基于多孔介质材料和仿生设计的汽车阻流板减阻机理

袁志群 谷正气

1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，厦门，3610242.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，长沙，4100753.湖南大学机械与运载工程学院，长沙，4100824.福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，厦门，361024

0 引言

在当前汽车产业发展的新形式下，节能减排是各大企业关注的热点，而气动阻力一直以来都是汽车空气动力学的研究重点，也是整车造型设计必须关注的重点[1-2]，它直接影响汽车燃油经济性。

随着汽车空气动力学的发展，越来越多的研究成果被应用到整车设计中，如主动进气隔栅、主动尾翼等，设计的基本理念始终是降低整车紊流度、提高流场稳定性[3-4]，而汽车轮腔、汽车底部是整车流场最复杂的部位，且它会直接参与尾涡的形成[5]，目前对该部分的研究较少。控制汽车轮腔和底部流场的方法主要有底部光滑化或加装气动附件[6-8]，但是底部光滑化成本高，且影响排气系统散热性能，而加装气动附件虽然能减小整车气动阻力，但是会增大整车迎风面积，设计不合理时反而有可能导致气动阻力增大[9]。

本文对传统底部气动附件的减阻机制进行分析，结合多孔介质材料特点以及仿生学设计原理，提出了两种新型的阻流板结构方案。

1 传统气动附件的减阻机制分析

汽车底部的气动附件包括前阻流板、车轮阻流板和侧裙，分别位于车底前部、车轮前部和车身侧面，如图1所示。

图1 底部气动附件示意图Fig.1 Sketch map of aerodynamics devices

汽车高速行驶时，远方来流在车头受到阻滞，其中一部分气流向车身下部流动，并在车头底部加速，接着从车身底部和地面之间的间隙向车尾和车身两侧流动，最后与来自车身顶部和车身侧面的气流会合，形成汽车尾流。汽车底部气流对气动力的影响主要有两个方面：一方面，高速气流直接冲击底部凹凸部件，形成大量局部正压区域；另一方面，底部紊乱气流影响尾涡结构，尾部负压区增大。

当底部高速气流吹向前阻流板时，在迎风面产生正压力、背风面产生负压力，且对车头底部附近压力影响显著，车头下部正压区增大，如图2a所示。虽然阻流板自身会额外增加阻力，但它能改善底部气流，抑制底部紊乱气流及其对尾涡的影响(图2b)，减小车身、底部结构、车轮的气动阻力，因此仍可减小全车总阻力，如图3所示。这是由于阻流板自身增加的气动阻力小于车身、底部结构以及车轮减小的气动阻力之和。然而，当横摆角较大时，更多的气流从车身侧面进入汽车底部，阻流板改善底部结构流场效果减弱，且阻流板自身增加的气动阻力更大，因此整车气动阻力增大。当横摆角较大时，侧裙减阻效果明显增强，如图4所示，它的减阻原理与阻流板相似。

(a)压力云图和流线图

(b)涡量等值面图图2 加装阻流板前后整车流场对比Fig.2 Flow field comparison of car with and without spoiler

图3 阻流板高度对气动阻力系数的影响规律Fig.3 Influence of spoiler height on the aerodynamic drag

图4 整车气动阻力系数随横摆角变化关系Fig.4 Variation of aerodynamic drag with yaw angle

通过以上分析可知，虽然汽车传统阻流板在特定条件下可有效减小车身、车轮以及底部结构的气动阻力，但存在三方面缺陷：第一，阻流板自身气动阻力增大显著，随着其高度的增大呈线性比例增大，因为阻流板是一个垂直面，尺寸较大的阻流板不仅增大整车迎风面积，且在高速来流冲击下，迎风面和背风面压力绝对值大，因此气动阻力大；第二，横摆角变化对阻流板减阻效果影响显著，而汽车实际行驶过程受环境侧风和自然侧风影响大；第三，前阻流板会改变车头底部流场，车头下部正压区域明显增加，不利减阻。由此，如何合理进行结构设计，降低传统阻流板对横摆角的敏感性，既改善底部结构流场，减小车身、车轮和底部结构的气动阻力，又避免自身增加的气动阻力过大，是阻流板设计的关键。

