廖 洪,盧耀輝,王慶洋,尹小春,史瀟博,唐艷輝
(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都610031;2.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司風(fēng)洞中心,重慶401122)
汽車高速行駛時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性與車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能息息相關(guān),汽車行駛過程中所受到的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力與車速的平方成正比,當(dāng)汽車的行駛速度為80 km/h時(shí),汽車用來克服風(fēng)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(dòng)升力也增大,這將使汽車產(chǎn)生“發(fā)漂”現(xiàn)象[2]。擴(kuò)散器是賽車上重要的氣動(dòng)裝置之一(圖1),被用來降低賽車的氣動(dòng)升力,相關(guān)研究結(jié)果表明,擴(kuò)散器為賽車提供的下壓力約占40%[3]。
圖1 擴(kuò)散器在賽車上的應(yīng)用
1988年,F(xiàn)rank Kinematics首次提出汽車擴(kuò)散器的概念,并將其應(yīng)用在賽車上[4],1994年Andress Ruhrman發(fā)表了首篇闡述擴(kuò)散器是如何增加賽車下壓力的論文,由于地面效應(yīng),擴(kuò)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(kuò)散器被廣泛地應(yīng)用在乘用車上,對(duì)擴(kuò)散器的研究也隨之大量出現(xiàn),有研究表明,合理地設(shè)計(jì)擴(kuò)散器可以使車輛既能有效地減小氣動(dòng)阻力,又能降低氣動(dòng)升力[6-7]。Hu等研究了一種直板式的擴(kuò)散器在不同擴(kuò)散角時(shí)對(duì)氣動(dòng)性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著擴(kuò)散角的增大,汽車的氣動(dòng)阻力系數(shù)先減小后增大,而氣動(dòng)升力系數(shù)則呈現(xiàn)減小趨勢(shì)[8]。此外,也有相關(guān)學(xué)者從車底部和尾部流場(chǎng)控制的角度對(duì)汽車擴(kuò)散器進(jìn)行了研究,Lai等通過試驗(yàn)和仿真的方法在階背式模型上研究了直板式擴(kuò)散器角度與氣動(dòng)阻力的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同擴(kuò)散器角度下整車尾流結(jié)構(gòu)有很大差異,隨著擴(kuò)散器角度的增大,車尾上洗氣流形成的尾渦向上移動(dòng),使車尾部湍流區(qū)域減小,進(jìn)而使整車氣動(dòng)阻力減小[9]。Huminic等發(fā)現(xiàn)后輪區(qū)域產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散器的空氣動(dòng)力學(xué)性能有很大影響,后輪渦結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散器區(qū)域流場(chǎng)存在較強(qiáng)的耦合,合理地控制后輪區(qū)域的渦結(jié)構(gòu),可以改善擴(kuò)散器的性能[10]。楊易等比較了加大擴(kuò)散器區(qū)域、在擴(kuò)散域內(nèi)安裝擾流板、在擾流板上設(shè)計(jì)仿生非光滑表面3種不同擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)方案對(duì)整車氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)前兩種方案使氣動(dòng)升力大幅減小,但也使得氣動(dòng)阻力增加,第3種方案能夠在降低氣動(dòng)阻力的同時(shí)大幅減小氣動(dòng)升力[11]。南瓊等通過在FASE賽車擴(kuò)散器上加裝三角翼片,發(fā)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)阻力影響較小,對(duì)氣動(dòng)升力影響較大,且三角翼片越多,對(duì)氣動(dòng)升力改善越顯著[12],因此,翼片式擴(kuò)散器在整車氣動(dòng)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(kuò)散器,并將其安裝在CAERI Aero Model標(biāo)準(zhǔn)模型上,通過與直板式擴(kuò)散器對(duì)比在不同擴(kuò)散器出口角度下的整車氣動(dòng)阻力和下壓力,研究這種擴(kuò)散器對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響,為后續(xù)的乘用車擴(kuò)散器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
