基于CFD的车辆地面效应研究*

沈 夏 威

(湖州职业技术学院　机电与汽车工程学院, 浙江　湖州　313000)



基于CFD的车辆地面效应研究*

沈 夏 威

(湖州职业技术学院机电与汽车工程学院, 浙江湖州313000)

运用CFD(计算流体力学)仿真计算方法，对车辆气动升力的重要影响因素“地面效应”进行了研究。构建简化的车辆钝体模型，对不同的车辆离地间隙和车辆尾部扩散器的上翘角度进行仿真计算，获得不同工况下的速度场和压力场分布。在考虑气动阻力的前提下，研究车辆离地间隙和扩散器上翘角度对气动升力的影响规律。研究表明汽车离地间隙存在一个一定小的值使得气动负升力达到最大；一定小角度的扩散器可改善整车的流场品质，降低气动阻力，并且同时可以减小气动升力系数。

CFD；车辆；地面效应；气动升力；离地间隙；扩散器

汽车在地面上行驶时，由于粘性边界层的干扰，底部气流速度减缓，使得环流问题稍有增加，并且气动升力进一步增加[1](P5)。由于汽车的横纵比较小，在其三维流场中，部分空气趋于从侧面绕经汽车，故汽车流场要比一般由翼展较大的机翼的流场更复杂些。为更好的研究与利用地面效应，本文将根据大多数乘用车的尺寸，建立三维钝体模型，使用CFD[2](P155)仿真工具，研究地面效应中车辆离地间隙和扩散器对气动特性的影响规律。

一、研究模型及CFD前处理

汽车尾部上翘，形成一个扩散器，它与地面的共同作用使其产生一个高的下压力[3](P75-81)[4](P392-397)。相关研究提出，将扩散器的作用机理分成三方面：地面效应产生的下压力，尾部上翘产生的下压力和尾部涡流的抽吸产生的下压力。其表达式为:CL=CLG+CLU+CLD,式中，CLG表示由地面效应产生的负升力，CLU表示由车尾上翘产生的负升力，CLD表示尾部吸气作用产生的负升力。

在车辆离地间隙较大时，对气动升力的影响是很小的。但随着车辆的离地间隙逐渐减小，地面效应产生的下压力逐步增大。

车尾上翘所引起的下压力是源于向上翘起弯曲的尾部使气流经过汽车底部的距离加长了，使底部气体的流速加快了，因此根据伯努利方程，汽车底部的压力减小了，即增加了负升力。扩散器加大了汽车底部向尾部开放，普通车辆车尾就是一个强负压的状态，扩散器的上翘角的存在，促进了车身底部气流向尾部流动。尾部设计成扩散器的形式就像一个吸气泵，将气流从底部抽出，从而产生强下压力。

扩散器的主要参数是车辆的离地距离rideheight以及车尾上翘角rampangle，本文将从这两点来研究其对气动特性的影响。建立三维钝体模型如图1所示，模型三维尺寸为：4 400×1 500×1 200mm。模型底部从中间开始斜向上后翘至尾部，形成一个扩散器，上翘角度为θ，两侧设计侧裙，模型离地间隙为h。在离地间隙的研究中上翘角度θ为0 °，即无扩散器的情况。

图1　三维钝体模型

计算域模型为11倍的车长，7倍的车宽和5倍的车高。模型被安置在距离计算域入口3倍车长的中间位置。使用ICEM软件对几何表面处理，生成四面体网格单元，在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格模拟表面附面层。创建命令流对网格设置，保证每组模型采用相同的网格设置避免了网格差异性对仿真计算结果的影响，同时减少了工作量。整个计算域生成网格数150万，节点数32万，如图2所示。

图2　计算域网格截面图

二、离地间隙对气动升力的影响规律

本文对50-400mm之间，八组不同的离地间隙进行CFD仿真，研究其对气动特性的影响规律[5]。各组CFD计算域网格均采用相同的方法生成，设置相同的边界条件进行计算。由于汽车空气动力学马赫数小于0.3，可作不可压缩流处理，压强为一个标准大气压，温度为常温。湍流模型选择可实现的k-ε两方程模型。近壁处处理方法采用标准壁面函数，选用二阶迎风格式进行空间离散，数值方法采用SIMPLE算法。为防止地面边界层对仿真的干扰，设置地面边界条件为与来流速度相同的移动壁面边界条件。计算域出口为压力出口边界条件，计算域入口为速度入口边界条件，设置来流速度40m/s[6](P296-298)。

数值计算结果如表1所示，气动系数随离地间隙的变化趋势如图3所示。

图3　气动系数随离地间隙变化关系

阻力系数随着离地间隙的增加呈上升趋势，在50-200mm之间上升较快，200-400mm之间增加趋势趋于平缓。而升力系数在50-150mm之间先减小后增加，从150-400mm呈增加趋势，且趋于平稳。

