带有减阻增稳仿生结构的车辆空气动力学特性仿真研究*

倪 捷,刘志强,胡国梁,范秦寅

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013; 2.大阪大学工学部,日本大阪 5650871)



2015234

带有减阻增稳仿生结构的车辆空气动力学特性仿真研究*

倪 捷1,刘志强1,胡国梁1,范秦寅2

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013; 2.大阪大学工学部,日本大阪 5650871)

本文中采用CFD数值模拟的方法，研究仿生结构对某轿车空气动力学特性的影响。先对原车进行不同行驶速度下风阻系数的仿真计算，并通过风洞试验来验证数值模拟的有效性。再在原车的尾部加装扰流板和采用非光滑棱纹仿生结构，并进行不同行驶速度下的车辆气动特性仿真。结果表明，棱纹形态的仿生表面能够延迟气流分离，较好地梳理了尾部气流；在高速行驶时，采用带有扰流板和棱纹仿生结构有显著的减阻增稳效果，最大减阻率为2.59%，升力系数下降幅度在55%以上。

车辆；空气动力学特性；工程仿生；减阻增稳；计算流体力学

前言

车辆空气动力学特性直接影响着其经济性、动力性和行驶稳定性。大量研究发现[1-3]，车辆在高速行驶时，发动机输出的有效功中，大约有60%用来克服空气阻力，空气阻力系数每降低10%，燃油经济性提高约7%。因此，在“节能减排”的国家号召和现实需求下，提出行之有效的车辆减阻增稳方法，显得尤为迫切和重要。

生物界普遍存在的非光滑的表面形态通过控制边界层改变物体表面流场，从而具有减阻功能[4-5]。同时，通过对鱼类游动方式的研究发现，鱼类中央鳍/对鳍的运动可以调整自身运动形态，对流经身体表面的流动介质实施干扰，可以提高其运动稳定性[6-7]。上述仿生学研究成果为开展车辆仿生减阻增稳研究提供了契机。文献[8]中进行了具有非光滑表面的旋成体的风洞试验和数值仿真，发现非光滑表面的减阻效果大约为5%。文献[9]中研究了凹坑型非光滑车身表面的减阻特性，指出凹坑单元体矩形排列最大可达7.62%的减阻效果。文献[10]中研究了非光滑表面尺寸和组合布置位置对汽车气动性能的影响，指出行李舱盖、车身尾部和车身底部非光滑单元体的合理组合与布置具有减阻效果。

然而，利用仿生结构进行车辆气动减阻增稳，需要综合考虑仿生结构的形状、空间位置和车辆行驶工况等影响。本文中利用CFD数值模拟的方法，研究在不同行驶工况下，具有仿生结构的车辆空气动力学特性规律，分析其减阻增稳效果与内在机理，为车辆仿生学研究和工程应用提供理论依据。

1 原车模型计算和风洞试验

1.1 几何模型的建立

对某轿车进行1∶1的几何建模。由于计算条件的限制，忽略了轮胎胎纹、后视镜和雨刮器等细微特征，对轿车底部也进行平整处理，简化了轮胎模型；同时考虑到作用在轮胎上的阻力和升力对车辆空气动力学特性的影响，将轮胎的旋转运动施加到计算模型中。最终建立该车的几何模型(如图1所示)，其总长、总宽和总高分别为4.488，1.716和1.318m。

1.2 计算域的确定和网格划分

根据汽车外流场CFD模拟经验[11]，计算域为长方体区域，长为15倍车长，其中出口距车身尾部10倍车长，宽为10倍车宽，高为5倍车高。在Hypermesh软件中对几何模型进行表面网格划分，然后将表面网格模型导入CFD软件SC/Tetra进行体网格离散，及对车身、轮胎和地面的局部加密。在车身和轮胎表面插入边界层网格，经多次网格优化和计算，使车身和轮胎表面Y+值介于5～1 000之间。整个计算域网格数约为2 600万。

1.3 边界条件

选取轿车行驶速度为120km/h。因此，计算域进口设为速度进口，其值为33.33m/s；地面设为运动壁面，速度与车辆行驶速度一致；车轮设为旋转壁面，并根据车速和车轮半径求得其旋转角速度为113.949rad/s；出口设为静压条件，其值为0；车身表面设为无滑移壁面，其余壁面为自由滑移壁面。

1.4 仿真结果和试验验证

为了验证数值模拟的准确性，根据该车CAD模型通过数控加工中心加工成1∶2的试验模型，并在回流式风洞中进行了风洞试验，用六分力浮框式测力天平测量模型的气动力。试验风速分别设为30，33.33和38.89m/s，其风洞试验如图2所示。

通过风洞试验获得该车模型阻力系数CD，并将仿真结果与试验结果进行对比，如表1所示。由表可见，车辆阻力系数计算误差均在5%以内，满足工程要求。

表1 车辆气动性能仿真结果与试验结果的对比

2 带有仿生结构的轿车计算模型

2.1 形态仿生结构设计

在原车模型基础上，为了提高车辆操纵稳定性，在车尾部增加如图3所示的扰流板结构，同时，在后车窗和行李箱盖上设计棱纹仿生结构，以实现类似于涡流发生器的功能，其空气动力学原理是提前将层流转捩为湍流，以期延迟气流的分离。而为了达到对边界层内空气运动的干扰，必须将该棱纹仿生结构的几何尺寸控制在边界层厚度范围内。通过计算，可得该车边界层厚度为15.74mm。故本文中设计成L和H均为12mm的等腰三角形。

