尾翼对汽车气动性能的影响

刘旺 侯路飞 顾君杰 王菁 王焕军

（长城汽车股份有限公司技术中心）

在汽车的设计制造过程中，车身造型的演变与发展在很大程度上受汽车空气动力学和造型美学两大因素的影响和支配。现代汽车设计的主流趋势是在不断追求气动性能优化的同时追求个性化和多样化。而在对汽车进行气动优化的过程中，尾翼作为汽车的一种附加装置表现出了良好的效果，因此汽车尾翼的设计和安装就显得尤为重要。文章通过模拟仿真分析，结合空气动力学原理，验证了尾翼对于不同行车速度下整车气动性能的影响，为汽车尾翼的设计提供了理论依据。

1 汽车尾翼的空气动力原理

当汽车行驶在路上时，由于和空气存在着相对运动，所以除了受到地面对汽车的作用力外，还受到车外气流对汽车的作用力，也就是气动力。严格来说汽车受到的总气动力应该是汽车外表面每一点受到的气动力之和，为了简便起见，经常把气动力转换到风压中心这个特殊的点上。气动六分力，如图1 所示。

图1 气动六分力示意图

将气动力的作用点变换到汽车的质心上，然后沿着坐标系将气动力分解到X，Y，Z 三轴上[1]。在X，Y，Z 轴上的分力分别为气动阻力（Fd/N），即图1 中的Fx；气动侧向力（Fs/N），即图1 中的Fy；气动升力（Fl/N），即图 1 中的 Fz。

绕X，Y，Z 轴旋转的力矩称为侧倾力矩，即图1 中的 Mx，My，Mz。

式中：ρ——空气密度，kg/m3；

v——气流速度，m/s；

S——迎风面积，m2；

L——特征长度，m；

Cd，Cl，Cs——风阻系数，升力系数，侧向力系数；

Cx，Cy，Cz——X 轴，Y 轴，Z 轴的侧倾力矩系数。

其中，汽车升力的产生原理和机翼升力的产生原理基本相同。汽车行驶时，气流流到汽车前方分为上下2 股，一股气流沿着汽车上表面流到汽车尾部，另一股气流沿着汽车下表面流到汽车尾部，如图2 所示。由于汽车上半部分向上凸出将汽车表面的气流向上挤压，迫使汽车上半部分气流管线收缩。根据质量守恒定律，当气流管线截面收缩时，流过这里的气流速度加快。再根据伯努利方程，气流速度大的地方压力小，所以在气流速度较快的车顶附近产生了低压区。同时汽车车底，由于表面没有明显外凸物，流过此处的气流没有明显加速，相对于车顶，车底压力较大，这就在车身上下形成了压差，即气动升力产生的主要原因。

图2 汽车升力产生示意图

2 计算结果及分析

不考虑侧向风的影响，可认为流场以车身中心面为中心成左右对称状态。为全面分析尾翼对气动特性的影响，以某车型为例，利用STAR-CCM+仿真工具对速度为 30，50，70，90，110 km/h 时的有尾翼和无尾翼2 种模型进行模拟对比计算[2]。不同速度下的车身阻力系数和升力系数，如图3 和图4 所示。由图3 和图4 可知，对于验证模型有无尾翼的2 种状态，随着速度的增加，阻力系数呈减小趋势，而升力系数呈增大趋势，有尾翼的模型相对于无尾翼的模型起到了明显的气动优化效果，阻力系数和升力系数均小于无尾翼状态。

图3 不同速度下车身阻力系数曲线

图4 不同速度下车身升力系数曲线

当车速为120 km/h 时，有尾翼和无尾翼2 种车身纵向对称面的速度矢量图，如图5 所示。由图5a 可知，汽车尾部由于壁面边界层流动，与其死水区之间形成剪切层而被卷吸，于是在汽车后部形成大尺度的旋涡[3]。能量迅速消耗，从而使尾流的压强减小，引起了压差阻力，在距离汽车尾部的一定距离，气流出现倒流现象，随着距离的增大，速度损耗越来越小，直到距离汽车较远处，速度接近来流速度。由图5b 可知，虽然尾翼本身也形成旋涡，但旋涡非常小，从而减小了能量耗散和压差阻力，这与图3 和图4 的计算结果吻合。

图5 汽车速度（120 km/h）矢量图

对于升力变化，由图5a 可知，无尾翼状态下，汽车前窗和后窗分别与车顶交界处，以及轿车顶部附近3块区域，其气流明显形成高速区，产生负压，形成升力。来流速度越快，负压越明显，升力越大，严重影响汽车行驶稳定性。由图5b 可知，加装尾翼后，高速区来流速度减慢，压差减小，同时在尾翼与汽车尾部形成高速区，使得尾翼处于受压状态，从而起到了对整车的增压效果。这与图3 和图4 的计算结果也是吻合的。

3 结论

文章利用仿真手段证明了汽车尾翼对于节能减排及提高汽车操纵稳定性的积极意义。由于文章分析的前提是忽略侧向风对汽车气动性能的影响，而实际上汽车在行驶过程中无法避免侧向风的影响，所以如何得到该体系的精准结果还有待进一步研究。