尾部结构外形对轿车气动阻力影响的试验研究

黄志祥　陈立　王桥

摘 要：对某斜背造型轿车模型分别在基本状态、不同尾部导流片、尾部挡板和尾部下端倾角状态下进行了气动特性的风洞试验研究，获得了不同尾部结构外形对轿车气动阻力的影响规律，为实车减阻装置的应用研究提供了依据和参考。研究结果表明，对于斜背造型的轿车，安装尾部导流片会明显增大气动阻力，气动阻力的最大增加量可达26.41%；安装尾部挡板，气动阻力约有0.65%～3.18%的增加量；在20°的尾部下端倾角范围内，0°尾部下端倾角下的气动阻力最小，随着尾部下端倾角的增大，气动阻力会逐渐增大，相比于0°尾部下端倾角下的气动阻力，最大增加量约为4.93%。

关键词：汽车；模型；气动阻力；风洞试验；减阻

中图分类号：U467.1+2文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.02

Abstract：The wind tunnel test research was conducted to investigate the aerodynamic characteristics of a fastback car model in basic state and states with different tail flow deflectors， tail baffle plates and tail bottom slope angles. The effects of different tail structures and shapes on aerodynamic drag of the car was obtained， which serves as a reference for the application of drag-reduction components on real cars. The results show that， for a fastback car， the aerodynamic drag increases remarkably with tail flow deflectors installed， and the maximum increment of aerodynamic drag is 26.41%； the increase of aerodynamic drag is in the range of 0.65% ～ 3.18% with tail baffle plates installed. The smallest aerodynamic drag is achieved when the tail bottom slope angle is 0°. The aerodynamic drag increases gradually along with the increase of tail bottom slope angle and compared with

the minimum aerodynamic drag when the tail bottom slope angle is 0°， the maximum increment can be 4.93%.

Key words：car； model； aerodynamic drag； wind tunnel test； drag reduction

我国已多年稳居汽车产销量世界第一的位置，同时也是世界能源消耗大国，其中汽车油耗占据重要的份额，也一直保持着持续增长的势头。对汽车阻力的研究事关降低汽车能耗、节约资源和提高速度，也是研发节能、环保的高品质汽车必须考虑的问题。因此，如何降低汽车阻力，减少油耗成为汽车技术研究领域的重要课题，具有非常重要的现实意义和经济价值。

近年来，包括改进尾部造型[1-3]和采用附加装置[4-5]以减小气动阻力的汽车减阻技术与应用研究得到了迅速发展，对汽车阻力，尤其是气动阻力形成机理的研究成果也非常丰富。湖南大学谷正气带领的研究团队对快背、斜背和阶梯背三种尾部造型的MIRA模型的气动阻力特性进行了研究[6]，分析了不同尾部造型造成汽车气动阻力差异的原因。吉林大学傅立敏带领的研究团队对轿车尾流特性进行了研究[7-8]，从尾流特性方面分析了轿车气动阻力的形成机理。目前，研究汽车气动阻力的方法包括：模型或实车风洞试验、数值计算、实车路试和理论研究[9]，其中应用最广泛也最可靠的研究方法是模型或实车风洞试验。它既能为数值计算提供验证依据，也因试验条件易于控制而比实车路试更方便易行。

本文基于风洞试验方法，对某斜背造型轿车模型分别在基本状态、不同尾部导流片、尾部挡板和尾部下端倾角状态下进行气动特性的风洞试验研究，对比分析不同尾部导流片、尾部挡板和尾部下端倾角状态与基本状态的气动阻力特性，研究不同尾部结构外形对轿车气动阻力的影响规律，以期为轿车气动外形设计和选型提供参考与借鉴。

1 试验研究概况

1.1试验风洞与模型

本项目的试验研究在中国空气动力研究与发展中心低速所的1.4 m×1.4 m风洞进行。该风洞是一座闭口直流式风洞，试验段截面为矩形，宽1.4 m，高1.4 m，长2.8 m。在风洞试验段安装有固定地板模拟地面，地板宽1.4 m，长2.5 m，地板距风洞下洞壁0.37 m，地板前端开了一个沿宽度方向长900 mm、宽5 mm的槽，以降低地板表面附面层厚度。安装试验地板后，试验段宽1.4 m，高1.03 m，风洞有效截面积1.438 8 m2，试验段最高风速可达50 m/s。

试验模型为1∶6的某斜背轿车模型，采用环氧树脂加工而成，模型长694 mm，宽271 mm，高237 mm，正投影面积0.052 7 m2，并包括尾部导流片、尾部挡板和尾部下端倾角共三种结构部件，如图1所示。在无侧风（试验横摆角为0°）情况下，试验模型的阻塞比为3.66%。