2.2 网格划分

在进行带有仿生结构的车辆几何模型网格划分时，采用与原车计算时相同的计算领域和网格处理规范。此外，对于车尾处仿生结构进行网格细化。同样经多次网格优化和CFD计算，保证整个车身和轮胎表面Y+值满足计算要求。最终确定整个计算域网格数约为3 400万。

2.3 计算方案

为了全面探究不同行驶车速下带有形态仿生结构的轿车空气动力学特性规律，选取不同行驶速度进行计算，具体方案见表2。

表2 计算方案

3 计算结果和分析

3.1 空气流量分配对比

图4为行驶速度为120km/h下，流经轿车车身表面的空气流量分配对比情况。由图可见，带有形态仿生结构的轿车车身上部空气流量减小，底部流量提高。通过进一步计算发现，上下部气流流速差由原来的5.34减小为4.83m/s，减幅9%，这会使车身上部与下部形成的压力差发生明显的变化，从而影响轿车的气动升力特性。其余方案的仿真计算结果也符合这一变化规律。

3.2 纵向对称面上速度矢量对比

图5为行驶车速为20和120km/h时，纵向对称面上空气速度矢量图。由图可见，车身表面边界层内的空气在逆压梯度和黏性剪切力作用下，动能逐渐减少，直至不能再在车身表面上前进而脱离其表面，并倒流回来形成漩涡。带有形态仿生结构的轿车在高速行驶过程中，车尾部存在更为明显的上下两个漩涡，使流经扰流板下部低速空气和车尾下部高速空气被卷吸进该尾涡区。图6为行驶车速为120km/h时，带有形态仿生结构的轿车尾部棱纹沟槽内气流图。从图中可以发现，当气流经过棱纹沟槽时，在沟槽内部产生了与外部高速气流方向相反的逆向气流，形成涡垫效应，从而降低了边界层内摩擦阻力，增加了表面气流流动速度，使原本不能流动而即将从车身表面分离的气流得以沿车身表面继续流动，边界层分离得以延迟。

3.3 纵向对称面上总压流谱云图对比

图7(a)为行驶车速为120km/h时，纵向对称面车尾总压流谱云图。由图可知，空气沿原光滑车身表面流动时，在行李箱盖末端和汽车底盘末端处失去了边界限制，压力得到释放，出现负压区。随着距离汽车尾部距离的增大，大尺度的漩涡不断分裂，逆流区域逐渐变小，直至与远流汇合。带有仿生结构的轿车由于扰流板的作用，使车底部低速气流更多被卷吸进下尾涡区，导致下部漩涡区域面积扩大；同时，行李箱盖上的棱纹仿生结构进一步组织了尾部气流运动，使上尾涡区上移，形成了近似对称的上、下漩涡区，防止外界高速气流对内部低速气流的引射作用。此外，通过计算还发现，在行驶速度较低时，在扰流板前方还会出现一负压漩涡区，如图7(b)所示。

3.4 各方案升/阻力系数变化规律

图8为不同行驶车速下有无形态仿生结构对升/阻力系数的变化曲线。由图可知，带有仿生形态结构的轿车阻力系数和升力系数都有一定程度的降低，其中升力系数下降幅度较大。这也恰好证明采用仿生结构的确可以起到减小阻力和提高车身稳定性的目的。

为了进一步定量分析仿生结构在不同行驶车速条件下的减阻增稳效果，引入升/阻力系数变化率指标，其计算公式为

ΔC=(CX-CX0)/CX0×100%

(1)

式中：CX为阻力系数CD或是升力系数CL；CX0为原车阻力系数或升力系数。

表3为带有仿生结构的轿车阻力系数和升力系数变化率随行驶车速的变化情况。从表中可以看出，行驶速度为100km/h时获得最大的减阻率；另一方面，在相对较高的行驶速度下，采用带有扰流板和棱纹沟槽的仿生结构的车辆升力系数比原车下降55%～70%。因而，在高速行驶时，后轮附着力显著增大，轿车操纵性能得到提升，可以起到较为明显的增稳效果。

表3 阻力系数和升力系数变化率

注：“-”表示减小。

4 结论

(1) 对原车不同行驶速度下的空气动力学特性进行了数值模拟，通过对比风洞试验结果可知，车辆阻力系数误差在5%以内。

(2) 在原轿车车尾部位增加扰流板和非光滑棱纹结构，对带有仿生结构的车辆进行数值模拟计算。计算结果表明，棱纹形态的仿生表面能够延迟气流分离，较好地梳理了尾部气流；同时，扰流板结构大大降低了升力系数，能够起到增稳的效果。

(3) 不同行驶车速下对比了有无形态仿生结构对升阻力系数的影响。计算结果表明，在高速行驶时，采用带有扰流板和棱纹沟槽的仿生结构，最大减阻率为2.59%，升力系数下降幅度在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

*教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20113227110014)和江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0657)资助。

原稿收到日期为2014年4月24日，修改稿收到日期为2014年7月3日。