模型纵对称面速度矢量图如图4所示。结合表1，从图中可以看出，离地间隙从100-400mm，模型底部速度呈递增趋势。流体运动连续性积分形式方程表示为：ρvA=常数,式中:ρ为密度，v为流速，A为面积。

图4　不同离地间隙速度矢量图

由该方程可知模型离地间隙的减小，模型底部气流速度将增加。然而对于50mm这一小离地间隙的负升力系数相对于100mm的工况却增加了，是源于气体的粘性。如此小的离地间隙，使得车辆模型底部的粘性边界层与地面发生了干涉，流体所受阻力加大，流速减小。由此模型的不同离地间隙与气动特性的变化规律可知，汽车离地间隙存在一个一定小的值使得气动负升力达到最大。对气动阻力而言，随着离地间隙的减小，从汽车底部流向尾部的气流减少了，使得尾部气流速度减小，因此静压相应增大，整车的压差阻力减小了，故气动阻力系数减小了。

三、扩散器上翘角对气动升力的影响规律

本文以普通轿车的离地间隙150mm为基础，在车速40m/s工况下，分别对扩散器角度从0 -14 °进行CFD模拟，计算结果如表2所示。

表2 　不同角度扩散器对气动系数的影响

气动系数随θ角的变化如图5所示。随着扩散器的角度从0 °增加到4 °，模型阻力系数先减小，后增加。从4 °再往上翘起到14 °，阻力系数一直增加。然而，自扩散器的角度从0 ° 增加到14 °，模型的气动升力系数一直呈减小趋势。以此可知，一定小角度的扩散器可改善整车的流场品质，降低气动阻力系数，并且同时可以减小气动升力系数。

图5　气动系数随扩散器角度变化关系

模型在不同角度扩散器影响下的纵对称面速度分布如图6所示。从图中可以看出，自0 °到14 °，随着角度的增加，扩散器的“抽吸”效果越明显，模型与地板之间的气流速度呈增加状态。根据伯努利方程，可以判断该区域静压应该随扩散器角度增加而减小。模型在不同角度扩散器影响下的纵对称面压力分布如图7所示。据图可知，伴随着扩散器角度的增加，模型与地板之间静压愈来愈小，这与根据速度分布图所判断的压力变化趋势是一致的。模型上下表面压差随角度增加而增加，故气动升力呈减小状态。

图6　模型纵对称面速度云图　　　　　图7　模型纵对称面压力分布图

四、结　语

本文运用CFD的方法，以简化车辆模型为研究对象，对影响气动升力较大的“地面效应”进行了研究，得出以下结果：1)不同离地间隙对气动特性的影响规律。汽车离地间隙存在一个一定小的值使得气动升力最小。2)车辆尾部扩散器角度对气动特性的影响规律。一定小角度的扩散器在减小气动阻力的同时减小气动升力。3)本文以简化模型为对象研究地面效应对气动升力的影响规律，可为实际车型的气动升力改进作理论基础与工程指导。

[1] 谷正气.汽车空气动力学[J].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3][英]A.J.赛伯里尔斯基.汽车空气动力学(杨尊正,邹仲贤,译)[M].北京:人民交通出版社,1984.

[4]HUCHOWH. Aerodynamics of Road Vehicle[M].ButterworthCo.Ltd,1987.

[5] 叶 辉.轿车尾部上翘角与离地间隙的CFD研究[D].吉林大学硕士学位论文,2005.

[6] 谷正气,姜乐华,吴军,等.轿车外流场的三维计算模拟[J].汽车工程,2000(5).

Research on Road Vehicle Ground Effect Based on CFD

SHEN Xia-wei

( School of Electro-mecharnic Automobile Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

As an important influence factor of aerodynamic lift based on CFD, “Ground Effect”was researched in this paper. this paper tries to construct a simplified vehicle bluff body model, and do simulating calculation for different vehicle ground clearance and upwarping angle of diffuser of tail of vehicle to obtain the velocity field and pressure field distribution under different condition, and study the the effect law of vehicle ground clearance and upwarping angle of diffuser of tail of vehicle for aerodynamic lift, under the premise of considering aerodynamic drag. Research has shown that there is a small value in vehicle ground clearance, which make the pneumatic negative lift achieve maximum; diffuser with certain small angle can improve the flow field quality of vehicle, reduce aerodynamic drag, and can simultaneously reduce aerodynamic lift coefficient.

Computational Fluid Dynamics; vehicle; ground effect; aerodynamic lift; ride height; diffuser

2015-08-15

本文系2015年度湖州职业技术学院科研课题《基于CFD的汽车空气动力学优化》(2015JC08)的研究成果之一。

沈夏威(1987-)，男，浙江湖州人，硕士，主要从事汽车空气动力学研究。

U461.1

A

1672-2388(2016)01-0006-04