尾部空气动力附加装置对客车气动阻力的影响

陆润明 廖抒华 覃紫莹 赵国灰

摘    要：为研究车身尾部结构特征对整车风阻有重要影响，降低某客车的气动阻力，设计了3种空气动力附加装置，并分别进行外流场数值模拟和流场特征分析.研究结果表明：在同等分析条件下，安装在客车尾部的3种空气动力附加装置均有减阻效果，其中减阻效果最好的方案使气动阻力系数下降了4.8%，气动阻力降低了174 N，有效地提高了客车的燃油经济性与动力性.

关键词：空气动力附加装置;数值模拟;流场特征;减阻

中图分类号：U461.1          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.008

0    引言

随着汽车车速的逐渐提高，汽车的空气动力學性能备受关注，气动阻力成为汽车空气动力学关注的焦点.汽车的行驶性能，包括燃油经济性、加速性能和最高车速等，与气动阻力有直接的关系，同时也成为消费者购买汽车产品的重要特征之一.在汽车减阻方面的研究，主要考虑如何减小汽车所受的压差阻力.要减小压差阻力，主要是要减小汽车前部的正压区和后部的负压区[1].车身尾部结构特征对尾部流场结构有直接影响，近几年来，在减小汽车后部负压区的研究上，国内许多学者做了许多探索.比如杨易等[2]在SAE模型上研究了非光滑表面对气动减阻的影响;彭丽娟等[3]通过对某SUV的外造型面和气动附件的优化，使汽车风阻系数明显下降;罗建斌等[4]研究了突风环境下高速列车的气动特性;李向前等[5]运用空气动力数值模拟方法设计了符合空气动力学和美学要求的汽车外形.

本文通过在客车尾部设计3种空气动力附加装置，改善车身尾部尾流的结构，从而提高车身尾部的静压，减小车身前后压差，最终减小车辆的气动阻力，有效地提高了客车的燃油经济性与动力性.

1    模型创建与分析方法

1.1   计算模型

本次仿真分析简化了对客车外流场影响不大的底盘细节和车身的细小特征并建立长方体虚拟风洞，客车模型如图1所示，图2为计算域中的客车模型.研究表明，只有阻塞比低于5%的风洞实验结果，阻塞干扰产生的误差较小[6]，计算式为：

[ε=AAN]                                          （1）

式中，[ε]为阻塞比，A为汽车正投影面积，AN为虚拟风洞入口面积.

本次数值模拟中，模型正投影面积A：8.83 m2，虚拟风洞入口面积AN：593.1 m2，所以[ε=1.5%<5%]，满足阻塞比的要求.

1.2   数学模型

客车的外流场数值模拟，认为空气为不可压缩的稳定流动流体，其控制方程[7]如下：

连续方程（质量守恒方程）：

[∂ρ∂t+∂∂xiρui=0]                               （2）

式中，ρ为气体密度，[ui]为i方向的速度分量.

动量守恒方程：

[∂∂tρui+∂∂xiρuiuj=-∂P∂xi+∂τij∂xj+ρgi+Fi]                      （3）

式中，P是静压力，[τij]是应力矢量，[gi]是i方向的重力分量，[Fi]是由阻力和能源引起的其他能源项.

1.3   分析方法

本次模拟假设客车外部流场中不存在侧风作用，且空气为不可压缩的稳定流动流体[8]，边界条件设置如表1所示.

2    客车原始模型外流场分析

2.1   湍流动能图

由如图3所示的湍流动能图可见，在客车尾部和空调机后方的车身上表面，出现了湍流动能较大的情况.湍流的出现会造成气流能量的损耗，是气流不稳定流动的表征，湍流动能越大，意味着气流相互之间的扰动就越大，能量损失也越大，就会在客车行进方向上形成一个较大的逆压梯度，从而导致客车阻力的增加.从而导致客车行驶阻力的增加.

2.2   压力分布图

图4是客车对称面上的压力分布图，存在较大车头正压区和车尾负压区.压力的分布与流场的速度分布相关，流体的压力会随着流速变化，只要是定常绝热等熵的流动，当速度增大时，压力都会降低[9].在客车尾部，气流发生分离后，尾部上方气流速度大于下方气流速度，从而产生压差，下方气流往上涌，所以此区域的压力会降低，当低压区靠近客车尾部车身表面，客车前后压差变大，客车受到的阻力会随着低压区的位置和压力值改变.

2.3   速度矢量图

如图5是客车对称面速度矢量图，在客车尾部，车身上方主流速度较车身尾部主流速度要大，相应的压力势能就越小，在压差的作用下，车身尾部气流往上窜动，与上方气流产生剪切运动，同时因为车身尾部的气流速度增加，车身尾部的气体压力减小，所以会吸引一部分的上方气流，产生回流，从而形成涡流.在空调机后方，也出现了一个小漩涡.涡流是剧烈的、不规律的运动，并伴随着能量的损失.

