某SUV后部擾流附件的氣動性能研究

任 超，吳海波，陳 蒨

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

近年來，隨著油耗和排放法規(guī)越來越嚴(yán)苛，目前國Ⅵ的排放法規(guī)已切換至WLTP，而從2021年起，油耗的測試工況也將從NEDC切換至WLTP，這也給車企帶來了更大的壓力和更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新法規(guī)要求企業(yè)在汽車的研發(fā)中，不僅要考慮汽車的穩(wěn)定性、安全性，更要注重如何節(jié)能減排，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。而作為重要途徑之一，提升汽車的空氣動力學(xué)性能也變得更加重要。

汽車所受到的風(fēng)阻主要來自于壓差阻力，而大部分的壓差阻力都來自車身后部，因此，作為汽車最重要的空氣動力學(xué)套件之一，后部的擾流附件有著改善汽車尾流結(jié)構(gòu)、提升整車空氣動力學(xué)性能的顯著作用[1]。目前國內(nèi)外有大量針對汽車后擾流板的研究，但其中很多是基于簡化模型[2-7]，并非真實(shí)的復(fù)雜車型，這也給研究結(jié)果帶來了一定的不確定性。而且隨著技術(shù)的進(jìn)步和汽車空氣動力學(xué)的發(fā)展，近幾年在各大知名整車廠發(fā)布的新車型中，特別是SUV和兩廂車，可以看到很多新穎、獨(dú)特的尾部擾流板[8]，且越來越多的車型安裝了側(cè)擾流板。

朱忠華等[9]利用試驗(yàn)與仿真對真實(shí)的復(fù)雜車型展開研究，分析了后擾流板角度的變化對阻力和升力的影響，并且找到了使阻力和升力都處于最優(yōu)狀態(tài)的角度。何浩然等[10]基于某MPV車型，延長了后擾流板并加裝側(cè)擾流板，降低整車風(fēng)阻系數(shù)最大達(dá)到0.008，結(jié)果表明延長后擾流板有較好的減阻效果，但是到一定長度后繼續(xù)延長則效果減弱，而側(cè)擾流板的效果明顯優(yōu)于延長后擾流板。

BAJPAI等[11]分析了某款兩廂車延長后擾流板和C柱擾流板對風(fēng)阻帶來的優(yōu)化，并且采用了響應(yīng)面法分析了不同設(shè)計(jì)變量對風(fēng)阻的影響，但是缺少試驗(yàn)的驗(yàn)證。KREMHELLER[12]針對某SUV車型的開發(fā)，提出了優(yōu)化后擾流板需要保證尾渦平衡的結(jié)論，此外還發(fā)現(xiàn)增加D柱擾流板可以有效減小D柱旋渦的形成。IINUMA等[13]也設(shè)計(jì)了一種新型C柱擾流板，有效地控制了C柱尾渦的位置，改善了小偏角下的升力性能。STERKEN等[14]基于一款SUV車型，研究了延長后擾流板在不同偏轉(zhuǎn)角下對阻力和前后升力的影響，并且通過在擾流板上增加凸起特征進(jìn)一步降低了偏轉(zhuǎn)角下的后升力，提高了側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。

這些研究針對汽車后部擾流附件進(jìn)行了詳盡的分析和論證，而且表明了側(cè)擾流板對于降低風(fēng)阻的重要性（以上研究中所提到的C/D柱擾流板本文中統(tǒng)稱為側(cè)擾流板），但針對多個(gè)方案的分析和試驗(yàn)研究并不充分，關(guān)于后擾流板和側(cè)擾流板相互關(guān)系的討論也較少，且在改善風(fēng)阻的同時(shí)，不同擾流附件對升力的影響也需要更深入的研究。

本文基于上汽大眾某款SUV車型的開發(fā)，通過仿真計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究了14種后擾流板和側(cè)擾流板的優(yōu)化方案，分析了不同方案的減阻機(jī)理，以及不同擾流板組合方式對氣動性能的影響規(guī)律，為相似車型的空氣動力學(xué)開發(fā)和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 擾流附件優(yōu)化方案