2 计算模型建立

通过广泛查阅相关文献发现，采用多孔介质结构的材料是一种可行的减阻方案。多孔介质结构的材料是一种多相结构，基本框架为固体，内部有许多孔隙，气体能从孔隙流动，且流动过程中压力会产生变化。应用该材料能改变汽车周围流场，抑制涡的脱落，减小分离涡尺度，提高汽车车身绕流稳定性，目前多孔介质结构的材料已被广泛应用于过滤、降噪、散热以及气动减阻领域[10-11]。胡兴军等[12]将多孔介质材料应用于货车车厢的减阻，分析了纤维、泡沫镍以及泡沫铜3种材料的减阻性能。本文参考纤维材料的属性进行分析。纤维材料参数如下：黏性阻力系数5.87×109，惯性阻力系数3.2×105，孔隙率0.8。多孔介质阻流板形状和安装位置见图5，其高度为60 mm。

图5 多孔介质阻流板示意图Fig.5 Sketch map of porous medium spoiler

近年来，仿生减阻在汽车减阻领域应用广泛，如仿生形体、仿生材料等[13-14]。鲨鱼虽然体形庞大，但游动速度快，其背鳍具有很好的稳定性控制作用，背鳍前沿扁尖，沿着背部方向逐渐增高。从流体力学角度分析，该造型能控制尾部气流分离，减小流动阻力。对鲨鱼鳍线条进行抽取，适当简化，得到鲨鱼鳍截面曲线轮廓，将该曲线应用于底部气动附件设计中，如图6所示。

图6 仿生阻流板示意图Fig.6 Sketch map of bionic spoiler

为了准确捕捉汽车底部气流流动，保留底部详细结构，整车几何模型见图5和图6，计算域采用长方形(图7)，阻塞比小于2%，以有效消除洞壁干扰，保证计算结果的准确性。侧风工况计算采用偏风方法，它是目前侧风计算的主要方法，在计算结果准确的前提下，计算效率更高[15-17]。横摆角β变化范围为0°～30°，每3°为一个计算工况。为了准确捕捉底部流场及其对尾涡的影响，对汽车底部和尾部进行网格加密，计算域网格数总计900万左右。整车表面采用三棱柱网格模拟边界层速度分布，计算网格见图7。

图7 计算域及网格示意图Fig.7 Sketch map of computational domain and grid

汽车在高速路上行驶时，对应车速下马赫数较小，故其气体流动属于不可压缩流动范畴，质量守恒方程和动量方程如下：

(1)

ρV•

(2)

(3)

i=x,y,z

式中，ρ为密度；u、v、w分别为速度矢量u在x、y、z方向的分量；μ为动力黏度；p为压力；V为多孔介质内流速，多孔介质阻流板采用多孔介质模型进行计算；SV为广义源项；Si为多孔介质源项，本文采用的多孔介质材料为均匀材质;Vi为V沿i方向的分量；1/α为黏性阻力系数；C2为惯性阻力系数。

计算域入口设为速度入口，速度为30 m/s，该速度工况对应的雷诺数满足雷诺相似准则，气动力系数不再随雷诺数的变化而变化；出口设为压力出口，相对大气压力为0；汽车表面设为非滑移壁面；为了消除边界层的影响，地板表面设为滑移壁面，移动速度与入口速度的大小和方向一致。对于稳态数值计算，影响计算精度的主要因素之一是湍流模型，目前汽车外流场稳态计算常用的湍流模型包括可实现k-ε(Realizablek-ε)、重整化群k-ε(RNGk-ε、标准k-ε(Standardk-ε)以及剪切应力输运k-ω(SSTk-ω)四种模型，其中，ω为比耗散率。国内外学者对湍流模型在汽车外流场的应用进行了许多尝试，本文结合风洞试验数据选取合适的湍流模型进行计算，数值求解采用二阶迎风格式和基于压力耦合方程组的半隐式(SIMPLE)算法。

3 风洞试验验证

为了避免底部复杂结构加工引起的形状误差和装配误差导致计算模型与试验模型不一致，采用上述方法构建光滑底部汽车外流场数值计算模型，并将数值计算结果与该模型对应的风洞试验数据进行对比。选取可靠的湍流模型，验证本文数值计算模型的精度，验证模型与风洞试验模型完全一致，边界条件与风洞试验设定工况保持一致。风洞试验在湖南大学HN-2号回流闭式风洞进行，如图8所示，风洞试验系统包括六分力浮框式汽车专用应变天平、转盘系统、边界层抽吸系统和数据采集系统，流场测量采用粒子图像测试技术(PIV)。当试验风速达到20 m/s后，气动力系数趋于稳定，进入雷诺自准区。

