不同尾翼两厢轿车的气动特性数值模拟

第４１卷　第１期吉林大学学报（工学版）　Ｖｏｌ．４１　Ｎｏ．１２０１１年１月Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｊａｎ．２０１１收稿日期：２００９－０７－２５．基金项目：国家自然科学基金项目（１０８０２０３３）；吉林大学科学前沿与交叉学科创新项目；吉林大学“９８５工程”项目．作者简介：张英朝（１９７８－），男，讲师，博士．研究方向：汽车空气动力学．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｎｇｃｈａｏ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ不同尾翼两厢轿车的气动特性数值模拟张英朝１，韦　甘２，张　喆１（１．吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，长春１３００２２；２．同济大学汽车学院，上海２０１８０４）摘　要：为了研究尾翼对汽车气动性能的影响，建立两厢轿车简化后的三维模型，为其设计了三种造型不同的汽车尾翼。

使用商业的ＣＦＤ软件———ＡＮＳＹＳ　Ｆｌｕｅｎｔ，对安装了三种不同尾翼的两厢轿车的外部流场进行三维空气动力学数值模拟。

文中综合造型、动力性、经济性、稳定性对结果进行对比，分析安装这三种尾翼时两厢轿车的空气动力学特性差异以及产生这些差异的主要原因，选出其中综合性能最理想的尾翼造型。

关键词：车辆工程；空气动力学；计算流体力学；汽车尾翼；两厢轿车中图分类号：Ｕ４６１．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４９７（２０１１）０１－０００１－０５Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈａｔｃｈ－ｂａｃｋ　ｃａｒｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｐｏｉｌｅｒｓＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎｇ－ｃｈａｏ１，ＷＥＩ　Ｇａｎ２，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｅ１（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　３－Ｄ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｆｏｒ　ａ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｈａｔｃｈ－ｂａｃｋ　ｃａｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｏｉｌｅｒ　ｏｎ　ｃａｒａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｏｎｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈａｔｃｈ－ｂａｃｋ　ｃａｒｅｘｔｅｒｎａｌ　ｆｌｏｗｓ　ｕｓｉｎｇ　３ｓｐｏｉｌｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈａｐｅｓ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　ＣＦＤ　ｃｏｄｅ　ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｏｉｌｅｒｓ　ｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒ　ｗｉｔｈｏｐｔｉｍａｌ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒ；ｈａｔｃｈ－ｂａｃｋ　ｃａｒ 近几年来，许多两厢轿车的尾部都加装了尾翼。

可以起到辅助汽车造型，提高汽车动力性、汽车高速行驶时的稳定性的作用。

有的尾翼还能起到改善后视野的作用［１－３］。

同一辆两厢轿车安装不同造型的尾翼会产生不同的效果。

文献［１－４］中都提到了汽车尾翼的作用，但没有进行进一步的综合造型和各性能的对比分析。

本文旨在从空气动力学的角度出发，探讨两厢轿车在安装不同造型的尾翼时性能的差别以及产生这些差别的原因。

用于指导两厢轿车改装时尾翼的安装选择及吉林大学学报（工学版）第４１卷汽车尾翼造型的设计开发。

１　数值模拟过程１．１　建立两厢轿车的三维模型在造型软件中建立两厢轿车的１∶１比例的三维模型，如图１所示，整车总长为４１７９ｍｍ，不包括尾翼时总高为１４２０ｍｍ，包括后视镜时总宽为１８９４ｍｍ，不包括后视镜时总宽为１７６６ｍｍ。