該SUV上代車型后擾流板較短，沒有側(cè)擾流板，且由于自身特點(diǎn)，具有較大的迎風(fēng)面積，風(fēng)阻處于較高水平。因此，在新款車型的開發(fā)中重點(diǎn)考慮了該區(qū)域的優(yōu)化。后擾流板共有4種加長方案，而側(cè)擾流板有兩種方案，分別如圖1和圖2所示。本文通過仿真計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)分別對14種組合方案展開了研究，見表1。

圖1 后擾流板方案截面圖

圖2 側(cè)擾流板方案

表1 擾流板優(yōu)化方案

2 數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

該幾何模型包括了整個(gè)外表面細(xì)節(jié)特征、底盤、懸掛、排氣等結(jié)構(gòu)，與試驗(yàn)車輛保持一致，且封閉了前格柵以減少發(fā)動機(jī)艙對尾流的影響。采用Fluent Meshing對幾何進(jìn)行包面并生成Hexcore六面體網(wǎng)格，針對阻力敏感區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，并計(jì)算根據(jù)初場進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)加密生成的12層邊界層，以滿足Y+值≤2的要求，最終生成的體網(wǎng)格量約為1.3億個(gè)。計(jì)算域中截面網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算域中截面網(wǎng)格

計(jì)算域的設(shè)置盡可能地還原了同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心的試驗(yàn)段，足夠大的尺寸以消除計(jì)算域邊界對流場的影響。計(jì)算域地面設(shè)置了中央移動帶和輪帶以模擬風(fēng)洞地面的五帶系統(tǒng)，并且在移動帶前方設(shè)置了無摩擦區(qū)域以還原邊界層抽吸系統(tǒng)。輪轂區(qū)域采用了多重參考系(MRF)來模擬車輪的旋轉(zhuǎn)以保證車輪周圍氣流的真實(shí)性。具體邊界條件設(shè)置見表2。

表2 計(jì)算域邊界條件設(shè)置

2.2 湍流模型

本文中的仿真計(jì)算基于通用CFD軟件Fluent，采用的湍流模型為GEKO模型(Generalizedk-ω)， 該模型是一種基于k-ω的雙方程模型，相比于傳統(tǒng)模型，它提供了自由參數(shù)，具有更高的靈活性，用戶可根據(jù)特定類型的應(yīng)用調(diào)整這些參數(shù)，且不會對模型的基本校準(zhǔn)產(chǎn)生負(fù)面影響[15]。此外，對于離散方程的求解選擇基于壓力的Coupled算法，其具有更高的計(jì)算效率和更快的收斂速度，控制方程中動量、湍動能和湍流耗散率的離散格式為二階迎風(fēng)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 后擾流板長度對風(fēng)阻的影響

由于后擾流板和側(cè)擾流板都是尾部風(fēng)阻敏感區(qū)域，為了對其進(jìn)行詳盡且透徹的研究，深入了解流場的變化，先對其各自單獨(dú)的作用進(jìn)行分析，之后再對彼此的相互作用展開分析。全部方案1～14的仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 方案1～14仿真計(jì)算結(jié)果

在不加裝側(cè)擾流板的時(shí)候，4種長度方案均有減阻效果，且呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，但是總體效果非常有限，后擾流板加長150 mm時(shí)風(fēng)阻系數(shù)僅降低0.003。如果加裝了側(cè)擾流板，可以看到相似的趨勢變化，風(fēng)阻將隨著后擾流板的延長而降低，但此時(shí)的減阻效果大大高于不帶側(cè)擾流板的方案。其中加裝兩種側(cè)擾流板時(shí)，最大風(fēng)阻系數(shù)降低量分別為0.008和0.010。

圖5為方案1～4的尾部壓力系數(shù)分布云圖，可以看出后窗區(qū)域的壓力系數(shù)隨著后擾流板的延長而逐漸增加，因此減少了整車前后的壓差，降低了阻力。

圖5 不同后擾流板方案尾部壓力系數(shù)分布

圖6為y0截面x向速度分布云圖，為了便于觀察尾渦變化趨勢，這里僅對比原始造型和最長的后擾流板方案。對比顯示，延長后擾流板使氣流流向發(fā)生了順時(shí)針的偏轉(zhuǎn)，來自頂部的氣流被引導(dǎo)至更低的位置，并延遲了分離。因此，尾渦的尺寸得到了縮小，從而減少能量的耗散，提高了壓力恢復(fù)[16]。

