，對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)阻力均有較大影響.谷正氣等[2]開(kāi)展針對(duì)后風(fēng)窗傾角的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到不同后風(fēng)窗傾角與尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；ZHANG等[3]針對(duì)三廂車(chē)的尾部上翹角和風(fēng)窗傾角等典型縱向外形參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到阻力較小的參數(shù)綜合優(yōu)化模型；傅立敏等[4]發(fā)現(xiàn)，帶有水平尾錐度的汽車(chē)外形能令氣動(dòng)阻力峰值降低17%.現(xiàn)有研究大多只針對(duì)縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的外型改變，很少關(guān)注頂視圖亦即水平面上的外形變化，并且未見(jiàn)有文獻(xiàn)比較縱向面和水平面上的外形參數(shù)對(duì)氣動(dòng)特性影響顯著性的差異，因此在氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，難以較好地判斷哪些平面上的參數(shù)對(duì)氣動(dòng)特性影響更顯著，從而無(wú)法更有效地降低整車(chē)氣動(dòng)阻力.

本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真軟件，針對(duì)汽車(chē)水平外形參數(shù)，通過(guò)數(shù)值仿真，快速求解得到壓力云圖、速度矢量等數(shù)據(jù)，分析探討水平外形參數(shù)變化對(duì)氣動(dòng)阻力變化的影響原因和規(guī)律，并通過(guò)與縱向外形參數(shù)的減阻效果進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同平面上的外形參數(shù)對(duì)氣動(dòng)阻力影響的顯著程度，從而為汽車(chē)氣動(dòng)外形優(yōu)化提供理論依據(jù).

1計(jì)算方法

1.1流場(chǎng)控制方程

汽車(chē)行駛過(guò)程的周?chē)鲌?chǎng)是定常且不可壓縮的三維黏性流場(chǎng).對(duì)于大部分工程問(wèn)題，流體流動(dòng)主要處于湍流狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿(mǎn)足NS方程，但由于其直接求解困難，因此工程上廣泛使用雷諾時(shí)均方程.[5]時(shí)間平均法即將湍流看作由時(shí)間的平均流動(dòng)和瞬態(tài)脈動(dòng)疊加而成.為令方程封閉，本文采用可實(shí)現(xiàn)的kε模型.

1.2仿真模型

選取國(guó)際上被廣泛接受的具有簡(jiǎn)化汽車(chē)形體的標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型，以目前市面上的主流轎車(chē)類(lèi)型兩廂車(chē)和三廂車(chē)為研究對(duì)象，其標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型見(jiàn)圖1.流場(chǎng)采用四面體和六面體混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)車(chē)身周?chē)M(jìn)行加密，以準(zhǔn)確計(jì)算模型前后壓差阻力.計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方形，總網(wǎng)格數(shù)均保持在1 300萬(wàn)左右，見(jiàn)圖2.數(shù)值模擬采用非平衡壁面函數(shù)，控制方程對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式，計(jì)算方法采用SIMPLE算法.

a）兩廂車(chē)b）三廂車(chē)圖 1標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型

Fig.1Standard MIRA models

圖 2流場(chǎng)區(qū)域的縱向?qū)ΨQ(chēng)面網(wǎng)格劃分

Fig.2Mesh of flow field on longitudinal symmetric plane

2仿真分析

在不改變汽車(chē)長(zhǎng)度的條件下，車(chē)尾和后風(fēng)窗外形的改變會(huì)引起尾渦渦核位置、渦擴(kuò)散范圍及拖曳渦的改變，從而改變前后壓差，使氣動(dòng)阻力產(chǎn)生顯著變化.為此，選取車(chē)尾和后風(fēng)窗作為汽車(chē)水平外形的研究參數(shù)，有針對(duì)性地制定改型方案，并且與對(duì)應(yīng)區(qū)域已有的縱向外形優(yōu)化結(jié)果對(duì)比，考察該區(qū)域在不同平面上的外形改變對(duì)氣動(dòng)阻力的影響程度.