模型封闭为实体。

简化外表面，其主要措施如下：（１）对表面局部凹凸如门缝线等做平滑处理，省略车门把手、车灯、雨刮器等附件［５］。

（２）建立简化的刹车盘、刹车钳、车轴、轮罩；在轮胎接地处拉伸出１０ｍｍ高的凸台，这样可以避免划分网格时出现狭长尖锐的低质量网格［６－７］。

图１　两厢轿车的三维模型Ｆｉｇ．１　Ｈａｔｃｈ－ｂａｃｋ’ｓ　ＣＡＤ　ｍｏｄｅｌ设计三种造型不同的尾翼并建立数学模型：（１）Ａ尾翼。

如图２所示的Ａ尾翼是根据顶棚后部和Ｃ柱上部的造型特点设计并安装在顶棚和后风窗交接处。

设计的出发点是希望Ａ尾翼引导从顶棚流过来的气流，改善汽车尾部气流状况。

Ａ尾翼使顶棚和后风窗之间的大幅度转折得以自然过渡，其造型的优点是自然大方，缺点是保守、普通。

（２）Ｂ尾翼。

在Ａ尾翼的基础上镂空中部得到Ｂ尾翼，如图２所示。

设计的出发点是希望Ｂ尾翼引导一部分气流从中间镂空部分通过，沿着后风窗表面流动，达到清洁浮尘，改善后视野的附加效果。

Ｂ尾翼的造型自然大方，比Ａ尾翼更新颖别致［４］。

（３）Ｃ尾翼。

如图２所示的Ｃ尾翼，其主体部分是两端有小翼的反翼型板，用支架支撑在顶棚后沿并向前倾斜。

设计出发点是希望反翼型板产生下压力，降低升力系数，改善两厢轿车高速行驶时的稳定性。

Ｃ尾翼造型的优点是个性张扬，缺点是突兀。

（ａ）Ａ尾翼 （ｂ）Ｂ尾翼 （ｃ）Ｃ尾翼图２　三种形式的汽车尾翼Ｆｉｇ．２　Ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒｓ在整车的外部建立一个长方体计算域，模拟汽车周围的空气流动。

计算域整体长６０ｍ，宽１８ｍ，高８ｍ［５－７］。

１．２　网格划分将两厢轿车的三维模型导入到ＣＦＤ前处理软件中进行拓扑、修补和网格划分。

尾翼、车轮总成和后视镜表面的网格设置为５ｍｍ，长方体计算域的六个面的网格设置为１０００ｍｍ，其他表面的网格设置为４０ｍｍ左右。

为了模拟车身表面的黏性层（或附着层），在两厢轿车模型的外表面拉伸三棱柱型网格，每层２ｍｍ厚，共５层。

为了提高计算结果的精确度，在尾部建立约为１倍车长的网格加密区域［５－７］。

网格截面如图３所示。

每个算例都生成１０００万左右的四面体网格，经过平滑处理，网格质量良好。

为了能够捕捉尾翼表面及附近的空气流动情况，对尾翼表面进行了网格加密，如图４所示。

图３　两厢轿车模型的网格截面（安装Ａ尾翼时）Ｆｉｇ．３　Ｍｅｓｈ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒ　ｍｏｄｅｌ（ｗｉｔｈ　ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒ　Ａ）图４　三种形式汽车尾翼处网格划分Ｆｉｇ．４　Ｍｅｓｈｅｓ　ｏｆ　ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒｓ１．３　求解计算本次计算假定空气为不可压缩气体，湍流模型选用ｋ－ε模型，空间离散采用二阶迎风差分格式，迭代方式选用ＳＩＭＰＬＥ算法，残差选０．０００１，·２·第１期张英朝，等：不同尾翼两厢轿车的气动特性数值模拟计算边界条件为：进口边界给定速度３０ｍ／ｓ；出口边界为压力出口；地面、顶面和侧面为壁面边界；初始条件以进口条件给定。