圖6 y0截面x向速度分布

圖7通過流線圖進(jìn)一步分析了尾渦的變化。可以看到來自頂部、兩側(cè)和底部的氣流在尾部相互作用，在縱截面上形成了兩個(gè)較大的旋渦，而控制好這對旋渦的尺寸，保證其平衡，是優(yōu)化尾部阻力的關(guān)鍵。圖中原始造型上方的旋渦略大于下方，紅色三角形標(biāo)出了兩個(gè)旋渦的渦心點(diǎn)，而延長了后擾流板，這對縱向渦的尺度更加相似，也達(dá)到了更好的平衡，上方旋渦的渦心（綠色圓點(diǎn)）向斜后方發(fā)生了位移，而下方渦心向上發(fā)生了微小的位移。

圖7 y0截面流線分布

3.2 側(cè)擾流板對風(fēng)阻的影響

在不加長后擾流板時(shí)，僅對比側(cè)擾流板對風(fēng)阻的影響，計(jì)算結(jié)果顯示兩種側(cè)擾流板均有一定的減阻效果，分別為0.0022和0.0028。圖8為方案5和10的尾部壓力系數(shù)分布，可以看出加裝側(cè)擾流板后，后窗區(qū)域的壓力系數(shù)有一定降低，但是后保險(xiǎn)杠處壓力系數(shù)則明顯升高，且長側(cè)擾流板高于短側(cè)擾流板。

圖8 不同側(cè)擾流板方案尾部壓力系數(shù)分布

圖9為側(cè)擾流板處水平截面速度分布，可以看出側(cè)擾流板類似地起到了延遲氣流分離的作用，且縮小了上方尾渦的尺寸。但出于造型原因，側(cè)擾流板上邊界必須與后擾流板相匹配，此時(shí)后擾流板并未延長，所以導(dǎo)致側(cè)擾流板的造型面與來流方向角度較大，這對于控制氣流強(qiáng)制分離有一定的負(fù)效果，從而造成了后窗上壓力恢復(fù)的減小。

圖9 側(cè)擾流板水平截面速度分布

圖10左側(cè)顯示了總壓系數(shù)為0的等值面，該圖可以直觀地看出尾渦的尺寸大小。在側(cè)擾流板的幫助下，尾渦變得更加收縮聚攏，減小了能量的耗散。而右側(cè)為車身后方橫截面總壓系數(shù)的分布，可以看到圈中來自D柱的旋渦得到了有效的控制，相比于原始造型均有明顯的縮小，位置也更加向下和中心靠攏，且方案10對于D柱旋渦的抑制要好于方案5。

圖10 不同方案總壓系數(shù)等值面圖（左）和 尾部橫截面總壓系數(shù)分布（右）

圖11通過后保險(xiǎn)杠水平截面的速度分布進(jìn)一步說明了該區(qū)域靜壓升高的原因，由于側(cè)擾流板對來自D柱氣流的引導(dǎo)，使D柱旋渦更加靠中心向下，正好抑制了后保險(xiǎn)杠兩側(cè)氣流流向中心的趨勢，使氣流分離得更加干凈徹底，也縮短了尾渦的長度，提高了壓力恢復(fù)。

圖11 后保險(xiǎn)杠水平截面速度分布

3.3 后擾流板和側(cè)擾流板的相互作用

以上分別針對延長后擾流板和加側(cè)擾流板對風(fēng)阻的影響進(jìn)行了分析，但是從計(jì)算結(jié)果中可以看到，單獨(dú)優(yōu)化某一擾流板所帶來的減阻效果都是有限的。如圖12所示，在兩種擾流板的共同作用下，減阻效果明顯增加，出現(xiàn)了“1+1大于2 ”的現(xiàn)象。由此可見，兩種擾流板具有相互促進(jìn)的關(guān)系。

圖12 不同擾流板方案對風(fēng)阻影響的變化

為了從流場中分析清楚產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，選取原始造型和方案14進(jìn)行對比。圖13為兩者尾部壓力系數(shù)分布云圖，可見延長后擾流板且加裝側(cè)擾流板后，不僅改善了后窗區(qū)域的壓力，而且保險(xiǎn)杠處的高壓區(qū)也隨之增加，所以減阻效果會明顯增大。

