某電動(dòng)SUV尾翼優(yōu)化方案分析

李春鵬，趙 婧

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司，長春 130000）

通常道路上行駛的汽車受到的阻力主要是滾動(dòng)阻力和空氣阻力，隨著車速增加，空氣阻力的占比逐漸增加。當(dāng)車速達(dá)到60 km/h時(shí)，空氣阻力占整車阻力的一半。而在國內(nèi)高速公路最高限速120 km/h的情況下，空氣阻力占整車阻力的絕大部分[1]。因此，降低整車空氣阻力是當(dāng)前汽車行業(yè)內(nèi)性價(jià)比較高的節(jié)能降耗手段。汽車行駛時(shí)空氣阻力主要分為壓差阻力與摩擦阻力，而壓差阻力占總阻力的絕大部分。壓差阻力受造型設(shè)計(jì)影響較大，因此，通過整車造型及附件優(yōu)化減小整車前后壓力差對降低風(fēng)阻具有重要意義。

作為SUV車型的傳統(tǒng)重要部件，尾翼是增強(qiáng)造型效果和降低整車風(fēng)阻的重要部件。單純從降低整車風(fēng)阻系數(shù)的角度來分析，尾翼的作用主要是強(qiáng)制頂部氣流分離，同時(shí)延長分離點(diǎn)，并通過下壓或上翹實(shí)現(xiàn)頂部氣流方向控制，從而控制尾渦結(jié)構(gòu)，降低風(fēng)阻。

本文將重點(diǎn)介紹某電動(dòng)SUV車型（配置懸浮式尾翼代替?zhèn)鹘y(tǒng)尾翼）實(shí)現(xiàn)降阻的過程、遇到問題的解決辦法及原理探究。

1 背景介紹

1.1 傳統(tǒng)尾翼

與賽車上的尾翼不同，SUV車頂末端的尾翼設(shè)計(jì)主要起到疏導(dǎo)氣流、改善尾部流場的作用，因此也被稱為后擾流板。由于后擾流板對頂部氣流方向的控制，所以尾翼能夠較有效地引導(dǎo)頂部氣流分離，延長分離點(diǎn)，同時(shí)通過控制其上表面的角度可直接控制車頂高速氣流的出射方向，進(jìn)而改變尾渦結(jié)構(gòu)，控制整車風(fēng)阻系數(shù)。傳統(tǒng)SUV車頂尾翼如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)SUV車頂尾翼

由于尾翼是SUV控制尾部流場、降低風(fēng)阻的重要附件，所以對它的優(yōu)化設(shè)計(jì)從未停止。研發(fā)至今，為兼顧性能與造型，當(dāng)前市面上SUV車型的尾翼仍為傳統(tǒng)造型風(fēng)格。

1.2 懸浮式尾翼

隨著乘用車造型風(fēng)格向運(yùn)動(dòng)化發(fā)展，轎車逐漸趨于轎跑車風(fēng)格，而SUV也逐漸趨向轎跑SUV造型風(fēng)格。因此，各大廠商紛紛發(fā)布配置了懸浮尾翼的SUV車型。經(jīng)過對某SUV流場分析后發(fā)現(xiàn)，該方案不僅滿足造型風(fēng)格的發(fā)展趨勢，而且通過合理設(shè)計(jì)，其對引導(dǎo)車頂氣流，改善尾渦結(jié)構(gòu)降低風(fēng)阻同樣具有明顯作用。懸浮式尾翼如圖2所示。

圖2 懸浮式尾翼

2 方案過程介紹

2.1 基礎(chǔ)工況狀態(tài)說明

如前所述，本文針對某電動(dòng)SUV，采用瞬態(tài)仿真軟件PowerFLOW對其進(jìn)行數(shù)值分析。從基本工況y=0 mm速度切片分布圖（圖3）得出以下結(jié)論。

（1）底部氣流在后保下沿發(fā)生分離。電動(dòng)車底盤平整度較高，流入尾渦的底部氣流速度較高。

（2）該基礎(chǔ)工況尾翼造型風(fēng)格導(dǎo)致其末端稍上翹。

（3）尾翼上翹的造型風(fēng)格導(dǎo)致車頂高速氣流上揚(yáng)射出，底部氣流上卷，尾渦結(jié)果較差，尾渦尺寸較大。

圖3 y = 0 mm速度切片分布（基本工況）

2.2 第一階段優(yōu)化方案及結(jié)果分析

根據(jù)基礎(chǔ)工況流場分析結(jié)果設(shè)計(jì)尾翼下壓方案。利用ANSA有限元軟件，在尾翼整體厚度不變的情況下，將其末端沿z向下壓65 mm，x向不變，旨在通過改變頂部氣流方向，使尾渦上、下氣流強(qiáng)度平衡，改善尾渦結(jié)構(gòu)，降低整車風(fēng)阻。優(yōu)化前后尾翼y= 0 mm截面模型對比，如圖4所示。