2.1水平外形參數(shù)改型方案

對(duì)于汽車(chē)水平面外形的變化，關(guān)鍵在于定義改型方法及其變化值域，使其滿(mǎn)足變化要求，同時(shí)將其對(duì)汽車(chē)其他結(jié)構(gòu)的影響降到最小.因此，參考轎車(chē)造型改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法[6]，利用建模軟件，按下述方法設(shè)計(jì)水平面車(chē)尾收縮和風(fēng)窗收縮.

車(chē)尾水平收縮：在三廂車(chē)頂視圖下，從后切面開(kāi)始，后懸兩側(cè)向縱向面方向傾斜，其角度α變化范圍為單側(cè)0～20°，見(jiàn)圖3a.后風(fēng)窗水平收縮：在兩廂車(chē)頂視圖下，以C柱頂部為中心點(diǎn)，后風(fēng)窗兩側(cè)向縱向面方向傾斜，其角度β變化范圍為單側(cè)0～20°，圖3b.

a）車(chē)尾水平收縮b）后風(fēng)窗水平收縮圖 3標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型水平外形參數(shù)變化

Fig.3Horizontal shape parameter change of

standard MIRA model

2.2車(chē)尾水平收縮分析

2.2.1阻力因數(shù)變化規(guī)律

阻力因數(shù)α曲線(xiàn)見(jiàn)圖4.由此可知：阻力因數(shù)隨α的增大而明顯減小，但當(dāng)α增大到10°以上時(shí)，阻力因數(shù)減小不再明顯，最大降幅為15.34%.

圖 4阻力因數(shù)α曲線(xiàn)

Fig.4Curve of drag factor against α

2.2.2結(jié)果分析

車(chē)尾端面在水平對(duì)稱(chēng)面（z=600 mm）上的壓力因數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖5.由此可知：隨著α的增大，車(chē)尾端面有效面積逐漸減小，整個(gè)車(chē)尾壓力回升，該負(fù)壓區(qū)甚至逐漸轉(zhuǎn)化為正壓.

圖 5水平對(duì)稱(chēng)面上車(chē)尾壓力因數(shù)隨α變化曲線(xiàn)

Fig.5Curves of tail pressure factor change with change of α on horizontal symmetric plane

不同α的車(chē)身表面壓力因數(shù)見(jiàn)圖6.由此可知：隨著α的增大，車(chē)身兩側(cè)氣流進(jìn)入車(chē)尾傾角后膨脹，流速下降，使收縮角區(qū)域的壓力逐步上升，正壓區(qū)向車(chē)頭方向發(fā)展，綜合反映為前后壓差阻力逐漸減小.α=20°模型與標(biāo)準(zhǔn)模型的縱向?qū)ΨQ(chēng)面壓差見(jiàn)圖7.改型后模型整個(gè)后部壓力均上升，而前部上表面壓力變化不大，但是前部下表面壓降很大，整車(chē)升力因數(shù)從0.008下降至0.007，從而導(dǎo)致整車(chē)誘導(dǎo)阻力下降.尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是汽車(chē)氣動(dòng)特性的核心問(wèn)題之一.[7]分析車(chē)尾改型前后尾流結(jié)構(gòu)的差異，標(biāo)準(zhǔn)模型與α=20°模型的車(chē)尾壓力云圖和流線(xiàn)比較見(jiàn)圖8.改型前尾部死水區(qū)范圍較大，此時(shí)死水區(qū)以一對(duì)沿y軸發(fā)展的剪切渦為主.剪切渦由頂部下洗的剪切氣流和底部上洗的剪切氣流形成，其渦核為負(fù)壓.渦核負(fù)壓區(qū)基本與車(chē)尾端面平行，成條狀分布，因此整個(gè)車(chē)尾端面受負(fù)壓區(qū)影響較大，壓差阻力較大.隨著α的增大，側(cè)向渦逐漸顯著并向軸線(xiàn)靠攏，側(cè)向渦的渦核為正壓，受其影響，原來(lái)的剪切渦在y軸方向的擴(kuò)散范圍越來(lái)越小，因此車(chē)尾受其渦核負(fù)壓區(qū)影響也逐漸變小.