图8 汽车风洞试验模型及设备Fig.8 Model and equipment of wind tunnel test

气动力系数对比如图9所示。由图9可知，Realizablek-ε湍流模型气动阻力计算精度最高，SSTk-ω湍流模型次之，Standardk-ε和RNGk-ε湍流模型计算误差都比较大；SSTk-ω湍流模型气动升力计算精度最高，Realizablek-ε湍流模型次之，RNGk-ε湍流模型计算误差最大。尾部流场对比如图10所示。由图10可知，Realizablek-ε和Standardk-ε湍流模型对尾涡形态和大小捕捉比较准确，而Realizablek-ε和SSTk-ω湍流模型对速度大小和方向方面捕捉比较准确，RNGk-ε湍流模型对尾涡速度大小和方向的计算存在较大偏差。

图9 气动力系数对比(β=0°)Fig.9 Comparison of aerodynamic drag coefficient(β=0°)

总体而言，4种湍流模型的计算精度基本都达到工程应用要求，综合考虑4种湍流模型优劣，本文选用Realizablek-ε湍流模型进行计算求解，它在气动力计算以及流场捕捉方面的精度更为均衡，且在汽车外流场计算中应用广泛[15,17]。该模型的湍流动能k和湍流耗散率ε计算公式如下：

(4)

(a)风洞试验

(b)Realizable k-ε

(c)Standard k-ε

(d)RNG k-ε

(e)SST k-ω图10 尾部流场对比(β=0°)Fig.10 Comparison of wake flow field(β=0°)

(5)

式中，ui(i=x,y,z)为速度分量；xi(i=x,y,z)为坐标分量；μt为湍流动能黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项；σk、σε分别为与湍动能和耗散率对应的普朗特数；C1、C2为常数项；ν为黏性系数；S为平均应变率张量的模量。

4 计算结果分析与讨论

气动阻力一般用量纲一的气动阻力系数评价，而流场则用可视化的压力云图、速度矢量图、湍流动能图、三维流线图等相关信息评价。图11所示为阻流板改进前后自身气动阻力系数随横摆角变化关系曲线。横摆角β为来流方向与汽车行驶方向夹角。

图11 不同阻流板方案的气动阻力系数随横摆角的变化规律Fig.11 Variation of different spoilet aerodynamic drag coefficient with yaw angle varied

由图11可知，当横摆角在0°～6°之间变化时，气动阻力系数变化不明显，但随着横摆角的进一步增大，不同方案阻流板的气动阻力系数都呈现减小的趋势。相比传统阻流板，多孔介质材料阻流板和仿生阻流板气动阻力系数减小非常明显，横摆角越小，减小量越大，当横摆角为0°时，两种方案气动阻力系数分别减小了20.47%和50.85%，说明本文两种新方案对阻流板自身的减阻效果较好。

图12 不同方案整车阻力系数随横摆角的变化关系Fig.12 Variation of aerodynamic drag coefficient with yaw angle varied for different spoilet cases

图12所示为阻流板改进前后整车气动阻力系数随横摆角变化关系。由图12可知，各方案的气动阻力系数随横摆角的变化趋势一致，两种新结构方案相比原始阻流板方案，气动阻力系数均出现了不同程度的减小。横摆角大于18°以后，原始阻流板方案的整车气动阻力明显大于原始方案整车气动阻力(原始方案指没有装阻流板的整车模型)，但采用多孔介质材料和仿生设计的阻流板在横摆角大于21°以后，整车气动阻力有明显减小，接近或略大于原始方案的整车气动阻力。原始方案的气动阻力系数峰值出现在横摆角为15°左右，而阻流板方案的气动阻力系数峰值出现在横摆角为21°左右，多孔介质阻流板和仿生阻流板气动阻力系数最大值相比原始阻流板气动阻力系数最大值分别减小了3.3%和4.7%，两者均比原始方案的峰值要低。为了揭示两种新结构方案的减阻机理，接下来以横摆角为0°时的工况分析改进前后流场变化情况。