圖4 y=0 mm 截面模型切片

將優(yōu)化方案y= 0 mm速度切片分布圖與基本工況進(jìn)行對比得出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）頂部氣流分離后的出射方向由上揚(yáng)改為下壓，尾渦區(qū)z向尺度明顯減小。（2）上、下氣流在尾渦中更加平衡，尾渦結(jié)構(gòu)得到較明顯改善。尾翼下壓優(yōu)化后尾部流場y=0 mm速度切片分布，如圖5所示。

圖5 y=0 mm 速度切片分布（尾翼下壓優(yōu)化后）

2.3 方案推動(dòng)及懸浮式尾翼方案引入

在上述方案推動(dòng)過程中，由于尾翼下壓尺寸較多，所以與造型風(fēng)格不符。經(jīng)過一段時(shí)間的溝通及討論，最終提出懸浮式尾翼方案，即尾翼前端與車頂斷開，形成開口，從而既能保留造型風(fēng)格又能滿足性能要求。懸浮式尾翼y= 0 mm截面模型切片，如圖6所示。

圖6 y=0 mm 截面模型切片（懸浮式尾翼）

經(jīng)過空氣動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證后，證明該方案的確具有一定的降阻效果，頂部氣流具有下壓趨勢，從而改善尾渦結(jié)構(gòu)。該方案相比于基礎(chǔ)工況，整車風(fēng)阻系數(shù)降低0.020，降阻效果顯著。更換懸浮式尾翼尾部流場y= 0 mm速度切片分布，如圖7所示。

圖7 y=0 mm 速度切片分布（懸浮式尾翼）

2.4 發(fā)現(xiàn)問題

更換懸浮式尾翼使整車風(fēng)阻系數(shù)降低，但背部表面壓力圖出現(xiàn)后風(fēng)窗單側(cè)低壓區(qū)明顯增加，尾部兩側(cè)渦極不對稱的現(xiàn)象。背部表面壓力及ISOCpt=0如圖8所示。

圖8 背部表面壓力及ISO Cpt=0

此外，在后續(xù)針對后視鏡等進(jìn)行優(yōu)化方案驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)尾部流場敏感性較高，后視鏡優(yōu)化、增加尾翼支架導(dǎo)致風(fēng)阻增加0.008。該現(xiàn)象立即引起了專業(yè)及項(xiàng)目組重視，經(jīng)專業(yè)討論后判斷該現(xiàn)象可能與懸浮式尾翼從車頂引入的新氣流相關(guān)，因此，決定針對開口氣流控制方向?qū)ふ覇栴}解決的突破口。

2.5 問題解決過程及結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要問題是：尾翼開口位置引入的頂部氣流流入后風(fēng)窗表面，從而導(dǎo)致背部表面壓力降低以及側(cè)部氣流塌陷。

經(jīng)過討論明確以下設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證上述猜想是否正確，同時(shí)解決上述問題。

2.5.1 尾翼開口增大

尾翼懸浮部分前端截?cái)?，從而使尾翼開口增大。仿真驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，開口加大后，引入氣流增加，后風(fēng)窗低壓區(qū)增加，整車風(fēng)阻系數(shù)增加0.002，與推測一致。

圖9 y=0 mm 截面模型切片（尾翼開口增大）

2.5.2 上翹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

明確由于開口引入的氣流流到后風(fēng)窗導(dǎo)致表面低壓區(qū)增加及尾渦結(jié)構(gòu)破壞，所以決定在車頂末端即后風(fēng)窗頂部設(shè)計(jì)上翹結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制氣流分離的同時(shí)避免開口氣流流入后風(fēng)窗，該方案降阻0.007。

2.5.3 結(jié)果

基于強(qiáng)制氣流分離，改變氣流出射方向，延后氣流分離點(diǎn)的幾個(gè)影響風(fēng)阻系數(shù)的關(guān)鍵因素，針對上述上翹特征進(jìn)行幾輪優(yōu)化，在上述方案基礎(chǔ)上繼續(xù)降阻0.003，最終版懸浮式尾翼如圖10所示，該懸浮式尾翼方案相比于基礎(chǔ)工況降阻0.025，明顯改善了尾渦結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性。最終版懸浮式尾翼方案尾部流場y= 0 mm速度切片分布如圖11所示。

圖10 y=0 mm 截面模型切片（最終版懸浮式尾翼）

圖11 y=0 mm 速度切片（最終版懸浮式尾翼）

表1 仿真算例歷程

3 原理探究

以上方案有效改善了懸浮式尾翼導(dǎo)致的尾渦不平衡現(xiàn)象，但對于該現(xiàn)象產(chǎn)生的具體原理及是否存在更有效的控制手段仍未知。在此后的項(xiàng)目研發(fā)過程中，一次數(shù)據(jù)更新后，尾渦不平衡及后風(fēng)窗兩側(cè)低壓區(qū)增加的現(xiàn)象再次出現(xiàn)，導(dǎo)致風(fēng)阻急劇增加。結(jié)合此次的問題分析及解決過程，對該尾渦不平衡現(xiàn)象進(jìn)行更深入的原理探究。