圖 6不同α的車(chē)身表面壓力因數(shù)

Fig.6Automotive body surface factor in different α

圖 7α=20°模型與標(biāo)準(zhǔn)模型的縱向?qū)ΨQ(chēng)面壓差， Pa

Fig.7Pressure difference on longitudinal symmetric plane between α=20° model and standard model， Pa

圖 8標(biāo)準(zhǔn)模型與α=20°模型的車(chē)尾壓力云圖和

流線(xiàn)比較， Pa

Fig.8Comparisons of pressure contour and streamline between standard model and α=20° model， Pa

側(cè)向渦的發(fā)展也令車(chē)身兩側(cè)氣流往回卷.在距車(chē)尾端面x=50 mm處，取車(chē)尾端面的投影面積統(tǒng)計(jì)死水區(qū)進(jìn)氣量，見(jiàn)表1.由此可知：氣流量變化不大，但由于車(chē)尾端面面積減小，死水區(qū)范圍變小，單位面積氣流量增加，這些氣流為車(chē)尾死水區(qū)提供額外動(dòng)能，導(dǎo)致車(chē)尾壓強(qiáng)回升.

表 1車(chē)尾死水區(qū)流量

Tab.1Mass flow at dead zone參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模型α=20°模型變化率/%進(jìn)氣量（kg/s）2.2972.103 -8.45車(chē)尾端面面積/（mm2）823 602529 334-35.73

不同α水平對(duì)稱(chēng)面上（z=600 mm）的湍動(dòng)能云圖見(jiàn)圖9.湍動(dòng)能越大意味著車(chē)尾渦強(qiáng)度越大，需要消耗的能量越多，阻力也就越大.隨著α的增大，湍流動(dòng)能強(qiáng)度顯著減小.這是因?yàn)殡S著車(chē)尾端面面積減小，車(chē)尾邊界層渦進(jìn)入尾渦減少，從而使得車(chē)尾渦強(qiáng)度減小，氣動(dòng)阻力隨之降低.

圖 9不同α下的尾部水平對(duì)稱(chēng)面湍流動(dòng)能， J/kg

Fig.9Turbulent kinetic energy on horizontal symmetric

plane of tail in different α， J/kg

2.3后風(fēng)窗收縮分析

2.3.1阻力因數(shù)變化規(guī)律

阻力因數(shù)β曲線(xiàn)見(jiàn)圖10.由此可知：阻力因數(shù)隨β的增大而減小，但當(dāng)β增大到8°以上時(shí)，阻力因數(shù)減小不再明顯，最大降幅為1.44%.

圖 10阻力因數(shù)β曲線(xiàn)

Fig.10Curve of drag factor against back

windshield contraction angle

2.3.2結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)模型與β=20°模型車(chē)身表面壓力云圖比較見(jiàn)圖11.由此可見(jiàn)：模型前部壓力基本沒(méi)有變化，后部正壓區(qū)增大.結(jié)合圖12的流線(xiàn)比較，可知這是由于改型前側(cè)風(fēng)窗氣流越過(guò)C柱流入后風(fēng)窗區(qū)域，流速較快，在C柱形成負(fù)壓區(qū)域，而改型后氣流能沿著后風(fēng)窗收縮角向車(chē)尾流動(dòng)，C柱負(fù)壓區(qū)消失，后風(fēng)窗區(qū)域氣流較為平緩，能量損失變少，導(dǎo)致后風(fēng)窗正壓區(qū)增加，從而前后壓差阻力變小.

