廖 洪，盧耀輝，王慶洋，尹小春，史瀟博，唐艷輝

（1.西南交通大學機械工程學院，成都610031；2.中國汽車工程研究院股份有限公司風洞中心，重慶401122）

前言

汽車高速行駛時的燃油經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性與車輛的空氣動力學性能息息相關(guān)，汽車行駛過程中所受到的氣動阻力和氣動升力與車速的平方成正比，當汽車的行駛速度為80 km/h時，汽車用來克服風阻的能耗大約占總能耗的50%［1］，并且隨著車速的提升，所產(chǎn)生的氣動升力也增大，這將使汽車產(chǎn)生“發(fā)漂”現(xiàn)象［2］。擴散器是賽車上重要的氣動裝置之一（圖1），被用來降低賽車的氣動升力，相關(guān)研究結(jié)果表明，擴散器為賽車提供的下壓力約占40%［3］。

圖1 擴散器在賽車上的應用

1988年，F(xiàn)rank Kinematics首次提出汽車擴散器的概念，并將其應用在賽車上［4］，1994年Andress Ruhrman發(fā)表了首篇闡述擴散器是如何增加賽車下壓力的論文，由于地面效應，擴散器使底部氣流快速通過，從而減小了底部靜壓，使整車上下壓差增大，從而增大下壓力［5］。近年來，擴散器被廣泛地應用在乘用車上，對擴散器的研究也隨之大量出現(xiàn)，有研究表明，合理地設(shè)計擴散器可以使車輛既能有效地減小氣動阻力，又能降低氣動升力［6-7］。Hu等研究了一種直板式的擴散器在不同擴散角時對氣動性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著擴散角的增大，汽車的氣動阻力系數(shù)先減小后增大，而氣動升力系數(shù)則呈現(xiàn)減小趨勢［8］。此外，也有相關(guān)學者從車底部和尾部流場控制的角度對汽車擴散器進行了研究，Lai等通過試驗和仿真的方法在階背式模型上研究了直板式擴散器角度與氣動阻力的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同擴散器角度下整車尾流結(jié)構(gòu)有很大差異，隨著擴散器角度的增大，車尾上洗氣流形成的尾渦向上移動，使車尾部湍流區(qū)域減小，進而使整車氣動阻力減?。?］。Huminic等發(fā)現(xiàn)后輪區(qū)域產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)對擴散器的空氣動力學性能有很大影響，后輪渦結(jié)構(gòu)與擴散器區(qū)域流場存在較強的耦合，合理地控制后輪區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)，可以改善擴散器的性能［10］。楊易等比較了加大擴散器區(qū)域、在擴散域內(nèi)安裝擾流板、在擾流板上設(shè)計仿生非光滑表面3種不同擴散器結(jié)構(gòu)方案對整車氣動阻力和氣動升力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前兩種方案使氣動升力大幅減小，但也使得氣動阻力增加，第3種方案能夠在降低氣動阻力的同時大幅減小氣動升力［11］。南瓊等通過在FASE賽車擴散器上加裝三角翼片，發(fā)現(xiàn)對氣動阻力影響較小，對氣動升力影響較大，且三角翼片越多，對氣動升力改善越顯著［12］，因此，翼片式擴散器在整車氣動特性的控制上具有很大潛力。

本文中提出了一種帶側(cè)翼式的擴散器，并將其安裝在CAERI Aero Model標準模型上，通過與直板式擴散器對比在不同擴散器出口角度下的整車氣動阻力和下壓力，研究這種擴散器對整車氣動性能的影響，為后續(xù)的乘用車擴散器優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 模型的建立與試驗驗證

1.1 標準幾何模型

本文中的研究對象是中國汽車工程研究院研發(fā)的感知型CAERI Aero Model標準模型，該模型不僅具有傳統(tǒng)汽車標準模型支撐汽車外氣動造型設(shè)計優(yōu)化和開展風洞試驗對標與校準等功能，還配備了多種傳感器，可實現(xiàn)環(huán)境物理量參數(shù)實時測量和模型與測量系統(tǒng)間的信息交互。它有階背、快背、方背和皮卡4種尾部造型，如圖2所示［13］。本文中以1∶1階背式整車模型為研究對象，模型的長、寬、高和底盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 CAERI Aero Model 4種尾部造型示意圖

