基于CFD的尾翼對汽車穩(wěn)定性數(shù)值分析

孫連偉

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

基于CFD的尾翼對汽車穩(wěn)定性數(shù)值分析

孫連偉

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

文章以一種常見轎跑車為分析對象，采用CFD計算方法對高速行駛過程中的汽車進行三維數(shù)值模擬，對車體加設(shè)尾翼裝置前后的外流場進行了分析研究?？疾炝宋惨硌b置對汽車空氣動力特性的影響，為實際生產(chǎn)提供一種高效設(shè)計手段。通過分析發(fā)現(xiàn)加裝汽車尾翼裝置可以增加車體表面壓力加大車輪對地面的附著力，同時改變汽車尾部流場，降低了尾部因氣流回旋造成的升力。雖然安裝尾翼裝置后汽車能耗會在一定程度上增加，但是可以大大提高汽車的行駛穩(wěn)定性。

汽車；空氣動力學(xué)；尾翼；計算流體力學(xué)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.054

CLC NO.:U467.3 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-158-03

前言

隨著計算機技術(shù)高速發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）在實際汽車設(shè)計生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在汽車外形設(shè)計中，由于這種分析方法不受場地和實驗環(huán)境條件的影響，可以根據(jù)設(shè)計需要隨意改變車體形狀和流體邊界條件，通過CFD理論進行設(shè)計方案分析能大大提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本，相比傳統(tǒng)的實驗設(shè)計，CFD能獲取實驗中不能采集到的信息。在汽車高速行駛過程中，汽車的穩(wěn)定性直接影響人員的安全，為了改善汽車高速行進過程中產(chǎn)生“發(fā)飄”的問題，國內(nèi)外已有很多科研人員通過實驗對“發(fā)飄”過程汽車空氣動力學(xué)進行大量分析[1-2]，實驗分析結(jié)果表明，采用增設(shè)負升力翼可以很好的控制升力[2]，本文以常見的汽車外形為計算模型，采用CFD數(shù)值計算方法，分析車體添加尾翼前后空氣動力特性變化。

1、理論基礎(chǔ)

三維流場數(shù)值計算是以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)的，采用有限體積方法進行計算，這種方法是將流體計算域劃分為有限個網(wǎng)格單元，然后對流體動力學(xué)方程組求解。

除競技汽車以外，汽車行駛速度均小于聲速，其流體動特性符合低速空氣動力學(xué)[3],車體周圍流場可視為不可壓縮流體，文獻[4]提出Realizable k-ε模型在升力 計算上比較符合實際情況，其結(jié)果也具有良好的收斂性。對于三維非定常流動的流體動力學(xué)方程組[5]：

連續(xù)性方程：

動量方程：

湍動能方程：

是i方向速度矢量的分量；xi、xj分別是位移在i和j兩個方向的分量；v是粘性系數(shù)；ε是耗散率；G為湍動能項。

2、計算模型與邊界條件

圖1 車體幾何模型Fig.1 The geometric model of car

本文用solidworks對車體模型進行三維建模，為了提高仿真效率，對車體模型進行簡化，省略車體上的一些細節(jié)，如把手、雨刮器、后視鏡等，為了計算車體底部流場情況，故雖簡化了車輪模型，但將車輪高度考慮到流體域中。

為了使得計算結(jié)果更準確，以車輪與地面接觸的位置為流體域的直徑所在邊建立一個半圓輪廓的仿真區(qū)域，根據(jù)外流場計算經(jīng)驗，仿真域的入口距離車體前端為3倍車長，出口距離車體后端為7倍車長，半徑為7倍車寬[6]網(wǎng)格方面采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，無尾翼車體模型和有尾翼車體模型網(wǎng)數(shù)量均為210萬左右。計算的邊界條件如下：流體域入口速度為45m/s，設(shè)置流體域出口為壓力出口，在車身表面考慮為無滑移壁面邊界。

3、計算結(jié)果與分析

圖2為增設(shè)尾翼裝置前后車體表面壓力分布情況，可以看出在同一邊界條件下，增設(shè)尾翼后車體表面壓力最大值雖然接近，但是各網(wǎng)格單元表面壓力值高于未增設(shè)尾翼時，特別是在車體尾部兩者差異比較大，因此假設(shè)尾翼可以提高流體對車體表面壓力，能大大增加車輪的抓地能力，改善高速行駛時車體不易穩(wěn)定，發(fā)飄的問題。

圖2 增設(shè)尾翼前后車體表面壓力分布情況Fig.2 The pressure distribution of car surface with tail and without tail

圖3增設(shè)尾翼前后車體周圍氣流速度分布云圖，可以增設(shè)尾翼前后車體前部氣流速度變化不明顯，增設(shè)尾翼可以擴大汽車尾部低流速范圍。

圖3 增設(shè)尾翼前后空氣流動速度情況Fig.3 The velocity distribution with tail and without tail

圖4分別為增設(shè)尾翼前后車體周圍流體域的動壓圖，動壓計算公式為：

結(jié)合動壓與氣體流速關(guān)系式（4）可以看出動壓和速度分布趨勢應(yīng)該是相似的，從圖4中也印證了這一點，增加尾翼后低流速區(qū)域會擴大，造成低壓區(qū)域增加，使得尾部氣流壓力梯度變化更大，這樣車體尾部受到氣流壓力作用更明顯，作用到汽車表面的壓力也隨之變化，可提高車體尾部的穩(wěn)定性。