1.2 试验方案

轿车模型的试验方案包括基本状态和三种尾部结构。其中，基本状态是无尾部导流片和尾部挡板，且尾部下端倾角12°；第一种尾部结构包括六种尾部导流片状态，分别是30°弧形导流片、30°直角导流片、45°弧形导流片、45°直角导流片、60°弧形导流片和60°直角导流片；第二种尾部结构包括七种尾部挡板状态，分别是0°直角挡板、30°弧形挡板、30°直角挡板、45°弧形挡板、45°直角挡板、60°弧形挡板和60°直角挡板；第三种尾部结构包括九种尾部下端倾角状态，分别是0°下端倾角、3°下端倾角、5°下端倾角、8°下端倾角、10°下端倾角、12°下端倾角、15°下端倾角、18°下端倾角和20°下端倾角，尾部结构部件方案如图2所示。

1.3 试验方法

（1）试验风速为30 m/s，模拟无侧风工况，即试验横摆角为0°。

（2）仅对轿车模型进行气动力测量试验，且主要关注气动阻力，以无量纲的气动阻力系数表示，计算如下：

（3）对试验数据分别进行阻塞修正和轴向静压梯度修正[10]。

（4）地板前端采用了开槽法降低附面层，附面层厚度满足要求，没有进行附面层影响修正。另外，由于没有支架干扰，未进行支架干扰修正。

2 试验研究结果与分析

2.1 试验结果说明

（1）对基本状态在25～40 m/s下进行了变风速试验，图3给出了cd随风速的变化结果。由图3可知，当风速达到30 m/s后，cd随风速的增加变化很小。另外，30 m/s的试验雷诺数大于7×105，cd已进入“自准区”[4]，风速的增加对cd影响很小。

2.2 不同尾部导流片状态的试验结果

对轿车模型分别在六种尾部导流片状态下进行了试验，并与基本状态下的试验结果进行比较。表1给出了不同尾部导流片状态下的气动阻力试验结果。

由表1可知，与基本状态（无尾部导流片）相比，分别安装六种尾部导流片后，轿车模型的cd都显著增大，cd的增加量约为23.76%～26.41%。其中，30°弧形导流片的cd增加量最小，约为23.76%；45°直角导流片的cd增加量最大，约为26.41%。

从轿车尾部流场特性来看，对于斜背造型轿车，当没有尾部导流片时，气流从车身顶部流经尾部斜背时，由于斜背平缓，基本能从车顶部紧贴斜背表面流动，不出现分离。而当安装尾部导流片后，气流从车顶部流向斜背时，受尾部导流片的干扰，不能平顺地贴附在斜背上，从而出现分离，气流能量耗散，增大了尾部气流形成的压差阻力，导致轿车的气动阻力增加。

由此可见，在斜背造型轿车尾部安装文中的尾部导流片，轿车的气动阻力都显著增大，其中，30°弧形导流片的cd增加量最小，45°直角导流片的cd增加量最大。

2.3 不同尾部挡板状态的试验结果

对轿车模型分别在七种尾部挡板状态下进行了试验，并与基本状态下的试验结果进行比较。表2给出了不同尾部挡板状态下的气动阻力试验结果。

由表2可知，与基本状态（无尾部挡板）相比，分别安装七种尾部挡板后，轿车模型的cd都增大， cd的增加量约为0.65%～3.18%。其中，30°直角挡板的cd增加量最小，约为0.65%，60°弧形挡板的cd增加量最大，约为3.18%。

尾部挡板使轿车气动阻力增大的原因是，当没有尾部挡板时，气流从轿车斜背下边缘流经后备厢立面时，将会出现分离，形成相对稳定的涡流[6]。当安装尾部挡板后，尾部挡板会对流经斜背下边缘的气流产生影响，进一步加剧气流的分离，使气流能量耗散更多，从而增大压差阻力，导致轿车的气动阻力出现不同程度的增加。

由此可见，在斜背造型轿车尾部安装文中的尾部挡板，轿车的气动阻力都会出现不同程度的增大，30°直角挡板的cd增加量最小，60°弧形挡板的cd增加量最大。

2.4 不同尾部下端倾角状态的试验结果

对轿车模型分别在九种尾部下端倾角状态下进行了试验，并对试验结果进行了比较。图4和表3给出了不同尾部下端倾角状态下的气动阻力试验结果。

由图4和表3可知，0°下端倾角时轿车的cd最小，20°倾角的cd最大。与0°尾部下端倾角的 cd相比，其它倾角状态下的cd都会增大，cd最大增加量约为4.93%。在20°的倾角范围内，轿车模型的cd随着下端倾角角度的增大而逐渐增加，倾角角度越大，cd也越大。这主要是因为，随着轿车尾部下端倾角角度的增大，轿车底部的气流通道在该处变大，气流流速降低，能量也逐渐减小，使压差阻力逐渐增大，从而增加了轿车的气动阻力。

由此可见，对于斜背造型轿车，尾部下端倾角为0°的气动阻力最小，车尾部选择0°倾角结构有利于减小阻力。

3 结论

本文通过对某斜背造型的轿车模型分别在基本状态、不同尾部导流片、尾部挡板和尾部下端倾角状态下进行气动阻力特性的试验研究与分析，获得了不同尾部结构外形对轿车气动阻力的影响规律，结论如下：

