MIRA快背式模型主動減阻研究*

張英朝，鄭鎮(zhèn)雨，吳開廣，張 喆

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

前言

現(xiàn)如今汽車的舒適性、安全性和經(jīng)濟(jì)性得到越來越多的關(guān)注，與這些性能有密切聯(lián)系的汽車空氣動力學(xué)性能變得越來越重要。最受關(guān)注的便是由汽車車身氣動阻力引起的燃油消耗，因此車身的氣動減阻成為了關(guān)注的重點(diǎn)。在以往的研究中，大部分研究人員采用了改變汽車外形以及車身附件的使用和改型，稱之為被動減阻。這種減阻方法一方面會增加車身的總質(zhì)量，另一方面會極大地影響車身的造型和美觀。采用主動減阻的方式可以很好地規(guī)避上面提到的缺陷。

國內(nèi)外近年來有許多關(guān)于MIRA模型流場的分析以及流動控制策略的研究。MIRA模型是一種接近實(shí)際轎車形狀的標(biāo)準(zhǔn)車型。通過對MIRA快背式模型的流場分析可知，若能將一些策略應(yīng)用到模型上使得模型正迎風(fēng)面的正壓減小或者使模型背風(fēng)面的壓力增大，模型的氣動阻力將會得到極大的降低［1］。Beaudoin和Aider得到了前部流場結(jié)構(gòu)對尾流場結(jié)構(gòu)有顯著影響的結(jié)論［2］。Hucho等對經(jīng)典快背式車型的外流場進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了由A柱而來的A柱渦和由C柱而來的C柱渦［3］。王子杰利用PIV試驗(yàn)總結(jié)出MIRA模型流場的3個典型縱向渦，其中包括從A柱發(fā)展的A柱渦，C柱發(fā)展而來的C柱渦，由車尾側(cè)面和上翹腳側(cè)面產(chǎn)生的D渦，車尾上下兩部分產(chǎn)生的E渦和F渦［4］。在主動流動控制方面，Lehugeur通過對Ahmed模型尾部頂端的吹氣設(shè)置達(dá)到了6%的減阻效果［5］。文獻(xiàn)［6］中在尾部斜面頂部設(shè)置了抽氣和吹氣，抑制了氣流分離，達(dá)到了17%的減阻效果。Leclerc通過在尾部頂端設(shè)置合成射流，達(dá)到了8.5%的氣動減阻效果［7］。本文中基于MIRA快背式模型的流場機(jī)理，對氣動阻力系數(shù)影響比較關(guān)鍵的6個部位施加射流方案，并將不同的射流口尺寸和射流速度進(jìn)行組合，探究這些參數(shù)對流動控制效果的影響。

1 仿真模型和仿真參數(shù)

1.1 仿真模型

本文中用PowerFlow軟件進(jìn)行仿真計算。PowerFlow是基于格子—玻爾茲曼方法實(shí)現(xiàn)的。格子— 玻爾茲曼方法具有一些其他CFD仿真方法所不具備的優(yōu)勢，這種方法直接反映和描述了流體分子，運(yùn)算物理項(xiàng)是從分子之間的相互作用中提取的。數(shù)值仿真當(dāng)中使用的湍流模型為VLES模型，VLES模型求解計算的Kolmogorov范圍以外的各向異性渦流，可有效減少計算資源的消耗。

1.2 仿真參數(shù)

本文中研究對象為國際標(biāo)準(zhǔn)的MIRA快背式模型，這種簡化的汽車模型的氣動研究已經(jīng)十分廣泛。圖1為MIRA快背式模型的三視圖以及對其主要尺寸的標(biāo)注。表1為瞬態(tài)仿真的參數(shù)設(shè)置［8］。