圖3 CAERI Aero Model 1∶1階背式整車模型

1.2 仿真模型

為了保證計算精度，使計算域邊界不影響車輛周圍的流動特性，計算域長寬高應分別大于12倍車長、7倍車寬和7倍車高，車前端距離入口應大于3倍車長，車后端距離出口應大于8倍車長，計算域尺寸如圖4所示。阻塞比為0.5%，采用速度入口和壓力出口，入口速度為120 km/h，湍流強度為1%，出口相對壓力為零，車身表面為靜止無滑移壁面，計算域兩端邊界和上表面為靜止滑移壁面。在汽車行駛車輪旋轉(zhuǎn)時其流場十分復雜，現(xiàn)有的仿真方法對此種復雜流場計算不夠準確。為保證帶擴散器整車計算的有效性和準確性，本文中選用了靜止車輪和靜止地面的仿真方法［14-15］。

圖4 計算域

使用ANSA劃分面網(wǎng)格，導入STAR CCM+中劃分體網(wǎng)格，使用六面體非結(jié)構(gòu)化Trimmer網(wǎng)格對計算域進行離散，在車身壁面和地面生成2層邊界層，增長率為1.5，邊界層總厚度為2 mm。為了更好地模擬車身周圍流場并提高計算效率，設(shè)置4層網(wǎng)格加密區(qū)，車頭前端進氣格柵處、后視鏡、A柱、車身底部、擴散器和車身尾部設(shè)置為第1層加密區(qū)，體網(wǎng)格尺寸為8 mm，另外3層依次向外擴展，總的體網(wǎng)格數(shù)為2 363萬，縱向?qū)ΨQ截面網(wǎng)格加密展示如圖5所示。數(shù)值計算采用定常條件下的雷諾平均方法（RANS），湍流模型選用基于可實現(xiàn)的k-ε湍流模型，采用2階迎風格式進行離散，計算迭代步數(shù)為5 000步。

圖5 Y0截面網(wǎng)格加密圖

1.3 風洞試驗驗證

采用1∶1階背式CAERI Aero Model模型進行風洞試驗驗證，利用風洞氣動六分力天平測量模型的氣動力。試驗風速為120 km/h，五帶系統(tǒng)關(guān)閉，車輪處于靜止狀態(tài)，車身姿態(tài)調(diào)整為前輪眉邊緣距地面674 mm，后輪眉邊緣距地面670 mm。如圖6所示，通過氣動六分力天平輸出車輛的氣動阻力和升力，根據(jù)式（1）和式（2）可以計算氣動阻力系數(shù)CD和氣動升力系數(shù)CL：

圖6 CAERI Aero Model模型風洞試驗

式中：FD為氣動阻力；FL為氣動升力；ρ為空氣密度；U為氣流速度。

試驗測得的模型正投影面積和風阻系數(shù)與CFD仿真得到模型正投影面積和風阻系數(shù)如表1所示。從表中可以看出，CFD計算結(jié)果相對試驗測試得到數(shù)據(jù)的正投影面積誤差為0.2%，風阻系數(shù)誤差為0.8%，皆在可接受的范圍以內(nèi)，驗證了本文中數(shù)值仿真的可靠性，可用于后續(xù)關(guān)于擴散器對整車氣動性能影響的研究。

表1 正投影面積和風阻系數(shù)的試驗仿真值對比

2 帶側(cè)翼式擴散器對整車氣動性能的影響

直板式和帶側(cè)翼式擴散器結(jié)構(gòu)如圖7所示，后者中間為向后逐漸擴張的平滑過渡曲面，兩側(cè)帶有側(cè)翼用以阻擋底部氣流向兩側(cè)擴張，總體上呈現(xiàn)為喇叭口的形狀。圖8為擴張器在車上安裝的示意圖，其前、后端分別與車底板和車尾后圍板連接。為研究兩種擴散器不同的安裝角α對整車氣動性能的影響，在角度為3°~12°范圍、間隔為1.5°的共7個角度下整車的氣動性能和流場特性進行仿真。

圖7 兩種擴散器

圖8 擴散器安裝示意圖

車輛離地間隙對擴散器的效率有很大影響［16］，為了排除離地間隙的影響因素，每種狀態(tài)的離地間隙設(shè)為一致。仿真結(jié)果兩種擴散器在不同安裝角度下的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)如表2和表3所示。