圖13 不同后擾流板方案尾部壓力系數(shù)分布

如圖14為兩方案的湍動能等值面圖，湍動能取值為40 m2/s2，該圖直觀地顯示了湍動能的耗散程度。可見在兩種擾流板的作用下，大大改善了尾部后窗區(qū)域的能量耗散。

圖14 湍流動能等值面圖

在圖15的流線圖對比中，原始造型可以明顯看到來自頂部和側(cè)方氣流所形成的D柱旋渦，而在擾流板的作用下，頂部和側(cè)邊的氣流被更好地梳理，均延遲了分離，抑制了兩股氣流的交互，并使其快速地向后方流出，改善了D柱旋渦的形成。根據(jù)以上分析，較長的后擾流板及側(cè)擾流板可以在三側(cè)改善氣流，在得到干凈的氣流分離外，控制了尾渦的整體大小，大大提高了壓力恢復(fù)，降低了風(fēng)阻。

圖15 擾流板處流線圖

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對全部方案進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。如前文所述，所有的試驗(yàn)均在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞中心進(jìn)行，并開啟了五帶系統(tǒng)和邊界層去除系統(tǒng)，以保證真實(shí)的底部氣流。試驗(yàn)?zāi)Ｐ突?∶1的實(shí)車進(jìn)行，并對后部區(qū)域進(jìn)行了局部改造，優(yōu)化方案采用油泥加ABS樣件，試驗(yàn)車輛及局部模型如圖16所示。

圖16 風(fēng)洞試驗(yàn)車輛及模型局部

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中不同擾流附件方案的風(fēng)阻系數(shù)與仿真結(jié)果的對比見表3，其中數(shù)據(jù)均作了歸一化處理。可以看到仿真中各個(gè)方案都與試驗(yàn)趨勢保持一致，且差別較小。

表3 風(fēng)阻系數(shù)的試驗(yàn)和仿真結(jié)果

圖17為試驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差分析，圖中實(shí)線斜率為1，落在該線上說明仿真與試驗(yàn)的結(jié)果完全一致。而兩條虛線為誤差±0.5%的界限，可以看到絕大多數(shù)的點(diǎn)處于這個(gè)范圍內(nèi)，說明大多數(shù)方案的誤差不超過±0.5%。其中最大誤差為方案11的0.56%，而試驗(yàn)中樣件的安裝誤差可能是造成該方案誤差較大的原因。該模型0.5%的阻力相當(dāng)于0.0017的風(fēng)阻系數(shù)，因此，可以近似地認(rèn)為所有方案計(jì)算與試驗(yàn)的誤差均不大于0.002。總體來看計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)具有較好的一致性，誤差在可接受范圍內(nèi)。

圖18為不同方案減阻效果的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比，從中可以看到減阻效果的變化趨勢，雖然計(jì)算誤差不超過0.002，但是試驗(yàn)中方案4和9的變化趨勢與計(jì)算不同。這兩個(gè)方案的減阻量并沒有隨后擾流板的加長而變大，初步分析與試驗(yàn)中油泥的變形有關(guān)，且在樣件的多次換裝過程中，可能存在安裝誤差。除此之外，其他方案的變化趨勢與計(jì)算較為吻合，因此，可以認(rèn)為通過計(jì)算所獲得的流場信息較為準(zhǔn)確。

圖18 試驗(yàn)和仿真風(fēng)阻系數(shù)差值的對比

4.2 不同擾流板方案對升力的影響

雖然本文的重點(diǎn)是研究擾流附件對風(fēng)阻的影響，但是對于SUV車型，升力也是不得不考慮的重要因素，其直接影響著汽車的穩(wěn)定性。而后部擾流板的變化也會對升力產(chǎn)生巨大的影響，尤其是后升力。由于升力計(jì)算一般誤差較大，所以并沒有對仿真和試驗(yàn)的升力結(jié)果進(jìn)行對比，而是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來分析不同擾流板方案對升力的影響。

