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尾翼對(duì)汽車氣動(dòng)性能的影響

2020-09-24 22:44:20·  來(lái)源：天津汽車研究所  
　
摘要汽車行駛速度提升的同時(shí)也帶來(lái)了高速穩(wěn)定性和節(jié)能減排2個(gè)問(wèn)題。運(yùn)用汽車空氣動(dòng)力學(xué)原理，基于某款車型，利用STAR-CCM+仿真工具建立尾翼的物理模型。通過(guò)模擬
摘要
汽車行駛速度提升的同時(shí)也帶來(lái)了高速穩(wěn)定性和節(jié)能減排2個(gè)問(wèn)題。運(yùn)用汽車空氣動(dòng)力學(xué)原理，基于某款車型，利用STAR-CCM+仿真工具建立尾翼的物理模型。通過(guò)模擬仿真，發(fā)現(xiàn)加裝尾翼后，在車速小于120KM/H的5種不同速度條件下，整車氣動(dòng)阻力可降低1%~3%，氣動(dòng)升力可降低43%~46%。結(jié)果表明，加裝尾翼可改善汽車的氣動(dòng)特性，降低油耗并顯著提高汽車的操縱穩(wěn)定性。該結(jié)果可為汽車動(dòng)力學(xué)研究提供參考。
 
在汽車的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，車身造型的演變與發(fā)展在很大程度上受汽車空氣動(dòng)力學(xué)和造型美學(xué)兩大因素的影響和支配。現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)是在不斷追求氣動(dòng)性能優(yōu)化的同時(shí)追求個(gè)性化和多樣化。而在對(duì)汽車進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化的過(guò)程中，尾翼作為汽車的一種附加裝置表現(xiàn)出了良好的效果，因此汽車尾翼的設(shè)計(jì)和安裝就顯得尤為重要。文章通過(guò)模擬仿真分析，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)原理，驗(yàn)證了尾翼對(duì)于不同行車速度下整車氣動(dòng)性能的影響，為汽車尾翼的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
 
1 汽車尾翼的空氣動(dòng)力原理
 
 當(dāng)汽車行駛在路上時(shí)，由于和空氣存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以除了受到地面對(duì)汽車的作用力外，還受到車外氣流對(duì)汽車的作用力，也就是氣動(dòng)力。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)汽車受到的總氣動(dòng)力應(yīng)該是汽車外表面每一點(diǎn)受到的氣動(dòng)力之和，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，經(jīng)常把氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換到風(fēng)壓中心這個(gè)特殊的點(diǎn)上。氣動(dòng)六分力，如圖1所示。
 
圖1 氣動(dòng)六分力示意圖
 

 
 其中，汽車升力的產(chǎn)生原理和機(jī)翼升力的產(chǎn)生原理基本相同。汽車行駛時(shí)，氣流流到汽車前方分為上下2股，一股氣流沿著汽車上表面流到汽車尾部，另一股氣流沿著汽車下表面流到汽車尾部，如圖2所示。
圖2 汽車升力產(chǎn)生示意圖
 
由于汽車上半部分向上凸出將汽車表面的氣流向上擠壓，迫使汽車上半部分氣流管線收縮。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，當(dāng)氣流管線截面收縮時(shí)，流過(guò)這里的氣流速度加快。再根據(jù)伯努利方程，氣流速度大的地方壓力小，所以在氣流速度較快的車頂附近產(chǎn)生了低壓區(qū)。同時(shí)汽車車底，由于表面沒(méi)有明顯外凸物，流過(guò)此處的氣流沒(méi)有明顯加速，相對(duì)于車頂，車底壓力較大，這就在車身上下形成了壓差，即氣動(dòng)升力產(chǎn)生的主要原因。

2 計(jì)算結(jié)果及分析
 
不考慮側(cè)向風(fēng)的影響，可認(rèn)為流場(chǎng)以車身中心面為中心成左右對(duì)稱狀態(tài)。為全面分析尾翼對(duì)氣動(dòng)特性的影響，以某車型為例，利用STAR-CCM+仿真工具對(duì)速度為30，50，70，90，110km/h時(shí)的有尾翼和無(wú)尾翼2種模型進(jìn)行模擬對(duì)比計(jì)算。不同速度下的車身阻力系數(shù)和升力系數(shù)，如圖3和圖4所示。
 
由圖3和圖4可知，對(duì)于驗(yàn)證模型有無(wú)尾翼的2種狀態(tài)，隨著速度的增加，阻力系數(shù)呈減小趨勢(shì)，而升力系數(shù)呈增大趨勢(shì)，有尾翼的模型相對(duì)于無(wú)尾翼的模型起到了明顯的氣動(dòng)優(yōu)化效果，阻力系數(shù)和升力系數(shù)均小于無(wú)尾翼狀態(tài)。
 
當(dāng)車速為120km/h時(shí)，有尾翼和無(wú)尾翼2種車身縱向?qū)ΨQ面的速度矢量圖，如圖5所示。由圖5a可知，汽車尾部由于壁面邊界層流動(dòng)，與其死水區(qū)之間形成剪切層而被卷吸，于是在汽車后部形成大尺度的旋渦。能量迅速消耗，從而使尾流的壓強(qiáng)減小，引起了壓差阻力，在距離汽車尾部的一定距離，氣流出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，隨著距離的增大，速度損耗越來(lái)越小，直到距離汽車較遠(yuǎn)處，速度接近來(lái)流速度。由圖5b可知，雖然尾翼本身也形成旋渦，但旋渦非常小，從而減小了能量耗散和壓差阻力，這與圖3和圖4的計(jì)算結(jié)果吻合。
 
對(duì)于升力變化，由圖5a可知，無(wú)尾翼狀態(tài)下，汽車前窗和后窗分別與車頂交界處，以及轎車頂部附近3塊區(qū)域，其氣流明顯形成高速區(qū)，產(chǎn)生負(fù)壓，形成升力。來(lái)流速度越快，負(fù)壓越明顯，升力越大，嚴(yán)重影響汽車行駛穩(wěn)定性。由圖5b可知，加裝尾翼后，高速區(qū)來(lái)流速度減慢，壓差減小，同時(shí)在尾翼與汽車尾部形成高速區(qū)，使得尾翼處于受壓狀態(tài)，從而起到了對(duì)整車的增壓效果。這與圖3和圖4的計(jì)算結(jié)果也是吻合的。
 
3 結(jié)論
 
 文章利用仿真手段證明了汽車尾翼對(duì)于節(jié)能減排及提高汽車操縱穩(wěn)定性的積極意義。由于文章分析的前提是忽略側(cè)向風(fēng)對(duì)汽車氣動(dòng)性能的影響，而實(shí)際上汽車在行駛過(guò)程中無(wú)法避免側(cè)向風(fēng)的影響，所以如何得到該體系的精準(zhǔn)結(jié)果還有待進(jìn)一步研究。
 
作者：劉 旺 侯路飛 顧君杰 王 菁 王煥軍
公眾號(hào)編輯：冷棘宇 胖 佶
來(lái)源：《汽車工程師》 
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