表2 風阻系數(shù)對比

由表2可知，帶側(cè)翼式擴散器相對于直板式擴散器會使氣動阻力略微增大，增大的范圍在3 cts以內(nèi)，說明帶側(cè)翼式擴散器對風阻系數(shù)的影響不明顯。由表3可知，相比直板式擴散器，帶側(cè)翼式擴散器在降低氣動升力、提升車輛下壓力效果明顯，在各個角度整車氣動升力系數(shù)均有不同程度的降低，特別是在出口角度為10.5°時，降低的程度最大，達到了38.1%。

表3 升力系數(shù)對比

不同擴散器角度下氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)變化曲線如圖9和圖10所示。根據(jù)圖9，兩種類型擴散器在擴散器角度為3°時，整車的風阻系數(shù)都是最低的，并且隨著角度的增加，風阻系數(shù)呈增長的趨勢。從圖10可知，隨著擴散器角度的增大，兩種擴散器狀態(tài)下氣動升力的表現(xiàn)趨勢相同，都是先減小到最低點，然后再增加。帶側(cè)翼式擴散器CL在α=10.5°到達最低值0.026，而直板式擴散器CL在α=9°到達最低值0.039，遠高于帶側(cè)翼擴散器最低值；且當擴散器角度α大于7.5°時，帶側(cè)翼式擴散器降低升力效果遠遠優(yōu)于直板式擴散器。這表明α大于7.5°后，帶側(cè)翼擴散器降低升力效果更明顯，且有一個性能最優(yōu)的α設(shè)計角度，即10.5°。

圖9 不同擴散器角度下氣動阻力系數(shù)變化曲線

圖10 不同擴散器角度下氣動升力系數(shù)變化曲線

2.1 流場湍動能分析

擴散器能夠改變車輛底部和尾部的流場，但對車輛前部和流經(jīng)車身上部的氣流影響不大。對于整車氣動阻力，主要部分來自于車輛前后的壓差，擴散器能夠影響車輛尾部流場，改變車尾處的壓力，從而影響整車氣動阻力；對于氣動升力，主要是來自于在車輛行駛過程中，車身上部流場和車身底部流場之間產(chǎn)生的壓力差，擴散器通過影響車輛底部流場，改變車輛底部的壓力，從而影響氣動升力。湍動能圖能夠反映流場流動狀態(tài)，湍動能越大，表明此處湍流速度脈動越劇烈，損失的能量越多，壓力也就越小。降低湍動能強度，減小湍流范圍，能夠有效降低氣流分離帶來的能量損失，提高相應位置的壓力，因此流場湍動能分布是整車流場分析的重要考察指標。圖11為直板式擴散器和帶側(cè)翼式擴散器模型車在距離車尾200 mm處垂直于車身縱向軸線截面的湍動能圖，對比分析如下。

圖11 尾部200 mm YZ平面上湍動能圖

（1）當擴散器角度α=3°時，兩種擴散器狀態(tài)下尾部流場總體變化不大，擴散器結(jié)構(gòu)形式的改變主要影響了車身底部氣流和兩側(cè)流經(jīng)車輪區(qū)域后的氣流，對車尾上部區(qū)域流場影響不大，底部氣流湍流范圍的變化也不明顯，如圖11（a）和圖11（b）所示。帶側(cè)翼式擴散器在區(qū)域2、3、4處的湍動能強度與湍流范圍變化不大，但在區(qū)域1處的湍動能強度升高，這應是導致此工況下氣動阻力略微升高的主要原因。

（2）當擴散器角度α=6°時，擴散器結(jié)構(gòu)的變化對車尾上部的流場影響不大，對車尾下部流場影響顯著，如圖11（c）和圖11（d）所示。在側(cè)翼式擴散器狀態(tài)下區(qū)域1、2、3、4處的湍動能強度明顯增大，并且區(qū)域1處的湍流范圍也比直板式擴散器狀態(tài)下湍流范圍顯著增大，這些情況導致氣流在這些區(qū)域流動分離增強，氣流速度脈動強，能量耗散嚴重，使氣動阻力升高。