本文中的研究對(duì)象是中國(guó)汽車工程研究院研發(fā)的感知型CAERI Aero Model標(biāo)準(zhǔn)模型,該模型不僅具有傳統(tǒng)汽車標(biāo)準(zhǔn)模型支撐汽車外氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)優(yōu)化和開展風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)標(biāo)與校準(zhǔn)等功能,還配備了多種傳感器,可實(shí)現(xiàn)環(huán)境物理量參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量和模型與測(cè)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(duì)象,模型的長(zhǎng)、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
為了保證計(jì)算精度,使計(jì)算域邊界不影響車輛周圍的流動(dòng)特性,計(jì)算域長(zhǎng)寬高應(yīng)分別大于12倍車長(zhǎng)、7倍車寬和7倍車高,車前端距離入口應(yīng)大于3倍車長(zhǎng),車后端距離出口應(yīng)大于8倍車長(zhǎng),計(jì)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(qiáng)度為1%,出口相對(duì)壓力為零,車身表面為靜止無滑移壁面,計(jì)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(shí)其流場(chǎng)十分復(fù)雜,現(xiàn)有的仿真方法對(duì)此種復(fù)雜流場(chǎng)計(jì)算不夠準(zhǔn)確。為保證帶擴(kuò)散器整車計(jì)算的有效性和準(zhǔn)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(jì)算域
使用ANSA劃分面網(wǎng)格,導(dǎo)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(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散,在車身壁面和地面生成2層邊界層,增長(zhǎng)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(chǎng)并提高計(jì)算效率,設(shè)置4層網(wǎng)格加密區(qū),車頭前端進(jìn)氣格柵處、后視鏡、A柱、車身底部、擴(kuò)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(kuò)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(jì)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(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型,采用2階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散,計(jì)算迭代步數(shù)為5 000步。
圖5 Y0截面網(wǎng)格加密圖
采用1∶1階背式CAERI Aero Model模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證,利用風(fēng)洞氣動(dòng)六分力天平測(cè)量模型的氣動(dòng)力。試驗(yàn)風(fēng)速為120 km/h,五帶系統(tǒng)關(guān)閉,車輪處于靜止?fàn)顟B(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(dòng)六分力天平輸出車輛的氣動(dòng)阻力和升力,根據(jù)式(1)和式(2)可以計(jì)算氣動(dòng)阻力系數(shù)CD和氣動(dòng)升力系數(shù)CL:
圖6 CAERI Aero Model模型風(fēng)洞試驗(yàn)
式中:FD為氣動(dòng)阻力;FL為氣動(dòng)升力;ρ為空氣密度;U為氣流速度。
試驗(yàn)測(cè)得的模型正投影面積和風(fēng)阻系數(shù)與CFD仿真得到模型正投影面積和風(fēng)阻系數(shù)如表1所示。從表中可以看出,CFD計(jì)算結(jié)果相對(duì)試驗(yàn)測(cè)試得到數(shù)據(jù)的正投影面積誤差為0.2%,風(fēng)阻系數(shù)誤差為0.8%,皆在可接受的范圍以內(nèi),驗(yàn)證了本文中數(shù)值仿真的可靠性,可用于后續(xù)關(guān)于擴(kuò)散器對(duì)整車氣動(dòng)性能影響的研究。
表1 正投影面積和風(fēng)阻系數(shù)的試驗(yàn)仿真值對(duì)比
直板式和帶側(cè)翼式擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)如圖7所示,后者中間為向后逐漸擴(kuò)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(kuò)張,總體上呈現(xiàn)為喇叭口的形狀。圖8為擴(kuò)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?jī)煞N擴(kuò)散器不同的安裝角α對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響,在角度為3°~12°范圍、間隔為1.5°的共7個(gè)角度下整車的氣動(dòng)性能和流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真。
