汽车气动附件对气动力优化的数值仿真

２气动附件设计目标
２．１
气动阻力附件设计目标 汽车行驶过程中受到的气动阻力可以分为外部阻力和内部阻力旧１，外部阻力所占总的气动阻力的
比例要远大于内部阻力，而形状阻力和诱导阻力占外部阻力的绝大部分。
诱导阻力是律随升力而产生的阻力成分。汽车顶部和底部的压力差会产生尾涡，这个涡包含着一 定的动能，它必须克服部分阻力的功，这部分阻力就是诱导阻力。形状阻力主要取决于汽车车身前方阻
冲击，而侧裙阻挡了两侧气流涌人底部，两者共同削弱了汽车轮腔内和底部气流的紊乱程度，起到了降 ｝ 低气动阻力，优化流场状况的作用。
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１．１
计算流体力学数值模拟
ＣＡＤ模型建立
本文以某ＳＵＶ和跑车模型为基础，其ＣＡＤ模型是在ＵＧ中建立的。由于实车模型比较复杂，会给
网格绘制和仿真计算带来很大困难，而且耗时长、效率低，因此需要对车身模型进行简化。忽略一些对 气动力计算影响很小的细节，如门把手、雨刮器等；为了保证后续绘制网格的质量，保证结果的收敛性， 对模型的尖角处进行圆整处理；为准确模拟实际风洞的气流状况，建立一外轮廓为长方体计算域。根据 汽车外流场的特点，结合以往计算经验，设置计算域的大小为：入口距模型前端３倍车长，出口距模型后 端６倍车长，总高度为４倍车高，总宽度为７倍车宽。以ＳＵＶ为例，其计算域如图１所示。
万方数据
第１期
唐天宝等：汽车气动附件对气动力优化的数值仿真
・４７・
３阻力气动附件分析
３．１
ＳＯＹ原车分析 选取某ＳＵＶ模型分析阻力气动附件作用效果，对ＳＵＶ原车进行分析。绘制原车网格后，将网格文
件导人Ｆｌｕｅｎｔ软件进行计算，边界条件设置为：计算域入口设为ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎｌｅｔ，速度大小为３８．９ ｍ／ｓ；计 算域出口为ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｕｔｌｅｔ；车身表面设为无滑移壁面边界条件；计算域上表面及左右侧面均设置为滑移
壁面边界条件；为消除地面效应的影响，设置地面为移动壁面，速度同样为３８．９
ｍ／ｓ。
仿真得到原车的气动阻力因数为０．３８７，其底部压力云图和尾涡示意图分别如图２和图３所示。 从图２可以看出：车轮上存在有较大的正压区。从图３可以看出：尾部的涡流附着在后风窗下缘，离车
身的距离很近，说明气流在距离车身很近的位置即发生了分离，这将导致较大的气动阻力。因此，可以
止气流前进的压力与车身尾部使压力恢复的压力差。对气动阻力的优化，彳鏖重要的手段就是削弱尾涡，
减小尾部涡流包含的湍动能。因此，气动阻力附件的重要目标，就是削弱利破坏尾涡，减少尾涡包含的 湍动能。 汽车尾涡是由来自顶部、侧面和底部的气流汇聚并相互作用而形成的。汽车底面通常高低不平，使 得底部气流变得复杂，形成强湍流区和各种复杂的涡流，当汽车底面光顺度提高时，使得气流流经下表 面的摩擦损失降低，同时使气流得到有效的梳理，到达汽车尾部时会降低尾涡的湍流度，因此，可以通过 在汽车底部加装气动附件来优化底部的流场。而流经汽车顶部的气流，在流到汽车尾部时向下移，与底 部上扬的气流及侧面的气流汇聚，因此，可在顶部加装气动附件，使顶部气流与底部及侧向气流汇聚的 位置远离车身。ＳＵＶ车型的特点是具备较高的车身和较大的离地间隙，应重点对汽车顶部和底部的气 动附件进行设计。本文ＳＵＶ设计的底部气动附件为车轮阻风板、侧围及后底盘导流板，顶部气动附件 则是对其后扰流器进行改型。 ２．２气动升力附件设订目标 气流流经汽车表面到尾部汇聚，车身上部的气流和流经车身下部的气流经过的长度不同，从而造成 上、下部的气流流速不同，使得上、下部分间形成压力差，从而产生气动升力。气动升力过大时，会降低 汽车的地面附着性，从而影响汽车的操纵稳定性和安全性，特别是在转弯时，由于侧向风的影响会造成 不安全因素。对普通的轿车和ＳＵＶ等车型，由于自身质量较大，气动升力一般在安全范围内。但对于 高速的赛车和跑车，一方面大量选用轻型的材料（如全铝车身和碳纤维）使得自身质量较轻；另一方面， 赛车和跑车在高速范围内行驶，受到的气动升力更大，所’以必须减小其受到的升力，一般应受负升力的 作用。赛车和跑车的外形都经过优良的气动造型，车身具备很好的流线性，底板一般都是平直的平板， 因此，主要通过加装气动附件的方法来产生负升力，最常见的气动升力附件就是尾翼。气动升力附件的 主要目标，就是减小车身上、下部的压力差，而对于跑车来讲应产生较大的负升力，因此，本文选取一个 跑车模型，主要研究尾翼端板及尾翼形式对其气动升力的影响。