采用大型商业计算流体力学软件ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ求解。

计算采用酷睿四核ＣＰＵ，８Ｇ内存，收敛后的求解时间在１０ｈ以上［７－１０］。

２　计算结果分析两厢轿车数值模拟结果见表１。

由于计算域较大，侧壁对车身周围流场影响不大，侧向力接近于零，忽略侧向力系数。

气动力系数见图５。

表１　数值模拟结果Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ系数Ａ尾翼Ｂ尾翼Ｃ尾翼阻力系数０．３７３５　０．３８７２　０．４０２９升力系数－０．０８５７－０．１０１７－０．１１０１图５　汽车整车气动力系数Ｆｉｇ．５　Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｃａｒ 从表１和图５中可看出：（１）安装Ａ尾翼时，阻力系数最小，动力性和燃油经济性最好；升力系数最大，高速行驶时的稳定性在三者中最差，但也产生了一定的负升力，一般情况下也能满足要求。

安装Ａ尾翼时，综合考虑动力性、燃油经济性、高速行驶时的稳定性，其性能是三者中最理想的。

（２）安装Ｂ尾翼时，阻力系数和升力系数都居中，动力性、燃油经济性、高速行驶时的稳定性均居中。

（３）安装Ｃ尾翼时，阻力系数最大，与安装Ａ尾翼时相比差值较大，动力性和燃油经济性最差；升力系数最小，高速行驶时的稳定性最好，但产生的负压力过大，严重影响了两厢轿车的其他性能。

安装Ｃ尾翼时，虽然可以增加汽车的操纵稳定性，但是在正常行驶状态下并不需要这么大的下压力来改善汽车的操纵性能。

图６为汽车表面压力分布。

由图６（ｂ）（ｃ）可以看到，安装Ｂ尾翼和Ｃ尾翼时，后风窗附近的负压区面积较大。

这个负压区会对行驶中的汽车施加与行驶方向相反的“后拉力”，增大阻力系数。

安装Ｂ尾翼时，尾部有面积和数值较大的正压区提供负压力，减小升力系数。

这个正压区是Ｂ尾翼中空部分有效地把气流引向后风窗表面而引起的。

由图６（ａ）可以看到，安装Ａ尾翼时，后风窗附近的负压区面积最小，尾部的“后拉力”较小，阻力系数较小。

Ａ尾翼上表面有数值较大的正压区，能提供一定的负升力。

由图６（ｃ）可以看到，Ｃ尾翼反翼型板的上表面是个数值较大的正压区，使两厢轿车的阻力系数明显增大，下表面是一个负压区，上下表面压差使气流对尾翼施加了一个很大的负升力，这是安装Ｃ尾翼时两厢轿车的升（ａ）Ａ尾翼（ｂ）Ｂ尾翼（ｃ）Ｃ尾翼图６　安装不同尾翼时的表面压力分布Ｆｉｇ．６　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｄｙ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒｓ·３·吉林大学学报（工学版）第４１卷力系数最小的重要原因。

在图７（ａ）中可以看到，安装Ａ尾翼时，汽车上部的气流在尾翼的引导下快速平稳地与下部的气流汇合。

Ａ尾翼起到了有效引导尾部气流、尽量消除尾部气流分离的作用，有效降低了两厢轿车的阻力系数。

在图７（ｂ）（ｃ）中可以看到，安装Ｂ、Ｃ尾翼时，尾部出现了明显的乱流，气流不能平稳汇合，使得阻力系数增大。

图８（ａ）为汽车中央对称面，即ｙ＝０的截面速度云图。

由图８可看到，汽车尾部有大面积的（ａ）Ａ尾翼（ｂ）Ｂ尾翼（ｃ）Ｃ尾翼图７　安装不同尾翼时ｙ＝０截面流线显示Ｆｉｇ．７　Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅ　ｏｎ　ｙ＝０ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒｓ（ａ）Ａ尾翼（ｂ）Ｂ尾翼（ｃ）Ｃ尾翼图８　安装不同尾翼时ｙ＝０截面的速度云图Ｆｉｇ．８　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｏｎ　ｙ＝０ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｃａｒ　ｓｐｏｉｌｅｒｓ低速区。