3    流场对比与结果分析

3.1   空气动力附加装置设计

针对客车原始模型的外流场分布情况，本文共设计了3种尾部空气动力附加装置对客车尾部气流进行调整，装置1（如图6）是为了平顺尾部气流，使流经车身上表面的气流动能损失减少，到达尾部上方气流的分离速度变大.装置2（如图7）所示，此装置是为了延后尾部气流分离，加大尾涡中心与客车尾部表面的距离，降低尾涡对客车尾部表面的影响.装置3（如图8）可以破坏客车原有的尾涡结构，减小漩涡尺寸，降低涡流强度，从而减少能量损失.

3.2   流场对比

如图9为各模型对称面上的速度矢量图，由图可见，加装空气动力附加装置后的尾部气流，让分离涡区变得更窄，使原始模型的一个大尺寸尾涡变成了两个小尺寸尾涡，且漩涡的涡心位置离客车尾部平面较远.特别是加装装置4的客车模型，减小涡区、平顺尾部气流的同时，让上、下两个旋向相反的尾涡离得更近，使其相互之间抵消一部分能量，减少尾部气流扰动，使客車尾部能量损失降低.

客车尾部平面是位于负压尾流区.由图10可见，通过在客车尾部安装空气动力附加装置，对尾部气流进行了有效的组织，使尾部气流得到改善，动能损失较少，提高了客车尾部平面附近区域的压力.

湍流动能图能够体现出速度的波动大小，而速度的波动，会产生额外的阻力和能量损失.如图11，在客车尾部区域，加装空气动力附加装置后的湍流动能比原始模型要小，湍流动能减小了，在此客车尾部区域的能量耗散就会更低，客车尾部的压力就能得到提高，从而降低客车前、后压差，减小客车行驶时的气动阻力.

3.3   计算结果分析

通过在原始模型上加装3种尾部空气动力附加装置，并各自完成虚拟风洞计算，结果表明，在同等分析条件下，3种空气动力附加装置对客车均有减阻效果，分析结果如表2所示.其中减阻效果最好的是装置3，通过直接破坏尾涡结构、减小分离区域的方式，使客车的气动阻力系数下降了4.8%，相应的气动阻力降低了174 N，使客车的燃油经济性与动力性能够得到有效提高.

4    结论

1）尾部空气动力附加装置对客车尾部气流有很大的影响，合理的空气动力附加装置能明显改善客车的尾流结构.

2）通过数值计算可以预测，在客车尾部增加合理的空气动力附加装置，通过平顺尾部气流，延后尾部气流分离或破坏原来的尾涡结构等方式，使客车尾涡的位置或强度发生变化，从而提升客车尾部静压，减小客车前、后压差，达到明显的减阻效果.

参考文献

[1]     谷正气. 汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]  &nbsp;  杨易，范光辉，聂云，等.基于SAE模型非光滑表面对气动减阻的影响[J]. 机械科学与技术，2014，33（4）：559-563.

[3]     彭丽娟，袁侠义，陈志夫，等.某型SUV气动性能优化与验证[J].汽车工程，2019，41（2）：147-152.

[4]     罗建斌，吴量.突风下高速列车气动特性数值模拟[J].广西科技大学学报，2017，28（4）：19-24-31.

[5]     李向前，周湃.基于空气动力数值模拟的汽车外形设计与改进[J].机械设计，2018，35（4）：119-122.

[6]     支询，李施，刘源，等.风洞阻塞比系数试验与研究[J].计测技术，2017，37（S1）：356-358.

[7]     张金龙. 车身尾部结构对轿车尾流场影响的数值分析与优化研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[8]     罗建斌，吴量，苗明达，等.侧风下汽车会车气动特性数值分析[J].广西科技大学学报，2018，29（2）：31-36.

[9]     王洪伟.我所理解的流体力学[M].北京：国防工业出版社，2014.

Impact of rear aerodynamic attachment on aerodynamic drag of

passenger cars

LU Runming， LIAO Shuhua*， QIN Ziying， ZHAO Guohui

（School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545000， China）

Abstract： The structural characteristics of the rear part of the car have an important influence on the wind resistance of the vehicle. In order to reduce the aerodynamic drag of a passenger car， three       aerodynamic attachments were designed， and the numerical simulation of the external flow field and the analysis of the flow field characteristics were carried out respectively. The drag reduction mechanism of different aerodynamic attachments was introduced in detail. The results show that under the same    analysis conditions， the three aerodynamic attachments installed at the rear of the passenger car have the effect of reducing drag， and the best solution for the drag reduction reduces the aerodynamic drag coefficient by 4.8% and the aerodynamic drag by 174 N， which effectively improves the fuel economy and power of passenger cars.

Key words： aerodynamic attachment; numerical simulation; flow field characteristic; drag reduction

（责任编辑：黎   娅）