圖7 兩種擴(kuò)散器
圖8 擴(kuò)散器安裝示意圖
車輛離地間隙對(duì)擴(kuò)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(kuò)散器在不同安裝角度下的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)如表2和表3所示。
表2 風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比
由表2可知,帶側(cè)翼式擴(kuò)散器相對(duì)于直板式擴(kuò)散器會(huì)使氣動(dòng)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(kuò)散器對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響不明顯。由表3可知,相比直板式擴(kuò)散器,帶側(cè)翼式擴(kuò)散器在降低氣動(dòng)升力、提升車輛下壓力效果明顯,在各個(gè)角度整車氣動(dòng)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(shí),降低的程度最大,達(dá)到了38.1%。
表3 升力系數(shù)對(duì)比
不同擴(kuò)散器角度下氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)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(kuò)散器在擴(kuò)散器角度為3°時(shí),整車的風(fēng)阻系數(shù)都是最低的,并且隨著角度的增加,風(fēng)阻系數(shù)呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從圖10可知,隨著擴(kuò)散器角度的增大,兩種擴(kuò)散器狀態(tài)下氣動(dòng)升力的表現(xiàn)趨勢(shì)相同,都是先減小到最低點(diǎn),然后再增加。帶側(cè)翼式擴(kuò)散器CL在α=10.5°到達(dá)最低值0.026,而直板式擴(kuò)散器CL在α=9°到達(dá)最低值0.039,遠(yuǎn)高于帶側(cè)翼擴(kuò)散器最低值;且當(dāng)擴(kuò)散器角度α大于7.5°時(shí),帶側(cè)翼式擴(kuò)散器降低升力效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于直板式擴(kuò)散器。這表明α大于7.5°后,帶側(cè)翼擴(kuò)散器降低升力效果更明顯,且有一個(gè)性能最優(yōu)的α設(shè)計(jì)角度,即10.5°。
圖9 不同擴(kuò)散器角度下氣動(dòng)阻力系數(shù)變化曲線
圖10 不同擴(kuò)散器角度下氣動(dòng)升力系數(shù)變化曲線
擴(kuò)散器能夠改變車輛底部和尾部的流場(chǎng),但對(duì)車輛前部和流經(jīng)車身上部的氣流影響不大。對(duì)于整車氣動(dòng)阻力,主要部分來自于車輛前后的壓差,擴(kuò)散器能夠影響車輛尾部流場(chǎng),改變車尾處的壓力,從而影響整車氣動(dòng)阻力;對(duì)于氣動(dòng)升力,主要是來自于在車輛行駛過程中,車身上部流場(chǎng)和車身底部流場(chǎng)之間產(chǎn)生的壓力差,擴(kuò)散器通過影響車輛底部流場(chǎng),改變車輛底部的壓力,從而影響氣動(dòng)升力。湍動(dòng)能圖能夠反映流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài),湍動(dòng)能越大,表明此處湍流速度脈動(dòng)越劇烈,損失的能量越多,壓力也就越小。降低湍動(dòng)能強(qiáng)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(yīng)位置的壓力,因此流場(chǎng)湍動(dòng)能分布是整車流場(chǎng)分析的重要考察指標(biāo)。圖11為直板式擴(kuò)散器和帶側(cè)翼式擴(kuò)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(dòng)能圖,對(duì)比分析如下。
圖11 尾部200 mm YZ平面上湍動(dòng)能圖
(1)當(dāng)擴(kuò)散器角度α=3°時(shí),兩種擴(kuò)散器狀態(tài)下尾部流場(chǎng)總體變化不大,擴(kuò)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(duì)車尾上部區(qū)域流場(chǎng)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(kuò)散器在區(qū)域2、3、4處的湍動(dòng)能強(qiáng)度與湍流范圍變化不大,但在區(qū)域1處的湍動(dòng)能強(qiáng)度升高,這應(yīng)是導(dǎo)致此工況下氣動(dòng)阻力略微升高的主要原因。
