基于顶部与侧部扰流器的轿车气动减阻

杨瀚博，胡兴军，安 阳

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春 130022)

汽车空气动力学性能是车身设计中需要着重考虑的方面，汽车的气动阻力产生的主要根源是汽车行驶过程中所产生的压差阻力，压差阻力在总的阻力构成中占据了85%，在压差阻力的构成中，汽车前部设计仅占9%，而另外的91%则取决于汽车尾部，汽车尾部造型对于整体气动阻力有重要的影响，从形成机理上来看，由尾部造型引起的气动阻力主要由2部分构成:造型本身产生的阻力和尾流形成的涡造成的涡阻［1］.近年来，汽车外流场的研究在国内外都已经有了大量的成果.上汽集团对于桑塔纳轿车的气动性能进行了研究，发现涡流发源于气流发生分离的位置，主要有发动机罩与挡风玻璃之间的转角、发动机罩的3维曲率和结构及挡风玻璃的3维曲率和结构，最主要的分离位置位于汽车尾部［2］.日本三菱汽车公司通过研究发现空气阻力产生的重要原因是由于汽车尾部的流动发生分离，为了缓解流动分离的程度，使由流动分离产生的负压区变窄，因此安装涡发生器附件.通过研究发现涡发生器正确安装后可以有效降低气动阻力系数，尤其是安装三角翼涡发生器［3］之后阻力系数降低了0.000 6.

笔者以某国产快背式轿车作为研究对象，应用计算流体力学原理与方法，研究轿车尾部气动附件对快背式轿车气动阻力系数的影响.对原始车型进行详细的分析，着重分析尾部的气流流动结构，找到涡流发生的位置，最后在汽车尾部各个位置加装各种不同种类的附件，找到适合该车型的附件安装方式.

1 几何模型

顶部扰流器作为稳定汽车行驶的附件已经在汽车上应用较广泛，近年来对于顶部扰流器的减阻效果也有研究，M.Koike等［3］对3种不同形式的顶部扰流器进行了研究，得到了普通形式的布置在车尾顶部狭长的扰流器会有较好的综合性能.普通形式的顶部扰流器主要由2个因素控制:① 扰流器的攻角α;②扰流器最长的弦长L.普通形式扰流器以及控制参数的选取如图1所示.

图1 普通扰流器形状与尺寸定义方式图

顶部扰流器的尺寸形状由参数L与α共同确定，弦长变化范围为120～250 mm，攻角变化范围为3°～23°.在此范围内弦长每隔65 mm选取试验点，攻角每隔10°选取试验点，不同尺寸扰流器几何模型如图2所示.在这2个参数变化所组成的样本空间内，共选取8个样本点，通过8组不同的试验得到L120α03，L120α13，L120α23，L185α03，L185α13，L185α23，L250α03，L250α13 的 阻 力 系 数 分 别为 -0.002，0.008，-0.016，0.008，0.013，0.011，0.005，0.005.

图2 不同尺寸扰流器几何示意图

通过分析可以发现:8种方案中只有L120α23起明显的减阻效果，其他尺寸的顶部扰流器反而起恶化作用，因此将L120α23与L185α13这2种方案进行详细的流场分析对比.

本研究的侧部扰流器的建模思路和顶部扰流器的类似，也由2个主要参数弦长和攻角控制，对于侧部扰流器的攻角与弦长的定义与顶部扰流器的相同.侧部扰流器的形状如图3所示.

图3 侧部扰流器示意图

分析了7种不同尺寸的尾部侧部扰流器，其尺寸形状由L与α共同确定，弦长变化范围为160～240 mm，攻角变化范围为75°～85°，在此范围内均匀选取试验点.RSS(rear side spoiler)为侧部扰流器.试验得到 RSS-L160α75，RSS-L160α80，RSS-L200α75，RSS-L200α80，RSS-L200α85，RSS-L240α75，RSSL240α80 的相对阻力系数分别为0.006，0.015，0.023，0.014，-0.007，0.005，0.003.

在7种不同的尺寸中，只有RSS-L200α85起到减阻效果，其余都对气动性能产生恶化影响，与该尺寸相似的 RSS-L200α80也是阻力系数增加，RSS-L160α80的阻力系数相比原型也有所增大.因此重点分析上述3种情况与基本型的车尾部件表面速度分布与流线分布.

2 数值模拟

2.1 流场网格

采用非结构网格求解，车身表面采用三棱柱单元，计算域内部由四面体填充，然后通过四面体合并转换成多面体，从而减少计算时间，在车身周围建立尺寸较小的网格，同时在车尾部设置加密区域，以更加精准地捕捉尾部流动，计算域采用较大尺寸的网格，在该区域的流动接近平稳状态，所以大尺寸的网格并不会影响计算精度.

2.2 湍流模型

通过查阅大量的文献，参考了课题组内的大量外流场风洞试验与数值仿真资料，通过对该车型试用不同湍流模型的仿真试验结果进行分析，最终选择了k-ω SST湍流模型进行数值仿真，该模型可广泛应用于各种压力梯度下的边界层问题的模拟，同时还能够较好模拟远离壁面充分发展的湍流流动，尤其对于边界层中相对于主流区具有逆向压力而造成的剥离现象具有较高的精度.本仿真对于边界层的流动较为关心，因此需要能够较好地模拟边界层流动的湍流模型，在外流场中通常被应用的k-ε模型就不能满足要求.