圖19為不同擾流板方案對前后升力的影響，可以看到所有方案的前升力系數(shù)變化總體很小，且隨著后擾流板延長和加側(cè)擾流板呈現(xiàn)出降低的趨勢，總的降低量不超過0.003。與此同時(shí)，后升力則顯示出巨大的變化，所有方案的后升力系數(shù)都呈現(xiàn)出上升的趨勢，方案14的升高量最大，達(dá)到0.024。而后升力增加勢必會影響汽車的行駛姿態(tài)，從而導(dǎo)致前升力有了小幅的降低。

圖19 不同擾流板方案對前后升力的影響

為了深入研究不同側(cè)擾流板和后擾流板對后升力的影響規(guī)律，如圖20所示，首先，在不延長后擾流板時(shí)，可以看到兩種側(cè)擾流板對后升力的影響基本相同，且后升力系數(shù)增加較小，僅為0.004。而在無側(cè)擾流板時(shí)，僅延長后擾流板使后升力系數(shù)最大增加了0.012，可見后擾流板的更改對后升力的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)擾流板。

圖20 不同擾流板方案對后升力的影響對比

其次，在不同側(cè)擾流板下，后升力都隨后擾流板的延長而增加，且增加趨勢較為線性，帶側(cè)擾流板方案的后升力都高于無側(cè)擾流板的方案。而在長側(cè)擾流板下擬合線的斜率最大，也說明在此方案下，延長后擾流板使后升力增加最快，增加量也是最大的。根據(jù)前文仿真計(jì)算的分析，延長了后擾流板會延遲氣流分離，使流過車頂后方的氣流加速、壓力降低，因此，后部車頂與車底的壓差減小，導(dǎo)致了后升力的增加；而側(cè)擾流板位于車身兩側(cè)，雖然也會加速氣流，使兩側(cè)的氣流壓力降低，但是作用到升力方向的影響顯然較小。

5 結(jié)論

本文基于上汽大眾某款SUV車型，討論了不同后擾流附件對于車輛氣動性能的影響，通過數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)的綜合研究，結(jié)果表明，最佳的擾流板組合能夠改善尾跡區(qū)域的流動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整車減阻優(yōu)化效果。具體結(jié)論如下：

（1）加裝后擾流板可以延遲來自車頂?shù)臍饬鞣蛛x，并且使分離渦渦核位置遠(yuǎn)離車尾、渦尺度減小，從而提高了車輛尾部的靜壓分布，起到減阻作用。隨著后擾流板長度增加，減阻效果逐漸增強(qiáng)，但增強(qiáng)的趨勢變慢，最終的減阻效果有限，最大減阻量不到1%。

（2）加裝側(cè)擾流板能夠有效抑制D柱分離渦強(qiáng)度，使兩側(cè)氣流分離更加徹底，改善了保險(xiǎn)桿處的壓力回升，且長側(cè)擾流板的效果優(yōu)于短側(cè)擾流板。但是由于受到造型的限制，僅加裝側(cè)擾流板會損失一定的后窗壓力，所以減阻量依然有限，最大減阻量約為1%。

（3）同時(shí)安裝后擾流板和側(cè)擾流板，能夠從車頂和兩側(cè)同時(shí)延遲氣流分離，最大程度上抑制尾跡區(qū)渦結(jié)構(gòu)尺度，使縱向和橫向渦對更加平衡，改善了背壓分布，整車減阻效果顯著提升，最大減阻量可以達(dá)到約3%。

（4）本文的擾流板方案在實(shí)現(xiàn)減阻的同時(shí)均會帶來后軸升力一定程度的增大。其中后擾流板對后升力的影響較大，且隨后擾流板的延長而顯著升高，側(cè)擾流板的影響較小，但總體影響在可接受范圍之內(nèi)。

根據(jù)本文的研究結(jié)果，SUV車型在加裝尾部擾流附件時(shí)，必須要同時(shí)考慮后擾流板和側(cè)擾流板，以挖掘最大的減阻優(yōu)化潛力。而優(yōu)化風(fēng)阻的同時(shí)，對升力的影響也是不容忽視的，本文沒有進(jìn)一步優(yōu)化升力，未來需要繼續(xù)研究探討。此外，過長的后擾流板在降低風(fēng)阻的同時(shí)，可能會影響后窗視野區(qū)，雖然本文沒有提及，但是今后在優(yōu)化后擾流板時(shí)必須要考慮。