到的压差阻力、诱导阻力和摩擦阻力都是十分有利的。因此，可以在底部加装导流板，梳理底部紊乱的
气流。为此，加装如图６所示的导流板。绘制网格并仿真计算，得到气动阻力因数降为０．３８０。
加装导流板后，使气流流经的汽车后底盘结构变得平整，减少了对气流的干涉和阻挡，同时，减少了 气流在底部的摩擦损耗，这将引起摩擦阻力的下降。而底部结构的优化使得气流的紊乱程度明显降低，
分别为前、后轮腔最大宽度；侧裙位于车身侧边下缘，长度为１
８５０
ｍｍ，高度为４０
ｍｍ。
在绘制网格并进行仿真计算，得到安装车轮阻风板和侧裙后，原车的气动阻力因数降低至０．３７４。
车轮对于气动阻力的影响很大，对于Ｆ１赛车，由于车轮完全暴露，车轮所引起的气动阻力占总阻力的 ４０％以上。而本文的ＳＵＶ车型，从图４和图５所示的前轮车轮压力云图可以看出：加装车轮阻风板后， 车轮上的正压区明显减小，这表明车轮及轮腔内流场得到优化。车轮阻风板阻挡了气流对车轮的正面
第３４卷第１期 ２０１３年 ２月
河南科技大学学报：自然科学版
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖ０１．３４ Ｆｅｂ．
Ｎｏ．１
２０１ ３
文章编号：１６７２—６８７１（２０１３）０ｌ一００４５—０６
汽车气动附件对气动力优化的数值仿真
唐天宝１，郭建成２’３
（１．湖南长丰汽车沙发有限责任公司，湖南永州４２５１０１；２．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙
４１００８２；３．一汽一大众汽车有限公司，吉林长春１３００１ｉ）
摘要：汽车气动附件在汽车上有很广泛的应用，对汽车的气动特性有显著的影响，常见的气动附件有阻力气动
附件和升力气动附件。为研究汽车气动附件对气动力的影响，采用数值仿真的方法，分别以ＳＵＶ模型和跑车
模型为基础，对气动阻力附件和气动升力附件进行研究。研究结果表明：对于ＳＵＶ车型，气动阻力附件能够
有效地降低汽车的气动阻力，而由于ＳＵＶ具备较高的车身和较大的离地间隙，顶部气动附件的作用较底部气 动附件更加明显；尾翼的端板能阻挡气流向两侧的逸散，因而带有端板的尾翼能产生更大的负升力；双尾翼能
产生更大的压力差，所以对升力的优化效果最为显著。
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图４原车前轮压力云图
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圈５优化后前轮压力云圈
万方数据
・４８・
河南科技大学学报：自然科学版
２０１３拒
３．３后底盘气动附件优化 底盘结构的复杂性，会对气流流动形成较大的阻碍作用。对底盘研究表明：底盘阻力占汽车总气动 阻力的比例较大，汽车底部外形越复杂，气动阻力因数越大旧・。底部的结构得到优化，对于减小汽车受
（ａ）原车 图６加装附件后模型
（ｂ）加装附件后
图７底部流线图对比
３．４顶部气动附件优化 汽车行驶时，流经顶部、底部和侧面的气流，会在尾部汇聚形成涡流区，一般来讲，涡流区离尾部越
近，表明气流分离越早，能量耗散越大，气动阻力越大。从图３可以看出：原车的尾涡几乎附着在车身 上，说明气流在车尾即发生了分离。因此，考虑对其车身顶部的后扰流器进行改型，使流经汽车顶部的 气流在到达后扰流器时流向向后，从而得以与来自底部和侧面的气流汇聚于距离车尾较远的区域。为 了使尾部涡流区进一步远离车身，将原ＳＵＶ的后扰流器延长３０ ｍｍ，如图８所示。
关键词：计算流体力学仿真；ＳＵＶ；跑车；气动阻力附件；尾翼
中图分类号：Ｕ４６１．１ 文献标志码：Ａ
０
引言
随着现代汽车技术的发展，对汽车的空气动力学性能也提出了更高的要求。提高汽车的气动性能，