（3）當擴散器角度α=9°時，隨著擴散器角度的增大，車底經(jīng)擴散器流出的氣流已經(jīng)影響到了車尾上部的流場，如圖11（e）和圖11（f）所示。對于直板式擴散器狀態(tài)，擴散器角度從6°增加到9°時，區(qū)域5和區(qū)域6的湍動能強度顯著增大。側(cè)翼式擴散器狀態(tài)下，底部氣流對區(qū)域5和區(qū)域6的影響不大，兩處的湍動能強度比直板式擴散器明顯更低，但區(qū)域1、2、3處的湍動能強度升高，湍流范圍增大，區(qū)域4的湍動能強度略微減小?？梢妭?cè)翼式擴散器對于車尾上部和下部的影響作用是相反的，車尾上部的流動分離減弱，車尾下部的流動分離增強，導致上部壓力更高，下部壓力更低，由于背部上下區(qū)域的壓力變化趨勢相反，導致氣動阻力僅有略微增大。

另外，由圖可見，在加裝帶側(cè)翼式擴散器后，隨著擴散器角度的增加，能夠有效降低車底氣流對車尾上部流場的干擾，減小車尾上部氣流的紊亂程度，減弱流動分離。但由于兩側(cè)翼板對氣流的阻擋，增加了底部氣流的紊亂程度，在兩側(cè)流經(jīng)車輪區(qū)域流場的相互作用下，使尾部下部區(qū)域的湍流范圍和湍動能強度增大，降低了車尾下部壓力，因此擴散器對氣動阻力的影響需要綜合考慮車尾部的上下壓力分布。

α=9°時不同縱截面上的車輛尾部壓力分布如圖12所示，分別截取了Y=0、-0.2、-0.4、-0.6、-1 m截面向上發(fā)展的壓力曲線。由圖可知，與直板式擴散器相比，帶側(cè)翼式擴散器在各個截面都會使車尾下部的負壓增大，但在車尾上部，壓力與直板式擴散器接近，且在Y=0、-0.2、-0.4、-0.6 m時局部區(qū)域負壓還比直板式擴散器更小，在車尾上下部壓力變化綜合作用下，使帶側(cè)翼式擴散器的氣動阻力略微增大。這與圖11中得出的結(jié)論一致。

圖12 α=9°時尾部200 mm平面Z向壓力曲線

降低車輛在行駛過程中產(chǎn)生的氣動升力對于提升車輛的行駛穩(wěn)定性十分重要，通過對車身底部流場的研究，可以找到兩種擴散器狀態(tài)下車輛氣動升力產(chǎn)生差異的原因。

圖13 為直板式擴散器和帶側(cè)翼式擴散器在不同擴散器角度下距地面高度200 mmXY截面（車底平面）的湍動能對比圖，它能夠在一定程度上反映兩種擴散器狀態(tài)下車輛底部的流場情況。由圖可知，由于擴散器安裝在底盤后部，主要影響后部底盤車底氣流和車尾氣流，對前部底盤底部的流場基本不產(chǎn)生影響，對比分析如下。

（1）當擴散器角度α=3°時，兩種擴散器狀態(tài)下車底流場差異不大，沿后輪內(nèi)側(cè)分離出來的渦，在帶側(cè)翼式擴散器的作用下湍動能強度增大，在此處的能量損失增大，但是增大的區(qū)域已經(jīng)流出了車底，如圖13（a）和圖13（b）的區(qū)域2和區(qū)域3所示，使其對車底的壓力影響較小，因此氣動升力變化也較小，反而使車尾處的壓力降低，增大整車的氣動阻力。

圖13 距地面高度200 mm XY平面上湍動能圖

（2）當擴散器角度α=6°時，在帶側(cè)翼式擴散器的作用下左后輪后面的湍流區(qū)域大幅增加，如圖13（d）區(qū)域4所示，左右后輪沿內(nèi)測分離渦的湍動能強度增大，并且增大的區(qū)域向前移動至車尾底部，如圖13（c）和圖13（d）區(qū)域2和區(qū)域3所示，這導致車底處的壓力減小，使車輛下壓力增大，即升力減小。但在車尾后部區(qū)域湍流強度也大幅增大，使得整車氣動阻力也增大。

（3）當擴散器角度α=9°時，底部氣流在帶側(cè)翼式擴散器的作用下，使沿右后輪內(nèi)側(cè)流出的分離渦湍動能增大，并且高能區(qū)域向前移動，出現(xiàn)在車尾底部，同時又使得流出車底的氣流湍動能和湍流范圍大幅降低，如圖13（e）和圖13（f）的區(qū)域2所示。以上流場變化使得在此狀態(tài)下車輛下壓力增大。左后輪沿車輪內(nèi)外側(cè)分離出來的渦在帶側(cè)翼式擴散器的作用下，內(nèi)側(cè)渦的湍動能增大，且高能區(qū)域向前移動至車底，如圖13（e）和圖13（f）的區(qū)域3所示，這也有利于提升車輛的下壓力；外側(cè)渦的湍流范圍增大，如圖13（e）和圖13（f）的區(qū)域4所示，對氣動阻力的降低有不利影響。