圖5 增設(shè)尾翼前后車體尾部空氣流動情況Fig.5 The air flow of the rear with tail and without tail

圖5是增設(shè)尾翼裝置前后車體尾部空氣流向圖，從圖中可以看出氣流在尾部形成低壓力區(qū)域，在無尾翼裝置的情況，氣流在尾部形成明顯氣流漩渦，接近車體尾部壁面位置處氣流向上，產(chǎn)生向上的升力，造成車輪的抓地力降低，而在增設(shè)尾翼后，尾部低壓力區(qū)域分成了兩部分，在兩部分中間有部分高速氣流通過，破壞了未增設(shè)尾翼裝置時的渦流，使得向上產(chǎn)生的升力減小，因此可以達到增加車輪與地面的附著力的目的，讓汽車在高速行駛時，不會產(chǎn)生尾部因附著力不強產(chǎn)生“發(fā)飄”的問題。

圖6 增設(shè)尾翼前后湍流動能變化情況Fig.6 The change of turbulent kinetic energy with tail and without tail

圖6為增設(shè)尾翼裝置前后尾部流場的湍流變化情況，未安裝尾翼裝置時尾部湍流動能比較小，安裝完尾翼裝置后的尾部湍流動能比較大，特別是在尾翼裝置附近，明顯高于周圍流場的湍流動能，湍流動能較大的區(qū)域湍流耗散率就會比較大，湍流動能將轉(zhuǎn)化為熱能散失到空氣中，因此增設(shè)尾翼裝置后能量消耗會比未添加尾翼時要大。

4、總結(jié)

采用CFD分析方法對車體添加尾翼裝置兩種工況流場進行數(shù)值計算，為指導(dǎo)實際汽車工業(yè)設(shè)計生產(chǎn)提供了高效的理論依據(jù)，本文建立了車體流體域計算模型，對兩者流場變化情況進行分析，并得到如下結(jié)論：

（1）增設(shè)尾翼裝置以后，車體表面壓力分布情況有明顯變化，特別是車體后半部分上表面，增加尾翼后這一區(qū)域的表面壓力明顯高于安裝尾翼之前，可提高車輪與地面的附著力，改善高速行駛中“發(fā)飄”的問題。

（2）通過計算發(fā)現(xiàn)在車體尾部在高速行駛時會產(chǎn)生一個低壓流體域，未增設(shè)尾翼的車體產(chǎn)生的低壓流體域內(nèi)會產(chǎn)生明顯漩渦，貼近汽車尾部會形成上升氣流，降低了車輪與地面的附著力，添加尾翼后這一問題得到明顯改善。

（3）通過對湍流動力的分析發(fā)現(xiàn)添加尾翼裝置以后湍流動能較大的區(qū)域面積明顯變大，且湍流動能數(shù)值也明顯增加，說明增設(shè)尾翼后能耗會有所增加。

[1] Dumas L, Herbert V. Hybrid method for aerodynamic shape optimiza -tion in automotive industry . Computers & fluids, 2004[J], 33(5):849-858.

[2] Joseph Katz ,Garcia Darwin ,Sluder Robin. Aerodynamics of race car lift off [R]. [S.l.] :SAE,2004.

[3] 谷正氣.汽車空氣動力學(xué).北京:人民交通出版社[M],2005.

[4] 宋昕,谷正氣,何憶冰,等.基于 Ahmed模型的氣動升力研究[J].汽車工程, 2010, 32 (10) :846 -851.

[5] 劉伯潭，李洪亮，潘書杰.復(fù)雜汽車消聲器內(nèi)部流場模擬[J].汽車技術(shù)，2006,2:21-24.

[6] 谷正氣,郭建成.張清林等 某跑車尾翼外形變化對氣動升力影響的仿真分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2012,32(3):248-252.

The car spoiler for stability analysis based on CFD

Sun Lianwei
（Liaoning Provincial College of Communications, Liaoning Shenyang 110122）

Based on a common coupe as analysis object, using CFD calculation method in the process of high speed car for simulation of the flow field before and after the body including the rear wing, examines the rear wing device influence on automobile aerodynamic characteristics, and provides a highly efficient design method for practical production. Analyzing the installation of car rear wing device can increase pressure wheel on the ground adhesion to the surface of car body, change the flow field ,and reduce the rear wing lift force caused by the airflow swirl. Installing the rear wing device after automobile energy consumption can increase a certain extent, but the driving stability of vehicle is improved greatly.

Car Aerodynamics; rear wing; Computational fluid dynamics

U467.3

B

1671-7988(2016)01-158-03

孫連偉，就職于遼寧省交通高等專科學(xué)校。