基于CFD的車輛地面效應研究*

沈 夏 威

(湖州職業技術學院　機電與汽車工程學院, 浙江　湖州　313000)

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基于CFD的車輛地面效應研究*

沈 夏 威

(湖州職業技術學院機電與汽車工程學院, 浙江湖州313000)

運用CFD(計算流體力學)仿真計算方法，對車輛氣動升力的重要影響因素“地面效應”進行了研究。構建簡化的車輛鈍體模型，對不同的車輛離地間隙和車輛尾部擴散器的上翹角度進行仿真計算，獲得不同工況下的速度場和壓力場分布。在考慮氣動阻力的前提下，研究車輛離地間隙和擴散器上翹角度對氣動升力的影響規律。研究表明汽車離地間隙存在一個一定小的值使得氣動負升力達到最大；一定小角度的擴散器可改善整車的流場品質，降低氣動阻力，并且同時可以減小氣動升力系數。

CFD；車輛；地面效應；氣動升力；離地間隙；擴散器

汽車在地面上行駛時，由于粘性邊界層的干擾，底部氣流速度減緩，使得環流問題稍有增加，并且氣動升力進一步增加[1](P5)。由于汽車的橫縱比較小，在其三維流場中，部分空氣趨于從側面繞經汽車，故汽車流場要比一般由翼展較大的機翼的流場更復雜些。為更好的研究與利用地面效應，本文將根據大多數乘用車的尺寸，建立三維鈍體模型，使用CFD[2](P155)仿真工具，研究地面效應中車輛離地間隙和擴散器對氣動特性的影響規律。

一、研究模型及CFD前處理

汽車尾部上翹，形成一個擴散器，它與地面的共同作用使其產生一個高的下壓力[3](P75-81)[4](P392-397)。相關研究提出，將擴散器的作用機理分成三方面：地面效應產生的下壓力，尾部上翹產生的下壓力和尾部渦流的抽吸產生的下壓力。其表達式為:CL=CLG+CLU+CLD,式中，CLG表示由地面效應產生的負升力，CLU表示由車尾上翹產生的負升力，CLD表示尾部吸氣作用產生的負升力。

在車輛離地間隙較大時，對氣動升力的影響是很小的。但隨著車輛的離地間隙逐漸減小，地面效應產生的下壓力逐步增大。

車尾上翹所引起的下壓力是源于向上翹起彎曲的尾部使氣流經過汽車底部的距離加長了，使底部氣體的流速加快了，因此根據伯努利方程，汽車底部的壓力減小了，即增加了負升力。擴散器加大了汽車底部向尾部開放，普通車輛車尾就是一個強負壓的狀態，擴散器的上翹角的存在，促進了車身底部氣流向尾部流動。尾部設計成擴散器的形式就像一個吸氣泵，將氣流從底部抽出，從而產生強下壓力。

擴散器的主要參數是車輛的離地距離rideheight以及車尾上翹角rampangle，本文將從這兩點來研究其對氣動特性的影響。建立三維鈍體模型如圖1所示，模型三維尺寸為：4 400×1 500×1 200mm。模型底部從中間開始斜向上后翹至尾部，形成一個擴散器，上翹角度為θ，兩側設計側裙，模型離地間隙為h。在離地間隙的研究中上翹角度θ為0 °，即無擴散器的情況。

圖1　三維鈍體模型

計算域模型為11倍的車長，7倍的車寬和5倍的車高。模型被安置在距離計算域入口3倍車長的中間位置。使用ICEM軟件對幾何表面處理，生成四面體網格單元，在車身表面拉伸出與其平行的三棱柱網格模擬表面附面層。創建命令流對網格設置，保證每組模型采用相同的網格設置避免了網格差異性對仿真計算結果的影響，同時減少了工作量。整個計算域生成網格數150萬，節點數32萬，如圖2所示。

圖2　計算域網格截面圖

二、離地間隙對氣動升力的影響規律

本文對50-400mm之間，八組不同的離地間隙進行CFD仿真，研究其對氣動特性的影響規律[5]。各組CFD計算域網格均采用相同的方法生成，設置相同的邊界條件進行計算。由于汽車空氣動力學馬赫數小于0.3，可作不可壓縮流處理，壓強為一個標準大氣壓，溫度為常溫。湍流模型選擇可實現的k-ε兩方程模型。近壁處處理方法采用標準壁面函數，選用二階迎風格式進行空間離散，數值方法采用SIMPLE算法。為防止地面邊界層對仿真的干擾，設置地面邊界條件為與來流速度相同的移動壁面邊界條件。計算域出口為壓力出口邊界條件，計算域入口為速度入口邊界條件，設置來流速度40m/s[6](P296-298)。

