倪 捷,劉志強,胡國梁,范秦寅

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013; 2.大阪大學(xué)工學(xué)部,日本大阪 5650871)

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2015234

帶有減阻增穩(wěn)仿生結(jié)構(gòu)的車輛空氣動力學(xué)特性仿真研究*

倪 捷1,劉志強1,胡國梁1,范秦寅2

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013; 2.大阪大學(xué)工學(xué)部,日本大阪 5650871)

本文中采用CFD數(shù)值模擬的方法，研究仿生結(jié)構(gòu)對某轎車空氣動力學(xué)特性的影響。先對原車進行不同行駛速度下風(fēng)阻系數(shù)的仿真計算，并通過風(fēng)洞試驗來驗證數(shù)值模擬的有效性。再在原車的尾部加裝擾流板和采用非光滑棱紋仿生結(jié)構(gòu)，并進行不同行駛速度下的車輛氣動特性仿真。結(jié)果表明，棱紋形態(tài)的仿生表面能夠延遲氣流分離，較好地梳理了尾部氣流；在高速行駛時，采用帶有擾流板和棱紋仿生結(jié)構(gòu)有顯著的減阻增穩(wěn)效果，最大減阻率為2.59%，升力系數(shù)下降幅度在55%以上。

車輛；空氣動力學(xué)特性；工程仿生；減阻增穩(wěn)；計算流體力學(xué)

前言

車輛空氣動力學(xué)特性直接影響著其經(jīng)濟性、動力性和行駛穩(wěn)定性。大量研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，車輛在高速行駛時，發(fā)動機輸出的有效功中，大約有60%用來克服空氣阻力，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油經(jīng)濟性提高約7%。因此，在“節(jié)能減排”的國家號召和現(xiàn)實需求下，提出行之有效的車輛減阻增穩(wěn)方法，顯得尤為迫切和重要。

生物界普遍存在的非光滑的表面形態(tài)通過控制邊界層改變物體表面流場，從而具有減阻功能[4-5]。同時，通過對魚類游動方式的研究發(fā)現(xiàn)，魚類中央鰭/對鰭的運動可以調(diào)整自身運動形態(tài)，對流經(jīng)身體表面的流動介質(zhì)實施干擾，可以提高其運動穩(wěn)定性[6-7]。上述仿生學(xué)研究成果為開展車輛仿生減阻增穩(wěn)研究提供了契機。文獻[8]中進行了具有非光滑表面的旋成體的風(fēng)洞試驗和數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)非光滑表面的減阻效果大約為5%。文獻[9]中研究了凹坑型非光滑車身表面的減阻特性，指出凹坑單元體矩形排列最大可達(dá)7.62%的減阻效果。文獻[10]中研究了非光滑表面尺寸和組合布置位置對汽車氣動性能的影響，指出行李艙蓋、車身尾部和車身底部非光滑單元體的合理組合與布置具有減阻效果。

然而，利用仿生結(jié)構(gòu)進行車輛氣動減阻增穩(wěn)，需要綜合考慮仿生結(jié)構(gòu)的形狀、空間位置和車輛行駛工況等影響。本文中利用CFD數(shù)值模擬的方法，研究在不同行駛工況下，具有仿生結(jié)構(gòu)的車輛空氣動力學(xué)特性規(guī)律，分析其減阻增穩(wěn)效果與內(nèi)在機理，為車輛仿生學(xué)研究和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原車模型計算和風(fēng)洞試驗

1.1 幾何模型的建立

對某轎車進行1∶1的幾何建模。由于計算條件的限制，忽略了輪胎胎紋、后視鏡和雨刮器等細(xì)微特征，對轎車底部也進行平整處理，簡化了輪胎模型；同時考慮到作用在輪胎上的阻力和升力對車輛空氣動力學(xué)特性的影響，將輪胎的旋轉(zhuǎn)運動施加到計算模型中。最終建立該車的幾何模型(如圖1所示)，其總長、總寬和總高分別為4.488，1.716和1.318m。

1.2 計算域的確定和網(wǎng)格劃分

根據(jù)汽車外流場CFD模擬經(jīng)驗[11]，計算域為長方體區(qū)域，長為15倍車長，其中出口距車身尾部10倍車長，寬為10倍車寬，高為5倍車高。在Hypermesh軟件中對幾何模型進行表面網(wǎng)格劃分，然后將表面網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFD軟件SC/Tetra進行體網(wǎng)格離散，及對車身、輪胎和地面的局部加密。在車身和輪胎表面插入邊界層網(wǎng)格，經(jīng)多次網(wǎng)格優(yōu)化和計算，使車身和輪胎表面Y+值介于5～1 000之間。整個計算域網(wǎng)格數(shù)約為2 600萬。

