后扰流板攻角对汽车气动特性影响的模拟研究

后扰流板攻角对汽车气动特性影响的模拟研究
任斌;赵又群
【摘要】为了优化汽车的空气动力学特性,利用计算流体力学软件FLUENT,对某款高级轿车的简化模型进行了3维数值模拟,分析了在2种车速下,未加装后扰流板和加装各种攻角的后扰流板汽车的气动特性,得出了后扰流板攻角对汽车气动特性的
影响规律,同时比较了后扰流板不同攻角工况下尾部的外流场,并分析了加装后扰流
板后对汽车尾部流场的改善情况.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2009(006)004
【总页数】4页(P98-101)
【关键词】汽车;气动特性;计算流体力学;空气动力学;后扰流板
【作者】任斌;赵又群
【作者单位】南京航空航天大学,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,江苏,南
京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】U461.2
随着高速公路的发展，现代汽车车速不断提高，汽车空气动力学对汽车设计的意义越来越重要［1］。

汽车附件，如后扰流板，对整车空气动力学特性有明显的影响，是改善汽车的操纵稳定性和燃油经济性的一个重要构件。

后扰流板的作用主要是为汽车提供下压力，尤其是增加汽车尾部的下压力，从而减小汽车的升力。

如果车尾
的升力过大，就容易导致过度转向，后轮抓地力减小，使高速稳定性变差。

另外，后扰流板还可以有效地改善汽车的尾部流场［2］。

由于国内汽车空气动力学的研究起步相对较晚，虽然通过一些风洞实验的研究和近年来汽车空气动力学的发展，取得了一些实用的阶段性的研究成果，但总体上还处于起步阶段［1］。

对加装后扰流板汽车的空气动力学特性进行研究，是在国内外一个比较新的研究方向。

本文将对某款高级轿车的简化模型进行3维数值模拟，
分析未加装后扰流板和加装各种攻角的后扰流板汽车的气动特性，分析汽车的尾部流场，得到了后扰流板攻角对汽车气动特性的影响规律，为合理设计和选择汽车后扰流板的攻角提供有价值的依据。

1.1 几何模型
本文的数值模拟采用的汽车几何模型是某高级三厢斜背式轿车的1∶1模型，车身模型的长、宽、高分别为4 945 mm、1 845 mm和1 480 mm。

在建立几何模
型过程中，对车身造型做了如下的简化：忽略车身外部凸起物，如后视镜、雨刮器、车轮等部分，暂不考虑车身底部的凹凸不平度。

所建立的3维几何模型如图1所示，其中，后扰流板与车身距离为0.4倍弦长，长度为1倍车宽，后缘与车身尾部平齐。

1.2 计算域和网格划分
根据汽车行驶造成的气动场扰动空间区域大小，本文的计算域的选择高度为4倍
车高，宽度为7倍车宽，左右各3倍，长度为10倍车长，其中入口距汽车最前端为3倍车长，出口距汽车最后端为6倍车长［3］。

整个计算域是一个长、宽、高分别为49 450 mm、12 915 mm和5 920 mm的长方体，如图2所示。

为了提高计算网格划分的质量和计算精度，将计算域按模块划分网格，其中，对车身和后扰流板周围空气场网格进行局部加密，如图3所示。

在靠近汽车的局部空
气场，用一个小长方体罩住汽车，在此长方体和汽车表面之间生成加密网格，如图
4所示。

在小长方体之外的计算域划分成5个模块空间，均生成六面体网格。

由于后扰流板的空气动力特性是模拟计算的重点，故将后扰流板区域划分的网格进一步加密，如图5所示。

1.3 边界条件
计算模型中的车身外流场使用的进、出口边界条件分别为速度入口和压力出口。

为了真实地模拟地面与汽车之间的相对运动，给地面以与入口气流相同的速度，即设置地面的边界条件为移动壁面边界条件。

计算边界条件的设置如表1所示。

在计算模型中，为计算车身的外流场，通常假设空气流动为定常流动，则空气介质的物性参数恒为常数。

在一般情况下，汽车车速低于200 km/h，即空气相对于汽车运动的马赫数远小于0.3，因此空气流动可定义为不可压缩流动，而空气对汽车的绕流则处于湍流状态。

本文采用工程上广泛应用的雷诺时均三维不可压缩N-S
方程［4］，连续性方程为
动量方程为
式中为2阶相关项，又称为雷诺应力，p为压强;u，v，w分别为模型纵向、横向
和垂直方向速度；ρ为密度；x，y，z分别为模型纵向、横向和垂直方向坐标轴，
i=1，2，3，j=1，2，3分别表示x，y，z 3个空间坐标，脚标在某一项中相同时，表示求和。