數值計算結果如表1所示，氣動系數隨離地間隙的變化趨勢如圖3所示。

圖3　氣動系數隨離地間隙變化關系

阻力系數隨著離地間隙的增加呈上升趨勢，在50-200mm之間上升較快，200-400mm之間增加趨勢趨于平緩。而升力系數在50-150mm之間先減小后增加，從150-400mm呈增加趨勢，且趨于平穩。

模型縱對稱面速度矢量圖如圖4所示。結合表1，從圖中可以看出，離地間隙從100-400mm，模型底部速度呈遞增趨勢。流體運動連續性積分形式方程表示為：ρvA=常數,式中:ρ為密度，v為流速，A為面積。

圖4　不同離地間隙速度矢量圖

由該方程可知模型離地間隙的減小，模型底部氣流速度將增加。然而對于50mm這一小離地間隙的負升力系數相對于100mm的工況卻增加了，是源于氣體的粘性。如此小的離地間隙，使得車輛模型底部的粘性邊界層與地面發生了干涉，流體所受阻力加大，流速減小。由此模型的不同離地間隙與氣動特性的變化規律可知，汽車離地間隙存在一個一定小的值使得氣動負升力達到最大。對氣動阻力而言，隨著離地間隙的減小，從汽車底部流向尾部的氣流減少了，使得尾部氣流速度減小，因此靜壓相應增大，整車的壓差阻力減小了，故氣動阻力系數減小了。

三、擴散器上翹角對氣動升力的影響規律

本文以普通轎車的離地間隙150mm為基礎，在車速40m/s工況下，分別對擴散器角度從0 -14 °進行CFD模擬，計算結果如表2所示。

表2 　不同角度擴散器對氣動系數的影響

氣動系數隨θ角的變化如圖5所示。隨著擴散器的角度從0 °增加到4 °，模型阻力系數先減小，后增加。從4 °再往上翹起到14 °，阻力系數一直增加。然而，自擴散器的角度從0 ° 增加到14 °，模型的氣動升力系數一直呈減小趨勢。以此可知，一定小角度的擴散器可改善整車的流場品質，降低氣動阻力系數，并且同時可以減小氣動升力系數。

圖5　氣動系數隨擴散器角度變化關系

模型在不同角度擴散器影響下的縱對稱面速度分布如圖6所示。從圖中可以看出，自0 °到14 °，隨著角度的增加，擴散器的“抽吸”效果越明顯，模型與地板之間的氣流速度呈增加狀態。根據伯努利方程，可以判斷該區域靜壓應該隨擴散器角度增加而減小。模型在不同角度擴散器影響下的縱對稱面壓力分布如圖7所示。據圖可知，伴隨著擴散器角度的增加，模型與地板之間靜壓愈來愈小，這與根據速度分布圖所判斷的壓力變化趨勢是一致的。模型上下表面壓差隨角度增加而增加，故氣動升力呈減小狀態。

圖6　模型縱對稱面速度云圖　　　　　圖7　模型縱對稱面壓力分布圖

四、結　語

本文運用CFD的方法，以簡化車輛模型為研究對象，對影響氣動升力較大的“地面效應”進行了研究，得出以下結果：1)不同離地間隙對氣動特性的影響規律。汽車離地間隙存在一個一定小的值使得氣動升力最小。2)車輛尾部擴散器角度對氣動特性的影響規律。一定小角度的擴散器在減小氣動阻力的同時減小氣動升力。3)本文以簡化模型為對象研究地面效應對氣動升力的影響規律，可為實際車型的氣動升力改進作理論基礎與工程指導。

[1] 谷正氣.汽車空氣動力學[J].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[3][英]A.J.賽伯里爾斯基.汽車空氣動力學(楊尊正,鄒仲賢,譯)[M].北京:人民交通出版社,1984.

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

[5] 葉 輝.轎車尾部上翹角與離地間隙的CFD研究[D].吉林大學碩士學位論文,2005.

[6] 谷正氣,姜樂華,吳軍,等.轎車外流場的三維計算模擬[J].汽車工程,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年度湖州職業技術學院科研課題《基于CFD的汽車空氣動力學優化》(2015JC08)的研究成果之一。

沈夏威(1987-)，男，浙江湖州人，碩士，主要從事汽車空氣動力學研究。

U461.1

A

1672-2388(2016)01-0006-04