(2)當(dāng)擴(kuò)散器角度α=6°時(shí),擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的變化對(duì)車尾上部的流場(chǎng)影響不大,對(duì)車尾下部流場(chǎng)影響顯著,如圖11(c)和圖11(d)所示。在側(cè)翼式擴(kuò)散器狀態(tài)下區(qū)域1、2、3、4處的湍動(dòng)能強(qiáng)度明顯增大,并且區(qū)域1處的湍流范圍也比直板式擴(kuò)散器狀態(tài)下湍流范圍顯著增大,這些情況導(dǎo)致氣流在這些區(qū)域流動(dòng)分離增強(qiáng),氣流速度脈動(dòng)強(qiáng),能量耗散嚴(yán)重,使氣動(dòng)阻力升高。
(3)當(dāng)擴(kuò)散器角度α=9°時(shí),隨著擴(kuò)散器角度的增大,車底經(jīng)擴(kuò)散器流出的氣流已經(jīng)影響到了車尾上部的流場(chǎng),如圖11(e)和圖11(f)所示。對(duì)于直板式擴(kuò)散器狀態(tài),擴(kuò)散器角度從6°增加到9°時(shí),區(qū)域5和區(qū)域6的湍動(dòng)能強(qiáng)度顯著增大。側(cè)翼式擴(kuò)散器狀態(tài)下,底部氣流對(duì)區(qū)域5和區(qū)域6的影響不大,兩處的湍動(dòng)能強(qiáng)度比直板式擴(kuò)散器明顯更低,但區(qū)域1、2、3處的湍動(dòng)能強(qiáng)度升高,湍流范圍增大,區(qū)域4的湍動(dòng)能強(qiáng)度略微減小??梢妭?cè)翼式擴(kuò)散器對(duì)于車尾上部和下部的影響作用是相反的,車尾上部的流動(dòng)分離減弱,車尾下部的流動(dòng)分離增強(qiáng),導(dǎo)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(shì)相反,導(dǎo)致氣動(dòng)阻力僅有略微增大。
另外,由圖可見,在加裝帶側(cè)翼式擴(kuò)散器后,隨著擴(kuò)散器角度的增加,能夠有效降低車底氣流對(duì)車尾上部流場(chǎng)的干擾,減小車尾上部氣流的紊亂程度,減弱流動(dòng)分離。但由于兩側(cè)翼板對(duì)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(chǎng)的相互作用下,使尾部下部區(qū)域的湍流范圍和湍動(dòng)能強(qiáng)度增大,降低了車尾下部壓力,因此擴(kuò)散器對(duì)氣動(dòng)阻力的影響需要綜合考慮車尾部的上下壓力分布。
α=9°時(shí)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(kuò)散器相比,帶側(cè)翼式擴(kuò)散器在各個(gè)截面都會(huì)使車尾下部的負(fù)壓增大,但在車尾上部,壓力與直板式擴(kuò)散器接近,且在Y=0、-0.2、-0.4、-0.6 m時(shí)局部區(qū)域負(fù)壓還比直板式擴(kuò)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(kuò)散器的氣動(dòng)阻力略微增大。這與圖11中得出的結(jié)論一致。
圖12 α=9°時(shí)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(dòng)升力對(duì)于提升車輛的行駛穩(wěn)定性十分重要,通過對(duì)車身底部流場(chǎng)的研究,可以找到兩種擴(kuò)散器狀態(tài)下車輛氣動(dòng)升力產(chǎn)生差異的原因。
圖13 為直板式擴(kuò)散器和帶側(cè)翼式擴(kuò)散器在不同擴(kuò)散器角度下距地面高度200 mmXY截面(車底平面)的湍動(dòng)能對(duì)比圖,它能夠在一定程度上反映兩種擴(kuò)散器狀態(tài)下車輛底部的流場(chǎng)情況。由圖可知,由于擴(kuò)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(duì)前部底盤底部的流場(chǎng)基本不產(chǎn)生影響,對(duì)比分析如下。
(1)當(dāng)擴(kuò)散器角度α=3°時(shí),兩種擴(kuò)散器狀態(tài)下車底流場(chǎng)差異不大,沿后輪內(nèi)側(cè)分離出來的渦,在帶側(cè)翼式擴(kuò)散器的作用下湍動(dòng)能強(qiáng)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(duì)車底的壓力影響較小,因此氣動(dòng)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(dòng)阻力。
圖13 距地面高度200 mm XY平面上湍動(dòng)能圖
(2)當(dāng)擴(kuò)散器角度α=6°時(shí),在帶側(cè)翼式擴(kuò)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(cè)分離渦的湍動(dòng)能強(qiáng)度增大,并且增大的區(qū)域向前移動(dòng)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(dǎo)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(qiáng)度也大幅增大,使得整車氣動(dòng)阻力也增大。