1.3 邊界條件

選取轎車行駛速度為120km/h。因此，計算域進口設(shè)為速度進口，其值為33.33m/s；地面設(shè)為運動壁面，速度與車輛行駛速度一致；車輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，并根據(jù)車速和車輪半徑求得其旋轉(zhuǎn)角速度為113.949rad/s；出口設(shè)為靜壓條件，其值為0；車身表面設(shè)為無滑移壁面，其余壁面為自由滑移壁面。

1.4 仿真結(jié)果和試驗驗證

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，根據(jù)該車CAD模型通過數(shù)控加工中心加工成1∶2的試驗?zāi)Ｐ?，并在回流式風(fēng)洞中進行了風(fēng)洞試驗，用六分力浮框式測力天平測量模型的氣動力。試驗風(fēng)速分別設(shè)為30，33.33和38.89m/s，其風(fēng)洞試驗如圖2所示。

通過風(fēng)洞試驗獲得該車模型阻力系數(shù)CD，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如表1所示。由表可見，車輛阻力系數(shù)計算誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程要求。

表1 車輛氣動性能仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

2 帶有仿生結(jié)構(gòu)的轎車計算模型

2.1 形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

在原車模型基礎(chǔ)上，為了提高車輛操縱穩(wěn)定性，在車尾部增加如圖3所示的擾流板結(jié)構(gòu)，同時，在后車窗和行李箱蓋上設(shè)計棱紋仿生結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)類似于渦流發(fā)生器的功能，其空氣動力學(xué)原理是提前將層流轉(zhuǎn)捩為湍流，以期延遲氣流的分離。而為了達(dá)到對邊界層內(nèi)空氣運動的干擾，必須將該棱紋仿生結(jié)構(gòu)的幾何尺寸控制在邊界層厚度范圍內(nèi)。通過計算，可得該車邊界層厚度為15.74mm。故本文中設(shè)計成L和H均為12mm的等腰三角形。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進行帶有仿生結(jié)構(gòu)的車輛幾何模型網(wǎng)格劃分時，采用與原車計算時相同的計算領(lǐng)域和網(wǎng)格處理規(guī)范。此外，對于車尾處仿生結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格細(xì)化。同樣經(jīng)多次網(wǎng)格優(yōu)化和CFD計算，保證整個車身和輪胎表面Y+值滿足計算要求。最終確定整個計算域網(wǎng)格數(shù)約為3 400萬。

2.3 計算方案

為了全面探究不同行駛車速下帶有形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)的轎車空氣動力學(xué)特性規(guī)律，選取不同行駛速度進行計算，具體方案見表2。

表2 計算方案

3 計算結(jié)果和分析

3.1 空氣流量分配對比

圖4為行駛速度為120km/h下，流經(jīng)轎車車身表面的空氣流量分配對比情況。由圖可見，帶有形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)的轎車車身上部空氣流量減小，底部流量提高。通過進一步計算發(fā)現(xiàn)，上下部氣流流速差由原來的5.34減小為4.83m/s，減幅9%，這會使車身上部與下部形成的壓力差發(fā)生明顯的變化，從而影響轎車的氣動升力特性。其余方案的仿真計算結(jié)果也符合這一變化規(guī)律。

3.2 縱向?qū)ΨQ面上速度矢量對比

圖5為行駛車速為20和120km/h時，縱向?qū)ΨQ面上空氣速度矢量圖。由圖可見，車身表面邊界層內(nèi)的空氣在逆壓梯度和黏性剪切力作用下，動能逐漸減少，直至不能再在車身表面上前進而脫離其表面，并倒流回來形成漩渦。帶有形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)的轎車在高速行駛過程中，車尾部存在更為明顯的上下兩個漩渦，使流經(jīng)擾流板下部低速空氣和車尾下部高速空氣被卷吸進該尾渦區(qū)。圖6為行駛車速為120km/h時，帶有形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)的轎車尾部棱紋溝槽內(nèi)氣流圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流經(jīng)過棱紋溝槽時，在溝槽內(nèi)部產(chǎn)生了與外部高速氣流方向相反的逆向氣流，形成渦墊效應(yīng)，從而降低了邊界層內(nèi)摩擦阻力，增加了表面氣流流動速度，使原本不能流動而即將從車身表面分離的氣流得以沿車身表面繼續(xù)流動，邊界層分離得以延遲。

