带侧翼式扩散器对汽车气动特性影响研究*

2021-12-11卢耀辉王庆洋尹小春史潇博唐艳辉

汽车工程 2021年11期

廖洪，卢耀辉，王庆洋，尹小春，史潇博，唐艳辉

（1.西南交通大学机械工程学院，成都610031；2.中国汽车工程研究院股份有限公司风洞中心，重庆401122）

前言

汽车高速行驶时的燃油经济性和操纵稳定性与车辆的空气动力学性能息息相关，汽车行驶过程中所受到的气动阻力和气动升力与车速的平方成正比，当汽车的行驶速度为80 km/h时，汽车用来克服风阻的能耗大约占总能耗的50%［1］，并且随着车速的提升，所产生的气动升力也增大，这将使汽车产生“发漂”现象［2］。扩散器是赛车上重要的气动装置之一（图1），被用来降低赛车的气动升力，相关研究结果表明，扩散器为赛车提供的下压力约占40%［3］。

图1 扩散器在赛车上的应用

1988年，Frank Kinematics首次提出汽车扩散器的概念，并将其应用在赛车上［4］，1994年Andress Ruhrman发表了首篇阐述扩散器是如何增加赛车下压力的论文，由于地面效应，扩散器使底部气流快速通过，从而减小了底部静压，使整车上下压差增大，从而增大下压力［5］。近年来，扩散器被广泛地应用在乘用车上，对扩散器的研究也随之大量出现，有研究表明，合理地设计扩散器可以使车辆既能有效地减小气动阻力，又能降低气动升力［6-7］。Hu等研究了一种直板式的扩散器在不同扩散角时对气动性能的影响，结果发现随着扩散角的增大，汽车的气动阻力系数先减小后增大，而气动升力系数则呈现减小趋势［8］。此外，也有相关学者从车底部和尾部流场控制的角度对汽车扩散器进行了研究，Lai等通过试验和仿真的方法在阶背式模型上研究了直板式扩散器角度与气动阻力的关系，结果发现不同扩散器角度下整车尾流结构有很大差异，随着扩散器角度的增大，车尾上洗气流形成的尾涡向上移动，使车尾部湍流区域减小，进而使整车气动阻力减小［9］。Huminic等发现后轮区域产生的涡结构对扩散器的空气动力学性能有很大影响，后轮涡结构与扩散器区域流场存在较强的耦合，合理地控制后轮区域的涡结构，可以改善扩散器的性能［10］。杨易等比较了加大扩散器区域、在扩散域内安装扰流板、在扰流板上设计仿生非光滑表面3种不同扩散器结构方案对整车气动阻力和气动升力的影响，结果发现前两种方案使气动升力大幅减小，但也使得气动阻力增加，第3种方案能够在降低气动阻力的同时大幅减小气动升力［11］。南琼等通过在FASE赛车扩散器上加装三角翼片，发现对气动阻力影响较小，对气动升力影响较大，且三角翼片越多，对气动升力改善越显著［12］，因此，翼片式扩散器在整车气动特性的控制上具有很大潜力。

本文中提出了一种带侧翼式的扩散器，并将其安装在CAERI Aero Model标准模型上，通过与直板式扩散器对比在不同扩散器出口角度下的整车气动阻力和下压力，研究这种扩散器对整车气动性能的影响，为后续的乘用车扩散器优化设计提供参考依据。

1 模型的建立与试验验证

1.1 标准几何模型

本文中的研究对象是中国汽车工程研究院研发的感知型CAERI Aero Model标准模型，该模型不仅具有传统汽车标准模型支撑汽车外气动造型设计优化和开展风洞试验对标与校准等功能，还配备了多种传感器，可实现环境物理量参数实时测量和模型与测量系统间的信息交互。它有阶背、快背、方背和皮卡4种尾部造型，如图2所示［13］。本文中以1∶1阶背式整车模型为研究对象，模型的长、宽、高和底盘结构如图3所示。

