后扰流板对轿车气动性能影响的数值模拟分析

孟妍妮， 戚宇欣(金陵科技学院，南京 211169)

车辆行使时，车辆四周的空气与车身表面发生冲击，形成无数的气流与车身接触，产生空气阻力.另外，由于车身上部凸起，底部平坦，流经车辆上方的气流比车辆下方的气流的流速更快，由此造成的升力会减弱车轮与地面间的附着力，影响车辆的稳定性.已有的研究结果表明，在高速行驶时汽车的空气动力学组件,如后扰流板,能够调节通过车辆尾部的气流，减小尾部涡旋的产生，降低空气阻力[1-4].与侧面的扰流板相比，后扰流板还能够增大后轮附着力，提高车辆稳定性.文中着重从阻力系数和升力系数两个方面来研究三厢汽车后扰流板对车身空气动力学性能的影响.

目前常用数值模拟方法对汽车的空气动力学性能进行研究，不但耗时较短，不受实验环境的影响，还能分析一些实验无法处理的复杂流动问题，并且其仿真结果经过实验的验证已经能达到较高的精度[1].朱忠华等通过仿真分析和风洞试验相结合的方法研究后扰流板对整车气动性能的影响，仿真与试验结果的偏差仅为0.001[2].文中采用数值模拟方法进行分析.

1 模型建立

采用Creo软件创建中型三厢轿车的简化1∶1模型，忽略了车身的一些外部结构，如后视镜、车轮等，对底部进行了简化.后扰流板的支撑部分由于迎风面积较小，对尾部气流的影响较小，故在模型中省略.车辆模型的长为4 550 mm，宽为1 750 mm，高为1 500 mm.文中研究的三厢轿车一般情况下车速低于200 km/h，此时，空气相对于车身运动的马赫系数远小于0.3，空气流动可定义为不可压缩流动，空气对车身的扰流处于湍流状态.采用工程上广泛应用的雷诺时均三维不可压缩N-S方程，选用标准湍流模型来封闭方程.标准湍流模型对模型的网格质量要求不高，模拟计算也较快，适用范围很广泛.使用FLUENT软件进行流体力学分析，因为此次计算的模型不是很复杂，故采用FLUENT的标准算法.

为模拟车身周围的气流状况，建立一个包围车身的长方体计算域，其长为11倍车长，宽为5倍车宽，高为5倍车高的一个长方体区域，如图1所示.车辆底盘距地面高度为200 mm，车辆位于计算域宽度方向的中心线上，车辆前端距离计算域入口3倍车长，后端距离计算域出口6倍车长.

图1 车辆简化模型与计算域示意图

采用结构化网格，优点是结构比较简单，占用的计算机资源较少.在FLUENT软件中将网格的精度设置为高，平滑度设置为光滑.为了提高计算精度，对车身周围的网格进行加密处理，加密的精度为0.01.文中所研究的三厢轿车主要在城市行驶，行驶速度选取为80 km/h，即入口的气体流动速度为22.22 m/s.在Fluent中设置边界条件，入口为速度入口，速度为车速，方向垂直于入口；出口为压力出口，出口距离车尾足够远，出口处气流不受汽车影响，压力值与标准大气压之差为0，四周为静止壁面墙壁.计算域的边界应在汽车外围的无穷远处，但在实际计算中，将其设在有限的范围内，由于计算域较大，侧向力接近于零，近似认为无干扰，忽略侧向力系数.

2 分析不同后扰流板对汽车空气动力学性能的影响

在后扰流板的所有参数中，影响汽车空气动力学性能的参数主要有截面形状、攻角和定位(后扰流板前缘到车身上表面的垂直距离).张英朝在文献[5]中对3种不同形状的后扰流板对两厢轿车的空气动力学性能的影响进行了分析，但没有对攻角和定位这两项参数进行分析.文中对安装了不同形状、不同攻角和不同定位的后扰流板的汽车模型进行模拟分析，观察车身外流场与车尾附近的压力分布，较为全面地分析不同参数的后扰流板对三厢轿车的阻力系数与压力系数产生的影响.

2.1 后扰流板截面形状不同

文中共创建了16种不同参数的后扰流板.首先设置后扰流板弦长(后扰流板前缘至后缘的距离)为180 mm，定位为0.4倍弦长，即72 mm，长度为1 750 mm，攻角为15°，厚度为20 mm.在此基础上设置不同的截面形状，其他参数保持不变.图2(a)为无后扰流板时的汽车尾部；图2(b)为上下表面都是直面的后扰流板，结构较为简单；图2(c)为上下面都为曲面的后扰流板，与赛车的后扰流板类似；图2(d)是下面为曲面的后扰流板，与机翼的形状类似.

图2 无扰流板和不同截面后扰流板网格划分

对上述4种不同情况进行模拟，得到的阻力系数和升力系数如表1所示.可以看出，加装后扰流板之后，车辆的阻力系数会有所增加，上下曲面型扰流板对尾流影响小，阻力系数增加最少，为16.02 %.其次是直线型后扰流板，阻力系数增加了17.48 %.下曲面型后扰流板阻力系数增加最多，为35.92 %.这3种不同形状的后扰流板都较大程度地减小了车辆的升力系数，相对于无扰流板的情况，直线型后扰流板、下曲面型后扰流板和上下曲面型后扰流板减小的升力系数的值依次由大到小，分别是0.338、0.309和0.297.

表1 不同截面的后扰流板模拟结果

由图3可知，加装了扰流板后，汽车后车窗上方的涡流减小，行李箱盖上的压力增大，增加了下压力，从而减小了升力系数.但是，后扰流板与空气接触产生阻力，并且加重了车辆尾部的尾流，增大了车辆的前后压差从而增大了阻力系数.下曲面型扰流板的尾流最大，上下曲面型扰流板的尾流最小，与表1中阻力系数的大小相符合.