(3)當(dāng)擴(kuò)散器角度α=9°時(shí),底部氣流在帶側(cè)翼式擴(kuò)散器的作用下,使沿右后輪內(nèi)側(cè)流出的分離渦湍動(dòng)能增大,并且高能區(qū)域向前移動(dòng),出現(xiàn)在車尾底部,同時(shí)又使得流出車底的氣流湍動(dòng)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(chǎng)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(kuò)散器的作用下,內(nèi)側(cè)渦的湍動(dòng)能增大,且高能區(qū)域向前移動(dòng)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(duì)氣動(dòng)阻力的降低有不利影響。
擴(kuò)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(gè)截面向車后發(fā)展的壓力曲線圖。由圖可見,在各個(gè)截面上帶側(cè)翼式擴(kuò)散器的壓力變化趨勢(shì)都與直板式擴(kuò)散器一致,并且各個(gè)點(diǎn)的壓力均低于直板式擴(kuò)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(dòng)升力的結(jié)論一致。
圖14 α=9°時(shí)距地面200 mm平面X向壓力曲線
研究車輛底部和尾部的時(shí)均流場(chǎng),可以找到兩處湍動(dòng)能產(chǎn)生變化的原因。從上面討論中可知,當(dāng)擴(kuò)散器角度α=9°時(shí)擴(kuò)散器底部和車輛尾部的湍動(dòng)能變化明顯,圖15為擴(kuò)散器角度α=9°時(shí)流經(jīng)擴(kuò)散器底部氣流的流線圖??梢钥闯?,在直板式擴(kuò)散器狀態(tài)下擴(kuò)散器底部氣流直接、快速地向后流動(dòng),進(jìn)入復(fù)雜的尾渦區(qū)域,圖16為α=9°時(shí)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(chǎng),兩者在相互作用下使尾部流場(chǎng)更加復(fù)雜,湍流區(qū)域增大。在帶側(cè)翼式擴(kuò)散器的作用下,底部氣流被分為4個(gè)部分,中間兩部分沿?cái)U(kuò)散器表面快速地向后流動(dòng),進(jìn)入尾流區(qū),兩側(cè)的氣流分別沿著擴(kuò)散器兩翼向外擴(kuò)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(duì)車尾上部分流場(chǎng)影響減小,這是車尾上部湍動(dòng)能減小的原因。沿?cái)U(kuò)散器兩翼向外發(fā)展的氣流形成了一對(duì)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(duì)高能的流向渦,使車尾下部的湍動(dòng)能增大,此流向渦對(duì)應(yīng)著圖11中的區(qū)域2和區(qū)域3,也對(duì)應(yīng)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(shí)擴(kuò)散器底部流線圖
圖16 α=9°時(shí)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(kuò)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(kuò)散器側(cè)翼處流線圖
由上述分析可知,此流向渦對(duì)車底和車尾區(qū)域的流場(chǎng)影響很大,是導(dǎo)致氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力產(chǎn)生差異的主要原因。
本文中以CAERI Aero Model階背式標(biāo)準(zhǔn)模型為研究對(duì)象,使用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了一種帶側(cè)翼式汽車擴(kuò)散器對(duì)整車氣動(dòng)阻力和升力的影響,對(duì)比分析了在不同安裝角度下此種擴(kuò)散器和普通的直板式擴(kuò)散器氣動(dòng)特性和外流場(chǎng)的差異,得出了以下結(jié)論。
(1)帶側(cè)翼式擴(kuò)散器能有效改善車底和車尾的流場(chǎng),使車底的湍動(dòng)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(shí)提供的下壓力均要大于直板式擴(kuò)散器,在擴(kuò)散器角度α=10.5°時(shí)提供的下壓力最大,比直板式擴(kuò)散器提供的下壓力大38.1%。
(2)帶側(cè)翼式擴(kuò)散器使車尾下部的湍動(dòng)能增大,壓力降低,但能夠減小底部氣流對(duì)車尾上部流場(chǎng)的干擾,使車尾上部的湍動(dòng)能減小,壓力增加,兩者對(duì)阻力的作用相反,因此在整車上帶側(cè)翼式擴(kuò)散器對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響不大。與直板式擴(kuò)散器相比,帶側(cè)翼式擴(kuò)散器使整車氣動(dòng)阻力略微增大,增幅只在3 cts以內(nèi)。