圖1 MIRA快背式模型三視圖

2 MIRA快背式模型各位置射流減阻方案仿真分析

經(jīng)過對原模型的外流場穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真分析，已經(jīng)得到了原模型外流場的基本結(jié)構(gòu)。接下來力圖通過射流作用有效減小車身正迎風(fēng)面壓力并增大背風(fēng)面的壓力［9］。圖2展示了本文中選取的6個射流方案的具體位置。A位置在發(fā)動機(jī)罩的后緣；B位置在前輪的正迎風(fēng)面；C位置在車身側(cè)面靠近車輪的位置［10］；D位置在車身后風(fēng)窗下部的位置；E位置在車身尾部上翹角的末端；F位置在車身的尾部。

表1 瞬態(tài)仿真參數(shù)設(shè)置

圖2 主動減阻射流口位置

A位置（發(fā)動機(jī)罩后緣）的射流是沿Z軸正方向的，在該位置添加射流口后，前部來流在經(jīng)過發(fā)動機(jī)艙蓋繼續(xù)上行的過程中會更平穩(wěn)過渡到車頂。由圖3可以看出，前風(fēng)窗的正壓力明顯減小，前部來流對于前風(fēng)窗的沖擊明顯減弱，阻力系數(shù)降低了0.018。

圖3 原模型與A位置射流模型Z向靜壓系數(shù)云圖對比

B位置（前輪正迎風(fēng)面）的射流沿Z軸負(fù)方向。該方案的目的是使氣流在經(jīng)過前唇之后繼續(xù)下行，盡量繞過車輪而不正面沖擊車輪。由圖4可以看出，B位置射流減阻方案使得氣流下行趨勢明顯，車輪前部的壓力減小，最終達(dá)成了0.003的減阻效果。

圖4 原模型與B位置射流模型y＝633 mm截面靜壓系數(shù)云圖和流線圖對比

C位置（車身側(cè)面靠近車輪的位置）的射流方向?yàn)檠亍繷方向向外射出［11］，目的是將車身底部氣流由側(cè)面排出，降低車身底部的渦量。由圖5可以看出，C位置的射流減阻模型的前輪后部壓力升高而后輪前部的壓力降低，整車的壓差阻力有所降低，阻力系數(shù)降低了0.012。

D位置（后風(fēng)窗下部）的射流方向沿著Z軸正向。由圖6可以看出，D位置射流減阻模型的吹氣方式使得后風(fēng)窗后緣的壓力升高，這是因?yàn)楹缶壩恢孟蛏系拇禋鈱敳肯滦袣饬鳟a(chǎn)生阻滯作用使得后風(fēng)窗后緣壓力增大，有很好的減阻效果。但另一方面，這種阻滯作用使得尾流區(qū)的尺度增大，對減阻又產(chǎn)生了消極影響，所以D位置的射流工況僅僅減阻0.003。

圖5 原模型（左）與C位置射流模型（右）靜壓系數(shù)云圖對比

圖6 原模型與D位置射流模型側(cè)向壓力系數(shù)云圖和流線對比

E位置（尾部上翹角的末端）的射流沿Z軸的負(fù)方向，該射流會對底部的來流產(chǎn)生阻滯作用，上翹角位置的壓力會明顯增大［12］。另外，E位置的射流產(chǎn)生的來流阻滯效果抑制了D渦的生成，這也產(chǎn)生了一定的減阻效果，E方案共減阻0.005左右。

F位置（車身的背部外緣）的射流吹氣沿X軸正方向，與風(fēng)速相同，與車輛的行進(jìn)方向相反。由圖7可以看出，F(xiàn)射流減阻模型的尾流區(qū)的尺度明顯減小，這是因?yàn)镕位置的射流對C柱渦和D渦都產(chǎn)生了一定沖擊，破壞了渦流的繼續(xù)發(fā)展［13］。

由于F位置的射流工況的射流方向與阻力產(chǎn)生的方向是相同的，需要用一定的方法將其對阻力的影響進(jìn)行修正。在這里采用式（1）進(jìn)行阻力系數(shù)的修正［14］。經(jīng)過修正的阻力系數(shù)的值為0.276 8，減阻0.012。