3.3 縱向?qū)ΨQ面上總壓流譜云圖對比

圖7(a)為行駛車速為120km/h時，縱向?qū)ΨQ面車尾總壓流譜云圖。由圖可知，空氣沿原光滑車身表面流動時，在行李箱蓋末端和汽車底盤末端處失去了邊界限制，壓力得到釋放，出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。隨著距離汽車尾部距離的增大，大尺度的漩渦不斷分裂，逆流區(qū)域逐漸變小，直至與遠(yuǎn)流匯合。帶有仿生結(jié)構(gòu)的轎車由于擾流板的作用，使車底部低速氣流更多被卷吸進下尾渦區(qū)，導(dǎo)致下部漩渦區(qū)域面積擴大；同時，行李箱蓋上的棱紋仿生結(jié)構(gòu)進一步組織了尾部氣流運動，使上尾渦區(qū)上移，形成了近似對稱的上、下漩渦區(qū)，防止外界高速氣流對內(nèi)部低速氣流的引射作用。此外，通過計算還發(fā)現(xiàn)，在行駛速度較低時，在擾流板前方還會出現(xiàn)一負(fù)壓漩渦區(qū)，如圖7(b)所示。

3.4 各方案升/阻力系數(shù)變化規(guī)律

圖8為不同行駛車速下有無形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)對升/阻力系數(shù)的變化曲線。由圖可知，帶有仿生形態(tài)結(jié)構(gòu)的轎車阻力系數(shù)和升力系數(shù)都有一定程度的降低，其中升力系數(shù)下降幅度較大。這也恰好證明采用仿生結(jié)構(gòu)的確可以起到減小阻力和提高車身穩(wěn)定性的目的。

為了進一步定量分析仿生結(jié)構(gòu)在不同行駛車速條件下的減阻增穩(wěn)效果，引入升/阻力系數(shù)變化率指標(biāo)，其計算公式為

ΔC=(CX-CX0)/CX0×100%

(1)

式中：CX為阻力系數(shù)CD或是升力系數(shù)CL；CX0為原車阻力系數(shù)或升力系數(shù)。

表3為帶有仿生結(jié)構(gòu)的轎車阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化率隨行駛車速的變化情況。從表中可以看出，行駛速度為100km/h時獲得最大的減阻率；另一方面，在相對較高的行駛速度下，采用帶有擾流板和棱紋溝槽的仿生結(jié)構(gòu)的車輛升力系數(shù)比原車下降55%～70%。因而，在高速行駛時，后輪附著力顯著增大，轎車操縱性能得到提升，可以起到較為明顯的增穩(wěn)效果。

表3 阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化率

注：“-”表示減小。

4 結(jié)論

(1) 對原車不同行駛速度下的空氣動力學(xué)特性進行了數(shù)值模擬，通過對比風(fēng)洞試驗結(jié)果可知，車輛阻力系數(shù)誤差在5%以內(nèi)。

(2) 在原轎車車尾部位增加擾流板和非光滑棱紋結(jié)構(gòu)，對帶有仿生結(jié)構(gòu)的車輛進行數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果表明，棱紋形態(tài)的仿生表面能夠延遲氣流分離，較好地梳理了尾部氣流；同時，擾流板結(jié)構(gòu)大大降低了升力系數(shù)，能夠起到增穩(wěn)的效果。

(3) 不同行駛車速下對比了有無形態(tài)仿生結(jié)構(gòu)對升阻力系數(shù)的影響。計算結(jié)果表明，在高速行駛時，采用帶有擾流板和棱紋溝槽的仿生結(jié)構(gòu)，最大減阻率為2.59%，升力系數(shù)下降幅度在55%以上。

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A Simulation Study on the Aerodynamic Characteristics of a Vehicle withBiomimetic Structure for Drag Reduction and Stability Enhancement

Ni Jie1, Liu Zhiqiang1, Hu Guoliang1& Fan Qinyin2

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.SchoolofEngineering,OsakaUniversity,Osaka5650871

The effects of bionic structure on the aerodynamics characteristics of a car are studied by CFD numerical simulation in this paper. Firstly a simulation on the aerodynamic drag coefficient of original car is conducted under different driving speeds, with its effectiveness verified by wind tunnel test. Then a spoiler is added and an unsmooth biomimetic ridge structure is adopted on the rear end surface of the car with a simulation on its aerodynamic characteristics performed. The results show that the ridge-shaped bionic surface can delay the separation of airflow, better carding its wake flow. The adoption of spoiler and bionic ridge structure produces a significant effect of drag reduction and stability enhancement in high speed driving, with a drag reduction rate up to 2.59% and an over 55% drop in lift coefficient.

vehicle; aerodynamics characteristics; engineering bionics; drag reduction and stability enhancement; CFD

*教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20113227110014)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12_0657)資助。

原稿收到日期為2014年4月24日，修改稿收到日期為2014年7月3日。