圖 11標(biāo)準(zhǔn)模型與β=20°模型車(chē)身表面壓力云圖比較

Fig.11Comparison of body surface pressure contour of standard model and β=20° model

a）標(biāo)準(zhǔn)模型b）β=20°模型圖 12標(biāo)準(zhǔn)模型與β=20°模型車(chē)身表面流線(xiàn)比較

Fig.12Comparison of streamline on body surface of standard model and β=20° model

傅立敏等[8]和朱暉等[9]研究指出，拖曳渦在尾部的發(fā)展誘發(fā)順氣流方向的作用力，是誘發(fā)氣動(dòng)阻力的重要因素.為進(jìn)一步研究拖曳渦對(duì)阻力的影響，取尾后x=1 000 mm處進(jìn)行比較分析，見(jiàn)圖13.

a）x=1 000 mm處流線(xiàn)圖

b）x=2 000 mm處湍動(dòng)能云圖

圖 13標(biāo)準(zhǔn)模型與β=20°模型的拖曳渦對(duì)比，J/kg

Fig.13Comparison of vortices of standard model and

β=20° model，J/kg

圖13a中：風(fēng)窗收縮后箭頭所指的上部拖曳渦范圍明顯減小，這是由于側(cè)風(fēng)窗氣流沿后風(fēng)窗收縮角向縱向面方向靠近，其與車(chē)身側(cè)面氣流混合效應(yīng)減弱，從而使拖曳渦范圍變小.當(dāng)拖曳渦發(fā)展到尾后x=2 000 mm處時(shí)，其湍動(dòng)能強(qiáng)度亦相應(yīng)減小，表明渦強(qiáng)度減少，故氣動(dòng)阻力減小.

3水平面與縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的外形參數(shù)影響比較為分析上述水平外形參數(shù)和典型的縱向參數(shù)對(duì)氣動(dòng)阻力的影響程度強(qiáng)弱，利用減阻效率ΔCD（單位為10-7 mm2）衡量單個(gè)外形參數(shù)下阻力因數(shù)變化與車(chē)身表面積變化.通過(guò)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，綜合分析不同平面上參數(shù)變化的減阻效果的差異.

3.1車(chē)尾參數(shù)的減阻效果比較

典型的縱向?qū)ΨQ(chēng)面車(chē)尾參數(shù)為尾部上翹角，其在z方向引起車(chē)尾面積的變化；典型水平參數(shù)為收縮角，其在y方向改變車(chē)尾面積：因此，以車(chē)尾面積作為衡量標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖14），并與縱向面研究數(shù)據(jù)[10]進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2和3.其中：以尾部上翹角10°為標(biāo)準(zhǔn)，其他尾部上翹角引起的z方向ΔCD平均值為-0.31×107 mm-2；以0°車(chē)尾水平收縮角為標(biāo)準(zhǔn)，其他車(chē)尾水平收縮角引起的y方向ΔCD平均值為2.50×107 mm-2.

a）上翹角（縱向面）b）收縮角（水平面）圖 14不同平面的外形參數(shù)引起的車(chē)尾面積變化

Fig.14Tail area change induced by shape parameters on

different planes

表2z方向尾部上翹角分析

Tab.2Analysis on tail diffuser angle in z direction角度/

（°）CD變化率/

%面積變化/

%ΔCD/

（10-7 mm2）04.0237.940.374-0.2822.90-0.048-0.427.70-0.19121.77-7.80-0.79164.68-23.78-0.69206.10-40.41-0.53表3y方向車(chē)尾水平收縮分析

Tab.3Horizontal contraction analysis of tail in y direction角度/

（°）CD變化率/

%面積變化/

%ΔCD/

（10-7 mm2）4-2.77-3.422.918-7.91-6.854.1512-8.89-10.293.1016-10.37-13.772.7120-13.41-17.282.79

由此可知，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型：y方向每減少一單位的車(chē)尾面積，氣動(dòng)阻力下降更顯著，車(chē)尾水平收縮下的阻力因數(shù)最大降幅達(dá)13.41%；z方向的面積改變對(duì)阻力產(chǎn)生相反影響，隨著車(chē)尾面積的減小阻力因數(shù)反而上升，且最大升幅為6.10%.