圖7 原模型和F位置射流減阻模型總壓為零等值面視圖

式中：Cdprofile為修正后的氣動阻力系數(shù)；Cdglobal為未修正的氣動阻力系數(shù)；Cjet為射流力矩影響產(chǎn)生的氣動阻力系數(shù)；Fd為未修正的氣動阻力；ρ∞為來流密度；Arefcar為模型正投影面積；ρjet為射流氣體密度；Arefslot為射流孔面積；Ujet為射流速度；U∞為入口速度。

表2展示了各射流減阻方案的阻力系數(shù)（Cd值）以及與原模型的阻力系數(shù)差距，可以看出各方案均起到了一定的減阻效果。接下來將會把各位置方案進(jìn)行組合，分析綜合的減阻效果。

表2 各位置射流減阻效果

3 各位置最優(yōu)射流方案組合研究

前文中得到了各個射流方案的具體效果，由于其中一些射流位置的射流影響范圍較大，有些射流位置的射流效果會產(chǎn)生相互作用，因此有必要將各位置的射流組合考慮。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，將各個位置最優(yōu)方案進(jìn)行總結(jié)后得到的阻力系數(shù)值為0.221 6，但因?yàn)镕位置的射流方向與阻力產(chǎn)生的方向相同，使用前文中提到的修正方法得到修正后的阻力系數(shù)值為0.241 4，實(shí)現(xiàn)了16.3%的減阻效果，阻力系數(shù)降低了0.047。圖8為組合射流模型和原模型的阻力系數(shù)發(fā)展曲線的對比圖，從中可以明顯看出兩者的差別。在前風(fēng)窗之前的位置，組合射流模型的阻力系數(shù)大于原模型，這是因?yàn)榍帮L(fēng)窗邊緣和前輪位置射流口Z向吹氣產(chǎn)生的阻滯作用的效果［15］。在車身的中段，從前風(fēng)窗位置開始，組合射流模型的阻力系數(shù)開始明顯低于原模型，在車身后部組合射流的減阻效果更加明顯。

圖8 組合射流模型與原模型阻力系數(shù)發(fā)展曲線對比圖

由圖9可以看出，組合射流模型前風(fēng)窗的正壓區(qū)的整體壓力明顯減小，后風(fēng)窗位置的壓力明顯增大，意味著模型前后壓差的降低。由圖10可以看到，后輪前部的正壓明顯減小，這是由于C位置（車身側(cè)下部）射流吹氣減弱了車底以及后輪前方的氣流阻滯區(qū)，使得底部氣流對于后輪的正面沖擊減弱［16］。從圖11中可以看到尾部上翹角的位置壓力明顯增大，減阻效果明顯。另外，由背部壓力系數(shù)云圖可以看出，組合射流模型中F射流的效果依然明顯，背部壓力明顯增大。

圖9 組合射流模型與原模型表面靜壓系數(shù)云圖（Z軸負(fù)向視圖）

圖10 組合射流模型與原模型表面靜壓系數(shù)云圖（Z軸正向視圖）

圖11 組合射流模型與原模型表面靜壓系數(shù)云圖（車身背部）

4 結(jié)論

本文中選取了快背式的MIRA模型進(jìn)行優(yōu)化減阻的研究。首先對MIRA原模型的外流場進(jìn)行了分析，確定了車身的外流場結(jié)構(gòu)以及一些耗能渦的狀態(tài)和位置。然后擬定了6個位置的主動流動控制方案，即射流減阻方案，目的是減小模型的前后壓差阻力并在一定程度上抑制耗能渦流的發(fā)展和產(chǎn)生。經(jīng)過仿真的驗(yàn)證，各位置射流方案均取得了很好的減阻效果。最后將各位置最優(yōu)方案組合形成組合射流模型，得到的組合射流模型阻力系數(shù)值為0.241 4，實(shí)現(xiàn)了16.3%的減阻效果。