（1）与没有尾部导流片相比，安装文中的尾部导流片将使轿车模型的气动阻力增大3.76%～26.41%，30°弧形导流片的气动阻力增加量最小，45°直角导流片的气动阻力增加量最大。

（2）与没有尾部挡板相比，安装文中的尾部挡板将使轿车模型的气动阻力增大0.65%～3.18%，30°直角挡板的气动阻力增加量最小，60°弧形挡板的气动阻力增加量最大。

（3）对于斜背造型轿车，尾部下端倾角为0°的气动阻力最小，车尾选择0°倾角结构有利于减小阻力。

本文获得了不同尾部结构外形对轿车气动阻力的影响规律，对开展实车减阻应用研究有一定的指导意义。后续工作将在与实车条件衔接的更高雷诺数下进一步深入研究。

参考文献（References）：

王靖宇，胡兴军，李庆臣，等. 面包车尾部造型对其气动特性的影响[J]. 吉林大学学报（工学版），2011，41（3）：618-622.

Wang Jingyu，Hu Xingjun，Li Qingchen，et al. Influence of Tail-End Styling on Aerodynamic Characteristics of Minibus [J]. Journal of Jilin University （Engineering of Technology Edition），2011，41（3）：618-622. （in Chinese）.

胡兴军，李腾飞，王靖宇，等. 尾板对重型载货汽车尾部流场的影响[J]. 吉林大学学报（工学版），2013，43（3）：595-601.

Hu Xingjun，Li Tengfei，Wang Jingyu，et al. Numerical Simulation of the Influence of Rear-End Panels on the Wake Flow Field of a Heavy-Duty Truck[J]. Journal of Jilin University（Engineering of Technology Edition），2013，43（3）：595-601. （in Chinese）.

王靖宇，胡兴军，傅立敏.底部上翘角对轻型客车气动特性影响的数值模拟[J].重庆工学院学报，2008，22（9）：5-9.

Wang Jingyu，Hu Xingjun，Fu Limin. Numerical Simu-lation of Influence of Underbody Diffuser on Light-Bus Aerodynamic Characteristics [J]. Journal of Chongqing Institute of Technology （Natural Science），2008，22（9）：

5-9. （in Chinese）

杨帆，胡阳洋，王建华. 重型卡车风阻优化[J]. 交通运输工程学报，2013，13（6）：54-60.

Yang Fan，Hu Yangyang，Wang Jianhua. Optimization of Wind Resistance for Heavy Truck[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering，2013，13（6）：54-60. （in Chinese）

张攀峰，王晋军，唐青.气动附加装置降低厢式货车后体阻力[J].实验流体力学，2009，23（3）：12-15.

Zhang Panfeng，Wang Jinjun，Tang Qing. Experimental Investigation on the Aft-Body Drag Reduction of the Tractor-Trailer Truck by Aerodynamic Add-on Device[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2009， 23（3）：12-15. （in Chinese）

谷正气，王师，仇健，等. MIRA模型组尾部造型风洞试验研究[J]. 科技导报，2011，29（8）：67-71.

Gu Zhengqi，Wang Shi，Qiu Jian，et al. Wind Tunnel Tests of MIRA Model Group for Study of Vehicle's Rear Shape[J]. Science & Technology Review，2011，29（8）：67-71. （in Chinese）

傅立敏，沈俊，王靖宇. 汽车尾部流场及涡系数值模拟[J]. 吉林工业大学自然科学学报，2000，30（2）：6-9.

Fu Limin，Shen Jun，Wang Jingyu. Numerical Simulation Research of Automotive Flow-Field and Trailing Vortices[J]. Natural Science Journal of Jilin University of Technology，2000，30（2）：6-9.（in Chinese）

傅立敏，张群锋，靳春宁. 汽车尾迹涡的形成及其控制[J]. 汽车工程，2000，22（1）：13-16.

Fu Limin，Zhang Qunfeng，Jin Chunning.The Mechanism and the Control of the Road Vehicle Wake Vortices For-mation[J]. Automotive Engeering，2000，22（1）：13-16.（in Chinese）

张国忠，赖征海.汽车空气动力学与车身造型研究最新进展[J].沈阳大学学报，2005，17（6）：39-44.

Zhang Guozhong，Lai Zhenghai. The Latest Progress in Research of Automobile Aerodynamics and Coachbuilding[J]. Journal of Shenyang University，2005，17（6）：39-44. （in Chinese）

庞加斌，林志兴.TJ-2风洞汽车模型试验的修正方法[J].汽车工程，2002，24（5）：371-375.

Pang Jiabin，Lin Zhixing. Correction Methods for Auto-motive Model Tests in TJ-2 Wind Tunnel[J]. Automotive Engineering，2002，24（5）：371-375. （in Chinese）