图3 无扰流板和不同截面形状后扰流板车身截面尾部流线图和矢量图对比

2.2 后扰流板攻角不同

不同攻角的后扰流板能使车身周围的气流发生不同程度的变化.若后扰流板攻角选择合理，可大幅减小轿车尾部旋涡的尺度，从而减小能量耗散，降低压差阻力[2].在原模型上只改变后扰流板的攻角，不改变其他参数，截面形状选择下曲面型，后扰流板攻角α分别选取0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°进行数值模拟，得到的阻力和升力系数如表2和图4所示.

表2 不同攻角的后扰流板的模拟结果

由表2可知，安装后扰流板后，不同攻角的后扰流板都会使车辆的阻力系数增大.在攻角为0°时，阻力系数增加的最少，随着攻角不断增加，阻力系数整体呈增大趋势.由图4可知，随着攻角不断增大，后扰流板后方也逐渐形成了不断增大的尾流，并与车辆尾部的尾流相互影响，增加了车辆的前后压差，增大了阻力系数.

升力系数的变化有点复杂，后扰流板攻角在0°至15°之间时，后扰流板能使后车窗后部的涡流减小，增加行李箱盖上方的气压，升力系数显著减小.当攻角大于15°并继续增大到25°时，后扰流板前方开始形成涡流，并逐渐增大，但此时升力系数仍在减小.当攻角从25°增大到30°并持续增大时，后扰流板前方形成较大涡流，减小了行李箱盖上的气压，同时，后扰流板后方的气流也逐渐形成了涡流，减小了行李箱盖上方的气压，升力系数开始增大.谷正气在2012年的研究结果表明，攻角越大，尾翼上的下压力越大，汽车整体受到的负升力越大[3].在研究后得出了更加细致的结果：在攻角从0°增大到25°时，升力系数随着攻角的增加而减小，当攻角为25°时，升力系数为最小，当攻角大于25°后，升力系数略有增大.

图4 不同攻角后扰流板车身截面尾部流线图和矢量图对比

2.3 后扰流板定位不同

后扰流板与行李箱盖的间隙过小会使行李箱盖上方产生负压，减小后扰流板的作用.如果间隙过大，会增加后扰流板支架所受到的力矩，增加空气阻力，也对支架的强度提出更高的要求.设定后扰流板的截面为下曲面型，攻角为15°，后扰流板定位分别为 40 mm、80 mm、120 mm、160 mm、180 mm.模拟结果如表3和图5所示.

表3 不同定位的后扰流板模拟结果

由表3可知，不同定位的后扰流板都会增加车辆的阻力系数，但增加的幅度不大.当后扰流板的定位为80 mm和120 mm时，阻力系数最小，当定位为40 mm时，阻力系数最大.不同定位的后扰流板都会减小车辆升力系数.定位为120 mm时，升力系数最大，定位为40 mm时，升力系数最小，阻力系数却最大.

图5 不同定位的后扰流板车辆尾部流场对比

由图5可知，后扰流板定位对汽车尾流的影响比较复杂.当定位为40 mm时，尾流相较于无扰流板时有所增加，气流大多数从后扰流板的上方经过，从下方经过的较少，增大了行李箱盖上的气压，升力系数大幅度下降.而且此时行李箱盖上的气流较小，阻力系数增加不大.定位为80 mm和120 mm时，行李箱盖上方形成了涡流，使行李箱盖上方的气压变小，升力系数增加.流线图上看出尾部涡流较小，阻力系数稍有减小.定位为160 mm时，行李箱盖上的涡流再次减小，低压区变小，升力系数减小，阻力系数增加不大.定位为180 mm时，从后扰流板下方经过的气流增加，行李箱盖低压区增大，升力系数再次增大，阻力系数略有增大.

3 结 论

对装有不同参数后扰流板的汽车模型进行了数值模拟，从阻力系数、升力系数、流线图和折线图等方面，研究了后扰流板的截面形状、攻角和定位对汽车空气动力学性能产生的影响，主要的结论如下：

1)后扰流板能有效地减小汽车的升力系数，且阻力系数增加并不大.在不同截面的后扰流板中，直线型后扰流板能产生较小的升力系数，上下曲面型后扰流板的阻力系数最小.

2)当后扰流板其他参数不变时，随着攻角的增加，汽车的阻力系数增加，升力系数先减小，在攻角为25°时最小，攻角大于25°后略有加大.三厢中型轿车后扰流板攻角的值应该在10°-25°之间较为合理.

3)后扰流板的定位对汽车空气动力学性能的影响规律比较复杂，其他参数不变时，随着后扰流板的定位的增加，阻力系数变化不大，而升力系数波动较大.当定位为40 mm时，升力系数最小，阻力系数最大.三项中型轿车后扰流板定位选择在40-80 mm之间比较合理，车辆能够在不增加太多阻力的同时获得较小的升力.

参考文献：

[1] 郭建成. 基于CFD的汽车气动力高精度计算及优化[D]. 长沙:湖南大学, 2012.

[2] 朱忠华,张 雷,许志宝,等. 汽车后扰流板对外气动性能影响的研究.汽车技术[J].2017(5): 19-23.

[3] 谷正气,郭建成,张清林,等.某跑车尾翼外形变化对气动升力影响的仿真分析[J].北京理工大学学报, 2012，32(3):248-252.

[4] 徐永康.汽车气动升力的试验与仿真研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2014.

[5] 张英朝,韦 甘,张 喆.不同尾翼两厢轿车的气动特性数值模拟[J].吉林大学学报(工学版)，2011,41(1):1-5.