一方面可以通过气动造型来实现；另一方面可以通过加装气动附件来实现¨。。事实上，气动附件已经 成为汽车结构中非常重要的一部分，在实际车型中得到了很广泛的应用。 汽车在行驶时受到的气动力中，对汽车气动性能影响最大的是气动阻力和气动升力。气动阻力附 件的主要目的是减小汽车行驶时的气动阻力，从而提高燃油经济性；气动升力附件的主要目的和作用是 降低汽车的气动升力，从而增强汽车的地面附着性，提高汽车的操纵稳定性和安全性。 计算流体力学（ＣＦＤ）方法因为其耗时短、不受试验环境及试验器材影响、模型修改方便等优点，广 泛应用于汽车气动性能的研究口。。此外，大量的试验已经证实，ＣＦＤ仿真对汽车气动性能的数值模拟 已经达到很高的精度¨。。 国外对气动附件的研究较为深入，在赛车和乘用车上进行了一定的数值模拟研究。而中国由于 ＣＦＤ仿真的方法起步较晚，对汽车车身气动附件的研究较少。为研究气动附件对汽车气动力的优化效 果，本文运用ＣＦＤ仿真的方法，分别对某ＳＵＶ模型的气动阻力附件及某跑车升力气动附件进行仿真研 究。研究的气动阻力附件主要有车轮阻风板、底盘导流板、侧裙及后扰流器，气动升力附件主要是尾翼。 １
核，同时为了避免网格差异对仿真结果的影响，在每次仿真过程中，保持模型的相同部分网格尺寸不变， 同时用不同数目的网格验证网格的无关性”１。 １．３湍流模型选取 汽车周围流场可以看作是三维不可压缩黏性等温流场。由于其外形复杂，容易引起气流分离，所以 应按湍流处理。仿真中常用的湍流模型有Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｓｔｒｅｓｓ模型、标准｜｜｝一８模型、ＲＮＧ｜｜｝一８模型和Ｒ｜｜｝一ｅ模 型。湍流模型研究表明：ＲＮＧ ｋ－８模型考虑涡流因素影响和低雷诺数效应，可有效模拟汽车尾部和底部 复杂漩涡流动结构，计算湍流精度较高，且计算量小，是５种模型中较适于汽车外部复杂流场数值仿真 计算的湍流模型＂］。因此，本文对ＳＵＶ和跑车的仿真均选用ＲＮＧ ｋ－８湍流模型。
从图７所示的原车及底部加装导流板后的流线图中可以看出：后底盘处的气流经过导流板的梳理，在油 箱和后车轮附件的紊流程度得到削弱，这表明气流在底部的能量损耗减少。导流板使后底盘复杂结构 对气流流速的降低作用削弱，气流能以较高的速度到达尾部，从而降低车身顶部和底部的压力差，尾部 气流的向上翻卷状况得到改善，从而一定程度上抑制了尾涡的产生，降低诱导阻力和压差阻力。
・４６・
河南科技大学学报：自然科学版
１．２
网格划分 完成对模型的简化和修改之后，运用
ＡＮＳＹＳ软件绘制模型网格。采用Ｄｅｌａｕｎａｙ 三角形方法在整个计算流域面生成半尺寸 化网格，在车身表面拉伸出与其平行的三棱 柱网格作为附面层，以消除壁面函数的影 响。为提高计算精度，建立包围车身的密度
图１
ＳＵＶ计算域示意图
基金项目：国家自然科学基金项目（５０９７５０８３）；湖南省科技攻关计划重点基金项目（２００９ＪＴｌ０１４）；湖南大学汽车车身先进设计制造
国家重点实验室自主课题（６１０７５００１） 作者简介：唐天宝（１９８１一），男，湖南衡阳人，工程师，研究方向为汽车安全及汽车造型． 收稿日期：２０１１—１２—２９
万方数据
添加底部气动阻力附件，减小车轮和后底盘受到的正压；同时添加顶部气动附件，通过修改后扰流器延 迟气流的分离，使尾涡远离车身，从而减小气动阻力。
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３６９２
圈２原车雇部压力云图
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３．２车轮气动附件优化 车轮附件流场的优化，一方面要减小车轮受到的气流的正面直接冲击；另一方面要阻挡来自侧 面的气流和底部的气流在轮腔内汇聚形成涡流。车轮阻风板及侧裙是ＳＵＶ车型上比较常见的气动 阻力附件Ｍ。７］，车轮阻风板能有效地减少气流对车轮的正面冲击，而侧裙能阻止侧面气流涌人轮腔 体。 因此，确定的车轮附件优化方案为添加车轮阻风板和侧围。首先，参考实际车型的模型，建立了其 ＵＧ模型，前轮阻风板位于前轮腔前缘，高度为４５ ｍｍ，后轮阻风板位于后轮腔后缘，高度为６５ ｍｍ，宽度