变量上方有“-”者为时均值，变量上标有“′”者为脉动量。

N-S方程需要引入相应的湍流模型来封闭方程，本文采用标准k-ε模型。

标准k-ε模型中雷诺应力为
式中：模型的涡粘性系数μt=Cμρk2/ε，ε为湍流耗散率，k为湍流动能。

k，ε由下式来封闭确定。

在20 m/s和40 m/s 2种车速下，分别取后扰流板攻角为0°、5°、10°、15°、20°、30°和45°对模型进行数值模拟，所得车身阻力系数和升力系数如图6和图7所示。

由图6、图7可以看出，阻力系数和升力系数在2种不同车速下变化不大。

对于阻力系数而言，加装不同攻角的后扰流板，总体上会增加整车的阻力系数，但增加的幅度不大。

在后扰流板攻角为0°时，汽车的阻力系数还会有所减小。

当车
速为20 m/s时，减小1.45%，当车速为40 m/s时，减小1.52%。

随着后扰流板的攻角的增大，阻力系数不断增大。

对于升力系数而言，加装不同攻角的后扰流板，可以大幅度地减小整车的升力系数。

在后扰流板的攻角为45°的情况下，升力系数最小。

当车速为20 m/s时，减小84.83%，当车速为40 m/s时，减小84.30%。

随着后扰流板的攻角的增大，升力系数不断减小，所提供的下压力不断增大。

随着后扰流板攻角的增大，升力系数不断减小的同时，阻力系数不断增大。

但选择合适的后扰流板攻角，可以在阻力系数增加幅度较小的情况下，大幅度地减小升力系数。

例如，攻角为15°，车速为20 m/s时，阻力系数只增加6.29%，而升力系数却增大了51.58%。

又如，攻角为15°，车速为40 m/s时，阻力系数只增加
6.41%，而升力系数却增大了51.35%。

在选择后扰流板的攻角时，应该根据汽车的性能要求，综合考虑阻力系数和升力系数的变化，不能片面考虑阻力系数或者升力系数。

图8为车速V=40 m/s情况下，后扰流板攻角分别为0°、15°、30°和45°时尾部流场分布图。

由图8可以看出，在尾流区的空气流动非常复杂，流过汽车顶部、
底部和侧面的气流相互作用、相互融合，发展形成了一个很大的尾部涡流。

由于该尾部涡流的存在，使汽车尾部的压力受到了很大的影响，在车后一定距离处，气流出现了倒流现象。

由图8（a）和8（b）可以看出，未加装后扰流板时，尾部涡流非常明显，气流的倒流情况严重。

加装后扰流板之后，尾流得到很好的梳理，尾流涡流明显减弱，倒流现象也明显减弱。

而且，在后窗与行李舱盖的交接处以及后扰流板与行李舱盖之
间，气流速度减慢，从而使得静压力较未加装后扰流板模型的静压相对增大，这可以使整车下压力增大，升力系数减小。

由图8（b）、8（c）和8（d）可以看出，加装不同攻角的后扰流板，对尾流的
影响程度也是不同的。

随着攻角的增大，后扰流板后方区域的流场更加复杂，倒流也很明显。

后扰流板本身产生的阻力增大，导致阻力系数有所增大。

随着攻角的增大，在后窗与行李舱盖的交接处以及后扰流板与行李舱盖之间，气流速度有所减慢，因此，静压有所升高，使得下压力增大，升力系数减小。

本文通过对某高级轿车的1∶1简化模型进行数值模拟，在20 m/s和40 m/s 2
种车速下，对后扰流板的各种不同攻角工况，进行了空气动力学研究，分析了未加装后扰流板和加装各种攻角的后扰流板后汽车的气动特性。

结果表明，阻力系数和升力系数在2种不同车速下变化不大，说明只需要研究1种车速即可获得汽车的
阻力系数和升力系数。

随着后扰流板的攻角的增大，阻力系数不断增大，升力系数不断减小，所提供的下压力不断增大，这可为合理设计和选择后扰流板的攻角提供定量的数值依据。

研究表明，在选择后扰流板攻角时，应该根据汽车的性能要求，综合考虑阻力系数和升力系数的变化，不能片面地考虑阻力系数或者升力系数。

【相关文献】
［1］傅立敏.汽车空气动力学［M］.北京：机械工业出版社，1998：1-77.
［2］白云飞.汽车为什么装“尾翼”［J］.汽车运用，2003，（10）：9.
［3］吕立坤.扰流板对轿车气动特性改善的数值仿真［D］.吉林：吉林大学，2006.
［4］姜岩，康宁.尾翼定位对斜背式轿车气动特性影响的研究［J］.车辆与动力技术，2004，（3）：9-13.。