图2 CAERI Aero Model 4种尾部造型示意图

图3 CAERI Aero Model 1∶1阶背式整车模型

1.2 仿真模型

为了保证计算精度，使计算域边界不影响车辆周围的流动特性，计算域长宽高应分别大于12倍车长、7倍车宽和7倍车高，车前端距离入口应大于3倍车长，车后端距离出口应大于8倍车长，计算域尺寸如图4所示。阻塞比为0.5%，采用速度入口和压力出口，入口速度为120 km/h，湍流强度为1%，出口相对压力为零，车身表面为静止无滑移壁面，计算域两端边界和上表面为静止滑移壁面。在汽车行驶车轮旋转时其流场十分复杂，现有的仿真方法对此种复杂流场计算不够准确。为保证带扩散器整车计算的有效性和准确性，本文中选用了静止车轮和静止地面的仿真方法［14-15］。

图4 计算域

使用ANSA划分面网格，导入STAR CCM+中划分体网格，使用六面体非结构化Trimmer网格对计算域进行离散，在车身壁面和地面生成2层边界层，增长率为1.5，边界层总厚度为2 mm。为了更好地模拟车身周围流场并提高计算效率，设置4层网格加密区，车头前端进气格栅处、后视镜、A柱、车身底部、扩散器和车身尾部设置为第1层加密区，体网格尺寸为8 mm，另外3层依次向外扩展，总的体网格数为2 363万，纵向对称截面网格加密展示如图5所示。数值计算采用定常条件下的雷诺平均方法（RANS），湍流模型选用基于可实现的k-ε湍流模型，采用2阶迎风格式进行离散，计算迭代步数为5 000步。

图5 Y0截面网格加密图

1.3 风洞试验验证

采用1∶1阶背式CAERI Aero Model模型进行风洞试验验证，利用风洞气动六分力天平测量模型的气动力。试验风速为120 km/h，五带系统关闭，车轮处于静止状态，车身姿态调整为前轮眉边缘距地面674 mm，后轮眉边缘距地面670 mm。如图6所示，通过气动六分力天平输出车辆的气动阻力和升力，根据式（1）和式（2）可以计算气动阻力系数CD和气动升力系数CL：

图6 CAERI Aero Model模型风洞试验

式中：FD为气动阻力；FL为气动升力；ρ为空气密度；U为气流速度。

试验测得的模型正投影面积和风阻系数与CFD仿真得到模型正投影面积和风阻系数如表1所示。从表中可以看出，CFD计算结果相对试验测试得到数据的正投影面积误差为0.2%，风阻系数误差为0.8%，皆在可接受的范围以内，验证了本文中数值仿真的可靠性，可用于后续关于扩散器对整车气动性能影响的研究。

表1 正投影面积和风阻系数的试验仿真值对比

2 带侧翼式扩散器对整车气动性能的影响

直板式和带侧翼式扩散器结构如图7所示，后者中间为向后逐渐扩张的平滑过渡曲面，两侧带有侧翼用以阻挡底部气流向两侧扩张，总体上呈现为喇叭口的形状。图8为扩张器在车上安装的示意图，其前、后端分别与车底板和车尾后围板连接。为研究两种扩散器不同的安装角α对整车气动性能的影响，在角度为3°~12°范围、间隔为1.5°的共7个角度下整车的气动性能和流场特性进行仿真。

图7 两种扩散器

图8 扩散器安装示意图

车辆离地间隙对扩散器的效率有很大影响［16］，为了排除离地间隙的影响因素，每种状态的离地间隙设为一致。仿真结果两种扩散器在不同安装角度下的气动阻力系数和气动升力系数如表2和表3所示。

表2 风阻系数对比

由表2可知，带侧翼式扩散器相对于直板式扩散器会使气动阻力略微增大，增大的范围在3 cts以内，说明带侧翼式扩散器对风阻系数的影响不明显。由表3可知，相比直板式扩散器，带侧翼式扩散器在降低气动升力、提升车辆下压力效果明显，在各个角度整车气动升力系数均有不同程度的降低，特别是在出口角度为10.5°时，降低的程度最大，达到了38.1%。

表3 升力系数对比

不同扩散器角度下气动阻力系数和气动升力系数变化曲线如图9和图10所示。根据图9，两种类型扩散器在扩散器角度为3°时，整车的风阻系数都是最低的，并且随着角度的增加，风阻系数呈增长的趋势。从图10可知，随着扩散器角度的增大，两种扩散器状态下气动升力的表现趋势相同，都是先减小到最低点，然后再增加。带侧翼式扩散器CL在α=10.5°到达最低值0.026，而直板式扩散器CL在α=9°到达最低值0.039，远高于带侧翼扩散器最低值；且当扩散器角度α大于7.5°时，带侧翼式扩散器降低升力效果远远优于直板式扩散器。这表明α大于7.5°后，带侧翼扩散器降低升力效果更明显，且有一个性能最优的α设计角度，即10.5°。