擴散器底部平面壓力分布如圖14所示，分別截取了Y=0.2、0.6、0.9 m 3個截面向車后發(fā)展的壓力曲線圖。由圖可見，在各個截面上帶側(cè)翼式擴散器的壓力變化趨勢都與直板式擴散器一致，并且各個點的壓力均低于直板式擴散器，使得上下車身的壓力差增大，增大了整車的下壓力，這與圖13中得出的關(guān)于氣動升力的結(jié)論一致。

圖14 α=9°時距地面200 mm平面X向壓力曲線

2.2 時均流場分析

研究車輛底部和尾部的時均流場，可以找到兩處湍動能產(chǎn)生變化的原因。從上面討論中可知，當擴散器角度α=9°時擴散器底部和車輛尾部的湍動能變化明顯，圖15為擴散器角度α=9°時流經(jīng)擴散器底部氣流的流線圖。可以看出，在直板式擴散器狀態(tài)下擴散器底部氣流直接、快速地向后流動，進入復雜的尾渦區(qū)域，圖16為α=9°時車輛尾部流線圖。由圖可見，高能量的底部氣流已經(jīng)影響到車尾上部的流場，兩者在相互作用下使尾部流場更加復雜，湍流區(qū)域增大。在帶側(cè)翼式擴散器的作用下，底部氣流被分為4個部分，中間兩部分沿擴散器表面快速地向后流動，進入尾流區(qū)，兩側(cè)的氣流分別沿著擴散器兩翼向外擴展，由于中間部分流入尾渦區(qū)域的氣流減小，能量也隨之減小，使其對車尾上部分流場影響減小，這是車尾上部湍動能減小的原因。沿擴散器兩翼向外發(fā)展的氣流形成了一對向后發(fā)展的流向渦，在發(fā)展過程中和上車身在車尾處分流出來的渦相互融合，形成了一對高能的流向渦，使車尾下部的湍動能增大，此流向渦對應著圖11中的區(qū)域2和區(qū)域3，也對應著圖13中沿車輪內(nèi)側(cè)分離出的區(qū)域2和區(qū)域3高能湍流區(qū)域。

圖15 α=9°時擴散器底部流線圖

圖16 α=9°時車輛尾部流線圖

圖17 展現(xiàn)了兩側(cè)流向渦的起源。從圖中可以看出，流出車輪內(nèi)側(cè)區(qū)域的氣流在帶側(cè)翼式擴散器的作用下，沿著側(cè)翼的棱角處發(fā)生了分離，形成了沿著側(cè)翼向后發(fā)展的流向渦。

圖17 擴散器側(cè)翼處流線圖

由上述分析可知，此流向渦對車底和車尾區(qū)域的流場影響很大，是導致氣動阻力和氣動升力產(chǎn)生差異的主要原因。

3 結(jié)論

本文中以CAERI Aero Model階背式標準模型為研究對象，使用計算流體力學方法研究了一種帶側(cè)翼式汽車擴散器對整車氣動阻力和升力的影響，對比分析了在不同安裝角度下此種擴散器和普通的直板式擴散器氣動特性和外流場的差異，得出了以下結(jié)論。

（1）帶側(cè)翼式擴散器能有效改善車底和車尾的流場，使車底的湍動能增大，壓力降低，從而增大整車的下壓力。在安裝角度為3°~12°時提供的下壓力均要大于直板式擴散器，在擴散器角度α=10.5°時提供的下壓力最大，比直板式擴散器提供的下壓力大38.1%。

（2）帶側(cè)翼式擴散器使車尾下部的湍動能增大，壓力降低，但能夠減小底部氣流對車尾上部流場的干擾，使車尾上部的湍動能減小，壓力增加，兩者對阻力的作用相反，因此在整車上帶側(cè)翼式擴散器對風阻系數(shù)的影響不大。與直板式擴散器相比，帶側(cè)翼式擴散器使整車氣動阻力略微增大，增幅只在3 cts以內(nèi)。