阻流板改进前后压力云图与流线图见图13。原始阻流板是目前绝大多数轿车所采用的结构形状，阻流板垂直布置，这导致车头前部正压区域过大，且阻流板后方气流分离区域过大，虽然相对于原始方案可减小气动阻力，但这种阻流板的结构形状存在一定的缺陷，一方面导致车头阻力增大，另一方面导致车底前端流场紊乱，如图13a所示。

阻流板采用多孔介质结构的材料后，一部分气流从阻流板下方进入车底，另一部分气流从多孔介质内部穿过，车头阻滞区域变小，阻流板后方气流分离区域明显减小，车头正压区域、阻流板正压区域以及后部负压区域明显减小，如图13b所示，因此多孔介质阻流板气动阻力更小。

(a)原始阻流板

(b)多孔介质阻流板

(c)仿生阻流板图13 阻流板改进前后压力云图与流线图(β=0°)Fig.13 Flow field of car with different spoiler(β=0°)

原始阻流板采用仿生设计后，汽车前端底部流场发生显著变化，远方来流在阻流板底部加速流向车底，车头阻滞区域明显减小，阻流板后方气流分离区域明显减小，车头正压区域以及阻流板后部负压区域明显减小，阻流板正压区域消失，甚至在阻流板前部产生局部的负压，如图13c所示，这些因素对减小气动阻力都有积极作用。

(a)原始阻流板

(b)多孔介质阻流板 (c)仿生阻流板图14 阻流板改进前后车身压力云图(β=0°)Fig.14 Pressure contour of body with different spoiler(β=0°)

(a)原始阻流板

(b)多孔介质阻流板 (c)仿生阻流板图15 阻流板改进前后底部结构压力云图(β=0°)Fig.15 Pressure contour of underbody with different spoiler(β=0°)

图14和图15为阻流板改进前后车身和底部结构的压力云图。阻流板采用多孔介质结构的材料后，阻流板自身最大正压区域和最大正压值都有一定程度减小，与图11和图13的分析结论吻合。部分气流从多孔介质阻流板内穿过后速度会明显降低，因此采用多孔介质阻流板后汽车底部结构压力基本保持不变，如图15b所示，即采用多孔介质流板对底部结构的气动阻力影响很小。原始阻流板采用仿生设计后，车底前端气流速度增大，虽然这对减小阻流板自身气动阻力有积极影响，但是汽车底部结构压力会产生明显变化，如图15c所示，汽车底部后端正压区变大，因此底部结构气动阻力增大，但是阻流板自身减小的气动阻力大于底部结构增大的气动阻力，因此整车气动阻力减小。需要说明的是，阻流板采用多孔介质结构的材料后，前轮气动阻力有一定减小，而后轮、发动机罩、前后风窗、汽车顶部以及尾部压力变化不明显。

图16为阻流板改进前后汽车尾涡分布图，3种方案的尾涡形态一致、涡核位置基本相同，但采用仿生阻流板结构后，由于车底前端气流加速，进入汽车底部的高速气流增加，因此尾涡区域有一定增大。

(a)原始阻流板

(b)多孔介质阻流板 (c)仿生阻流板图16 阻流板改进前后尾涡图(β=0°)Fig.16 Wake vortex of different spoiler(β=0°)

(a)原始阻流板

(b)多孔介质阻流板 (c)仿生阻流板图17 阻流板改进前后尾涡湍动能分布图(β=0°)Fig.17 Turbulent kinetic energy of different spoiler(β=0°)

由图17尾涡湍流动能分布图也可得出相同的结论，仿生阻流板方案的湍动能明显增大，而多孔介质阻流板方案的湍流动能基本不变，因此采用多孔介质阻流板后，车身气动阻力基本不变。采用仿生结构阻流板后，车身尾部负压减小，但车身前部正压区域减小，虽然车身气动阻力有一定程度增加，但增加量小于阻流板自身所减小的气动阻力，且底部结构和车身增加的气动阻力总和小于阻流板自身减小的气动阻力，因此整车气动阻力减小。两种改进方案的减阻原理不尽相同，但对减小整车气动阻力都有较好效果。