图9 不同扩散器角度下气动阻力系数变化曲线

图10 不同扩散器角度下气动升力系数变化曲线

2.1 流场湍动能分析

扩散器能够改变车辆底部和尾部的流场，但对车辆前部和流经车身上部的气流影响不大。对于整车气动阻力，主要部分来自于车辆前后的压差，扩散器能够影响车辆尾部流场，改变车尾处的压力，从而影响整车气动阻力；对于气动升力，主要是来自于在车辆行驶过程中，车身上部流场和车身底部流场之间产生的压力差，扩散器通过影响车辆底部流场，改变车辆底部的压力，从而影响气动升力。湍动能图能够反映流场流动状态，湍动能越大，表明此处湍流速度脉动越剧烈，损失的能量越多，压力也就越小。降低湍动能强度，减小湍流范围，能够有效降低气流分离带来的能量损失，提高相应位置的压力，因此流场湍动能分布是整车流场分析的重要考察指标。图11为直板式扩散器和带侧翼式扩散器模型车在距离车尾200 mm处垂直于车身纵向轴线截面的湍动能图，对比分析如下。

图11 尾部200 mm YZ平面上湍动能图

（1）当扩散器角度α=3°时，两种扩散器状态下尾部流场总体变化不大，扩散器结构形式的改变主要影响了车身底部气流和两侧流经车轮区域后的气流，对车尾上部区域流场影响不大，底部气流湍流范围的变化也不明显，如图11（a）和图11（b）所示。带侧翼式扩散器在区域2、3、4处的湍动能强度与湍流范围变化不大，但在区域1处的湍动能强度升高，这应是导致此工况下气动阻力略微升高的主要原因。

（2）当扩散器角度α=6°时，扩散器结构的变化对车尾上部的流场影响不大，对车尾下部流场影响显著，如图11（c）和图11（d）所示。在侧翼式扩散器状态下区域1、2、3、4处的湍动能强度明显增大，并且区域1处的湍流范围也比直板式扩散器状态下湍流范围显著增大，这些情况导致气流在这些区域流动分离增强，气流速度脉动强，能量耗散严重，使气动阻力升高。

（3）当扩散器角度α=9°时，随着扩散器角度的增大，车底经扩散器流出的气流已经影响到了车尾上部的流场，如图11（e）和图11（f）所示。对于直板式扩散器状态，扩散器角度从6°增加到9°时，区域5和区域6的湍动能强度显著增大。侧翼式扩散器状态下，底部气流对区域5和区域6的影响不大，两处的湍动能强度比直板式扩散器明显更低，但区域1、2、3处的湍动能强度升高，湍流范围增大，区域4的湍动能强度略微减小。可见侧翼式扩散器对于车尾上部和下部的影响作用是相反的，车尾上部的流动分离减弱，车尾下部的流动分离增强，导致上部压力更高，下部压力更低，由于背部上下区域的压力变化趋势相反，导致气动阻力仅有略微增大。

另外，由图可见，在加装带侧翼式扩散器后，随着扩散器角度的增加，能够有效降低车底气流对车尾上部流场的干扰，减小车尾上部气流的紊乱程度，减弱流动分离。但由于两侧翼板对气流的阻挡，增加了底部气流的紊乱程度，在两侧流经车轮区域流场的相互作用下，使尾部下部区域的湍流范围和湍动能强度增大，降低了车尾下部压力，因此扩散器对气动阻力的影响需要综合考虑车尾部的上下压力分布。

α=9°时不同纵截面上的车辆尾部压力分布如图12所示，分别截取了Y=0、-0.2、-0.4、-0.6、-1 m截面向上发展的压力曲线。由图可知，与直板式扩散器相比，带侧翼式扩散器在各个截面都会使车尾下部的负压增大，但在车尾上部，压力与直板式扩散器接近，且在Y=0、-0.2、-0.4、-0.6 m时局部区域负压还比直板式扩散器更小，在车尾上下部压力变化综合作用下，使带侧翼式扩散器的气动阻力略微增大。这与图11中得出的结论一致。