3.2后風(fēng)窗參數(shù)的減阻效果比較

不同方向上單一參數(shù)的改變均引起后風(fēng)窗面積的變化，見(jiàn)圖15.選取后風(fēng)窗面積作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，并與已有研究數(shù)據(jù)[11]對(duì)比，見(jiàn)表4和5.

a）風(fēng)窗傾角（縱向面）b）收縮角（水平面）圖 15不同平面的外形參數(shù)引起的后風(fēng)窗面積變化

Fig.15Back windshield area change induced by shape parameters on different planes

表4z方向兩廂車(chē)模型后風(fēng)窗傾角分析

Tab.4Analysis on back windshield inclination angle of hatchback model in z direction角度/

（°）CD變化率/

%面積變化/

%ΔCD/

（10-7 mm2）103.20-3.97-1.5815-2.140.33-12.7820-2.855.69-0.98

以后風(fēng)窗傾角22°為標(biāo)準(zhǔn)，其他后風(fēng)窗傾角引起的z方向ΔCD平均值為-5.11×107 mm-2；以0°后風(fēng)窗水平收縮角為標(biāo)準(zhǔn)，其他后風(fēng)窗水平收縮角引起的y方向ΔCD平均值為1.11×107 mm-2.由表4和5可知：后風(fēng)窗外形在y方向上的改變能使阻力因數(shù)產(chǎn)生更大的下降，但是這一下降將伴隨著表面積的增大，即對(duì)于給定的標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型，無(wú)論其后風(fēng)窗傾角在變化域內(nèi)如何改型，其對(duì)阻力變化均產(chǎn)生相反的影響；后風(fēng)窗收縮角每減少一單位表面積，均能令阻力產(chǎn)生有效的下降.

表5y方向兩廂車(chē)模型后風(fēng)窗水平收縮分析

Tab.5Analysis on back windshield contraction of hatchback model in y direction角度/

（°）CD變化率/

%面積變化/

%ΔCD/

（10-7 mm2）4-0.61-7.891.508-1.33-16.011.6212-1.25-24.441.0016-1.44-33.270.8420-1.33-42.620.61

4結(jié)論

1）汽車(chē)的水平外形結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)阻力特性有顯著影響.當(dāng)車(chē)尾水平收縮角增大到20°時(shí)，能帶來(lái)15.34%的氣動(dòng)阻力減小，而當(dāng)后風(fēng)窗水平收縮角為20°時(shí)則能產(chǎn)生1.44%的減小.

2）由于車(chē)尾水平收縮和后風(fēng)窗水平收縮引起尾流結(jié)構(gòu)顯著變化，導(dǎo)致尾部能量損失減少，前后壓差減少，從而使整車(chē)氣動(dòng)阻力減小.該減阻機(jī)理需進(jìn)一步深入研究.

3）水平面外形結(jié)構(gòu)對(duì)尾流的作用機(jī)理，決定其對(duì)氣動(dòng)阻力均能產(chǎn)生有效的下降，即在水平方向上每減小一單位的汽車(chē)表面積，均能令氣動(dòng)阻力有效減小.對(duì)縱向外形參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化，個(gè)別情況下會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，這意味著對(duì)給定的汽車(chē)造型，若僅針對(duì)縱向外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，則可能帶來(lái)汽車(chē)表面積的增加，進(jìn)而結(jié)構(gòu)件的體積亦相應(yīng)增加，從而不利于整車(chē)輕量化以及工藝成本的控制.因此，汽車(chē)在水平面上的外形優(yōu)化，其減阻效果比在縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的優(yōu)化更優(yōu).

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