通过以上分析可知，相比于原始阻流板，多孔介质阻流板和仿生阻流板在横摆角β小于21°时，都能不同程度地减小整车气动阻力，但3种阻流板在横摆角β大于21°后，整车气动阻力相比原始车型都有不同程度的增大。虽然多孔介质阻流板和仿生阻流板的减阻效果相比原始阻流板好，但也略大于原始整车气动阻力，主要原因在于横摆角较大时，更多气流从车底侧面进入汽车底部(图18虚线以上位置)，阻流板改善汽车底部流场效果减弱，不能有效避免高速气流冲击底部附件。为了解决该问题，利用侧裙在大横摆角下具有较好的减阻效果这一优点(图4)，提出仿生阻流板和侧裙的组合方案，如图18所示。

图18 加装仿生阻流板后车身底部流线图(β=21°)Fig.18 Underbody streamline with bionic spoiler(β=21°)

图19所示为仿生阻流板和侧裙组合方案在不同横摆角工况下的整车气动阻力系数变化曲线。采用仿生阻流板和侧裙的组合减阻方案，横摆角在0°～30°范围变化时，整车气动阻力系数均小于原始方案和原始阻流板方案的气动阻力系数。由于横摆角大于21°后，侧裙对减小气动阻力效果显著，因此相比较原始阻流板，横摆角越大，组合方案的气动阻力系数减小幅度越大。原始阻流板方案气动阻力系数峰值在21°左右，组合方案气动阻力系数峰值在15°左右，气动阻力系数最大值减小了10.7%。

图19 仿生阻流板和侧裙组合方案的气动阻力系数Fig.19 Aerodynamic drag coefficient with combination scheme of bionic spoiler and side-skirts

相比原始阻流板方案，组合方案的车身、底部结构和阻流板气动阻力更小，在横摆角较大时，侧裙能减少进入汽车底部的高速气流，避免高速气流直接冲击底部的排气管总成、备胎、传动轴等部位，如图20所示。由于前后轮分别处于仿生阻流板和侧裙后沿，阻流板后沿和侧裙后沿的加速气流直接冲击轮胎，导致前后轮气动阻力有少许增加。当β=30°时，整车各部分气动阻力系数分布如表1所示。由表1数据可知，当横摆角为30°时，整车气动阻力减小了16.7%。

(a)原始阻流板 (b)组合方案图20 不同方案的底部结构压力云图(β=30°)Fig.20 Pressure contour of underbody with different spoiler(β=30°)

原始阻流板组合方案车身0.161 90.145 8底部结构0.126 50.095 1前轮0.023 60.026 8后轮0.016 80.018 9阻流板0.040 80.021 1整车0.369 60.307 7

当汽车高速运行时，汽车底部气压比两侧高，因此底部气流会向两侧流动，在汽车侧面形成诱导涡流，诱导涡不仅会直接参与尾涡形成，同时会产生诱导阻力。图21为X=1.3 m横截面的流线和湍流动能分布图，组合方案对汽车背风侧流场影响较大，由于侧裙能抑制底部气流向侧面流动，因此背风侧诱导涡变小，且湍流能量明显减小，所以组合方案的车身气动阻力更小。

(a)原始阻流板

(b)组合方案图21 不同方案X截面流线和湍动能分布(β=30°)Fig.21 Streamline and turbulent kinetic energy of X-section with different spoiler(β=30°)

5 结论

(1)多孔介质阻流板能加速耗散进入车底的高速气流能量，改善汽车车头底部结构流场，抑制阻流板后方分离涡尺度。相比传统阻流板，整车气动阻力峰值减小了3.3%，解决了传统阻流板自身气动阻力过大的问题。

(2)仿生阻流板能改善车头压力分布，虽然会导致车底前端气流速度增加，对减小底部结构和车身气动阻力不利，但其仿生流线形设计能大幅度减小自身气动阻力。相比传统阻流板，整车气动阻力峰值减小了4.7%，解决了传统阻流板自身气动阻力过大的问题。

(3)仿生阻流板和侧裙组合的汽车底部气动附件设计方案能大幅度减小整车气动阻力，解决传统阻流板在大横摆角工况下的气动阻力过大问题。相比传统阻流板，整车气动阻力峰值减小了10.7%。