图12 α=9°时尾部200 mm平面Z向压力曲线

降低车辆在行驶过程中产生的气动升力对于提升车辆的行驶稳定性十分重要，通过对车身底部流场的研究，可以找到两种扩散器状态下车辆气动升力产生差异的原因。

图13 为直板式扩散器和带侧翼式扩散器在不同扩散器角度下距地面高度200 mmXY截面（车底平面）的湍动能对比图，它能够在一定程度上反映两种扩散器状态下车辆底部的流场情况。由图可知，由于扩散器安装在底盘后部，主要影响后部底盘车底气流和车尾气流，对前部底盘底部的流场基本不产生影响，对比分析如下。

（1）当扩散器角度α=3°时，两种扩散器状态下车底流场差异不大，沿后轮内侧分离出来的涡，在带侧翼式扩散器的作用下湍动能强度增大，在此处的能量损失增大，但是增大的区域已经流出了车底，如图13（a）和图13（b）的区域2和区域3所示，使其对车底的压力影响较小，因此气动升力变化也较小，反而使车尾处的压力降低，增大整车的气动阻力。

图13 距地面高度200 mm XY平面上湍动能图

（2）当扩散器角度α=6°时，在带侧翼式扩散器的作用下左后轮后面的湍流区域大幅增加，如图13（d）区域4所示，左右后轮沿内测分离涡的湍动能强度增大，并且增大的区域向前移动至车尾底部，如图13（c）和图13（d）区域2和区域3所示，这导致车底处的压力减小，使车辆下压力增大，即升力减小。但在车尾后部区域湍流强度也大幅增大，使得整车气动阻力也增大。

（3）当扩散器角度α=9°时，底部气流在带侧翼式扩散器的作用下，使沿右后轮内侧流出的分离涡湍动能增大，并且高能区域向前移动，出现在车尾底部，同时又使得流出车底的气流湍动能和湍流范围大幅降低，如图13（e）和图13（f）的区域2所示。以上流场变化使得在此状态下车辆下压力增大。左后轮沿车轮内外侧分离出来的涡在带侧翼式扩散器的作用下，内侧涡的湍动能增大，且高能区域向前移动至车底，如图13（e）和图13（f）的区域3所示，这也有利于提升车辆的下压力；外侧涡的湍流范围增大，如图13（e）和图13（f）的区域4所示，对气动阻力的降低有不利影响。

扩散器底部平面压力分布如图14所示，分别截取了Y=0.2、0.6、0.9 m 3个截面向车后发展的压力曲线图。由图可见，在各个截面上带侧翼式扩散器的压力变化趋势都与直板式扩散器一致，并且各个点的压力均低于直板式扩散器，使得上下车身的压力差增大，增大了整车的下压力，这与图13中得出的关于气动升力的结论一致。

图14 α=9°时距地面200 mm平面X向压力曲线

2.2 时均流场分析

研究车辆底部和尾部的时均流场，可以找到两处湍动能产生变化的原因。从上面讨论中可知，当扩散器角度α=9°时扩散器底部和车辆尾部的湍动能变化明显，图15为扩散器角度α=9°时流经扩散器底部气流的流线图。可以看出，在直板式扩散器状态下扩散器底部气流直接、快速地向后流动，进入复杂的尾涡区域，图16为α=9°时车辆尾部流线图。由图可见，高能量的底部气流已经影响到车尾上部的流场，两者在相互作用下使尾部流场更加复杂，湍流区域增大。在带侧翼式扩散器的作用下，底部气流被分为4个部分，中间两部分沿扩散器表面快速地向后流动，进入尾流区，两侧的气流分别沿着扩散器两翼向外扩展，由于中间部分流入尾涡区域的气流减小，能量也随之减小，使其对车尾上部分流场影响减小，这是车尾上部湍动能减小的原因。沿扩散器两翼向外发展的气流形成了一对向后发展的流向涡，在发展过程中和上车身在车尾处分流出来的涡相互融合，形成了一对高能的流向涡，使车尾下部的湍动能增大，此流向涡对应着图11中的区域2和区域3，也对应着图13中沿车轮内侧分离出的区域2和区域3高能湍流区域。