3.1 現(xiàn)象描述

數(shù)據(jù)更新后原平衡的尾渦狀態(tài)被嚴(yán)重破壞。原本存在的后風(fēng)窗兩側(cè)表面低壓區(qū)明顯增加。數(shù)據(jù)更新前后尾部流場y= 0 mm速度切片分布如圖12所示，數(shù)據(jù)更新前后后風(fēng)窗表面壓力對比如圖13所示。

圖12 y=0 mm 速度切片對比

圖13 背部表面壓力圖對比

3.2 原理分析

基于車身背部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析及后風(fēng)窗表面流線分析判斷：本次數(shù)據(jù)更新前后，尾渦從典型方背式尾渦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愲A背式尾渦結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)更新前后后風(fēng)窗表面流線對比如圖14所示。

圖14 背部表面流線對比

階背式汽車從車頂末端分離的流體會(huì)繞著分離泡的側(cè)面流動(dòng)到后風(fēng)窗上，在貼近后風(fēng)窗位置形成大的回旋渦（圖15中的綠色顯示）。而隨著回旋渦不斷向下發(fā)展，其剪切層不斷脫落（圖15中的黃色顯示），渦旋周期性地從分離區(qū)釋放出來，并進(jìn)一步流動(dòng)到下游，最終形成一對較大尺寸的渦旋（圖15中的紅色顯示）。GILHOME稱這種渦旋為“發(fā)夾渦旋”。其靠近后風(fēng)窗的部位導(dǎo)致后風(fēng)窗表面形成與C柱渦旋向相反的一對渦，在二者的相互作用下導(dǎo)致后風(fēng)窗形成低壓區(qū)，從而產(chǎn)生了上述現(xiàn)象[2-3]。

由于尾渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在本案例中其是否與上述階背式汽車背部現(xiàn)象完全一致，暫無法準(zhǔn)確判定，需在后續(xù)風(fēng)洞試驗(yàn)中加以驗(yàn)證分析。

圖15 階背式汽車背部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 控制要點(diǎn)

綜上所述，懸浮式尾翼引入的氣流在頂部分離泡的作用下流動(dòng)到后風(fēng)窗上，進(jìn)而與C柱渦相互作用使后風(fēng)窗表面壓力降低，從而導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生。因此，該現(xiàn)象產(chǎn)生的重點(diǎn)在于開口尾翼引入氣流的流向、流量與C柱渦（即側(cè)部氣流）的相互作用。

上文提到的尾翼開口下表面增加上翹特征起到了改變開口氣流流動(dòng)方向、減小流入后風(fēng)窗氣流流量的效果。此外，基于尾翼上翹方案對尾翼進(jìn)行以下兩種優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，同樣可以達(dá)到降阻及尾渦穩(wěn)定性提升的目的。

（1）尾翼開口兩側(cè)適當(dāng)封堵，減少尾翼開口引入氣流總流量，減少流向后風(fēng)窗的流量，改善后風(fēng)窗壓力。

（2）后風(fēng)窗低壓區(qū)附近C柱擾流條加長，阻隔側(cè)部氣流與尾渦的相互作用，改善后風(fēng)窗低壓區(qū)。

4 結(jié)論

通過優(yōu)化某電動(dòng)SUV車型尾翼，使整車風(fēng)阻系數(shù)降低7.2%，NEDC工況能耗降低2.6%，提升了續(xù)駛里程。此外，在SUV車型尾翼優(yōu)化方案設(shè)計(jì)方面得出以下結(jié)論：

（1）SUV搭配懸浮式尾翼與傳統(tǒng)尾翼末端下壓均能夠?qū)崿F(xiàn)對頂部氣流出射方向的控制，從而改善尾渦結(jié)構(gòu)，降低風(fēng)阻。

（2）SUV搭配懸浮式尾翼是當(dāng)下造型設(shè)計(jì)的趨勢，但需注意其對原本穩(wěn)定的SUV尾渦結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。針對本研究中出現(xiàn)的問題，對尾翼開口及C柱擾流條進(jìn)行優(yōu)化可起到一定的改善和控制作用，若遇到相同情況可參考。

（3）該現(xiàn)象在此前開發(fā)的車型中尚未出現(xiàn)過，該車為首個(gè)搭配懸浮式尾翼的SUV車型，尾渦敏感與其相關(guān)。本文中所述方案僅為解決項(xiàng)目開發(fā)中遇到的相應(yīng)問題所設(shè)計(jì)，該類型尾渦結(jié)構(gòu)及整體控制的具體手段需進(jìn)一步探究。