在k-ω模型中，湍流黏度为

式中α*为对湍流黏度进行低雷诺数修正的系数.

k和ω的输运方程分别为

式中:Gk为对应平均速度梯度的湍动能产生项;Gω为ω的产生项;Yk和Yω为k和ω由于湍流而产生的耗散;σk和σω为k方程和ω方程对应的湍流Prandtl数;Sk和Sω为自定义的源项.

为了使k-ω模型可以近似等效于k-ε模型，需要添加交叉扩散项:

k-ω SST模型通过一个混合函数实现了从近壁面的k-ω模型到远离壁面的k-ε模型的过渡，该混合函数以近壁面函数和湍流量为参数，乘以交叉扩散项(4).因此k-ω SST模型可以通过下列湍流黏度方程来表达:

式中:a1=0.31;Ω为平均涡量.

式(1)以壁面距离和湍流量为变量的混合函数差值来求解.通过对算例的检验，发现采用k-ω SST模型，再配合合理的边界层网格就可以较好地模拟边界层表面的流动，可以满足计算精度［4-5］.

3 结果分析

3.1 顶部扰流器对轿车气动性能的影响

为了更深刻了解涡发生器对于该车型的影响，探究继续改进的方式，分别对原车及加装顶部扰流器后的车型进行分析［6-7］.原车型后风窗表面速度分布如图4所示，后风窗表面剪切速度流线如图5所示.

图4 基本型后风窗表面速度分布云图

图5 基本型后风窗表面剪切速度流线图

L120α23的顶部扰流器的后风窗表面速度分布如图6所示，表面剪切速度流线分布如图7所示.

图6 L120α23后风窗表面速度分布云图

图7 L120α23后风窗表面剪切速度流线图

可以发现:加装L120α23形式的顶部扰流器后，后风窗附近的涡流得到了有效的抑制，仅在边缘处形成了2个小的纵向涡.通过和原车型进行对比，可以发现L120α23起到了很好的导流作用.通过仿真试验发现加装了L185α13的顶部扰流器会产生恶化气动性能的效果.该种情况的后风窗表面速度分布如图8所示，后风窗表面流线分布如图9所示.

图8 L185α13后风窗表面速度分布云图

图9 L185α13后风窗表面剪切速度流线图

L185α13后风窗表面的流动比基本型更加不规则，整个后风窗最后形成了2个大的斜纵向的涡旋，产生了较为强烈的相互作用，这样的流动状态直接体现在尾部的涡旋上.由图9可知:从车顶的来流使得在车尾上部形成的涡流进一步扩大，车底来流的涡旋继续存在，因此阻力系数与基本型相比也产生了较大增加［8］.而L120α23通过给车顶来流补充了能量，该股气流向车后流动时，气流方向并没有产生突变，而是较为柔和地逐渐向下并未在后车窗与车顶处产生分离，这样的流动和尾部产生的涡流相互融合，最后在尾部仅形成了2个小的纵向涡旋，且该涡旋流动的强度较低，因此损耗的能量较少，所以L120α23起到了较好的减阻效果.L120α23和L185α13后风窗上的压力分布云图分别如图10，11所示.从图10，11可以发现:L120α23后部的压力明显大于L185α13的后部，因此这也是通过顶部扰流器对流场改善后产生的效果.

图10 L120α23后风窗压力分布云图

图11 L185α13后风窗压力分布云图

3.2 侧部扰流器对轿车气动性能的影响

基本型与 RSS-L200α85，RSS-L160α80，RSSL200α80的车尾部件表面速度分布和流线分布图如图12所示.

图12 车尾部件表面速度云图及流线图对比

起到减阻作用的RSS-L200α85使得基本型在后风窗处形成的2个强度较高的纵向涡旋扰动区域变小，减小了后风窗中部的能量损失，进而降低了气动阻力.RSS-L200α80并没有很好地减小后风窗处的2个强度较高的纵向涡旋扰动区域，在后风窗处依然有较大的能量消耗，所以不但没能起到足够的减阻效果，反而增加了气动阻力系数［9-10］.RSS-L160α80使得后风窗处的2个纵向涡在强度和影响范围上都有所扩大，因此使得阻力系数反而有较大的增加.

该车型后风窗与C柱、车顶部之间留有一定的间隙，经过调研发现大部分气动性能较好的跑车后风窗与周围都不存在较小的间隙.通过改变后风窗的安装位置分析间隙对气动性能的影响，新的后风窗安装方式减小了后风窗与C柱、车顶间的装配间隙.通过计算，缩小装配间隙的后风窗阻力系数减小了0.004.减小装配间隙后的几何形状与基本型的对比如图13所示.2种情况下车尾部件表面速度分布云图及速度流线对比如图14所示.

图13 几何形状对比图

通过减小后风窗与C柱、车顶之间的装配间隙可以消除基本型中后风窗上的2个横向涡动，由于在车顶与后风窗交接处的几何突变较小，因此保证了流动分离被推迟，但是由于2个纵向涡之间产生了相互作用，阻力系数减小有限.

4 结论

1)不考虑其他因素，安装顶部及侧部扰流板可以有效降低汽车空气阻力.

2)攻角和弦长控制着扰流器的几何外形与尺寸，在已选择的8种不同尺寸中进行仿真得出最佳的尺寸组合为弦长120 mm，攻角23°，该种扰流器的组合方式阻力系数减小了0.016倍.

3)通过添加侧部扰流板和减小后风窗与C柱、车顶之间的装配间隙都可以缩小汽车原后风窗处形成的涡流，使后风窗及轿车尾部的流动更加有规律.

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