尾翼对车辆的空气动力学影响模拟分析及试验验证.pdf

尾翼对车辆的空气动力学影响模拟分析及试验验证 陈 荷 周江彬 刘劲松 上海大众汽车有限公司， 上海 2 0 1 8 0 5 【 摘要】 为了研究不同 造型结构的 尾翼对整车空气动力学的 影响， 建立三维模型， 利用F l u e n t 软件对其 进行分析计算， 综合考虑动力性、 经济性及稳定性的要求， 同时进行风洞试验。结果表明 随着尾翼高度的增加， 风阻系数先减少， 后增加， 后升力不断减少 ， 前升力有所增加 ， 增加的趋势比较缓慢。同时也认证了计算模型以 及模拟结果的准确性 ， 为以后的开发提供了一种经济、 快速的方法。 【 A b s t r a c t 】 I n o r d e r t o s t u d y th e i n f l u e n c e o f d if f e r e n t r e a r s p o i l e r t o a e r o d y n a m i c o f v e h i c l e ， 3 一 D mo d e l i s e s t a b l i s h e d ．S o ft ware F l u e n t i s u s e d c o n s i d e r i n g t h e p o w e r ，e c o n o my a n d s t a b i l i t y r e q u i r e - me n t s ．T h e wi n d t u n n e l t e s t h a s a l s o b e e n d o n e f o r v a l i d a t i o n ．T h e r e s u h s h o w s f r o m t h e i n f l u e n c e o f t h e h e i g h t o f r e a r s p o i l e r o n l i ft a n d d r a g for a v e h i c l e， a s t h e h e i g h t o f r e a r s p o i l e r i n c r e a s e d，t h e d r a g wi l l d e c r e a s e a nd t h e n i n c r e a s e，t h e r e a r l i f t wi l l be l o we r a n d l o we r ．Th e a c c ur a c y o f t he c a l c u l a t i o n m o d e l i s a l s o c e i fi e d ， a n d a n e c o n o mi c al a n d r a p i d m e t h o d i s p r o v i d e d fo r f u t u r e d e v e l o p me n t ． 【 关键词】 风洞试验尾翼空气动力学风阻系数 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 6 0 引言 随着社会与技术 的发展与进 步， 驾驶者对 车 辆的要求越来越高， 速度上的要求也不断提升， 但 是速度的提高也要保证安全， 同时由于石油资源 的匮乏以及原油价格 的上升 ， 对车辆 的油耗要求 也在提升 。这些 都是汽车在动力性、 经济性及稳 定性上对设计部 门提出的要求。 汽车尾翼 ， 在一定程度 上很好地解决 了上述 几个问题之间的矛盾 。本文结合上海大众某 A级 车的开发过程， 对 3款不同尾翼进行了空气动力 学计算及仿真， 并在风洞试验 中对其结果进行 了 验证 。 收稿 日期 2 0 1 11 1 2 5 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2 1 计算模型的建立 1 ． 1 几何模型的建立 完全采用设计阶段 的原始 C A D模型， 运用 1 1 的几何模型。为了提高优化计算的速度， 以及 避免不必要 的工作量 ， 省略门把手 ， 对门缝进行光 滑处理 图 1 。 对车身底部进行了简化， 根据 B u c h h e i m的研 究 ， 对地板进 行平整化处理 ， 同时参考其修正值 。 具体的修正值见图 2 。对于前车头底部的简化修 正 ， 根据其理论 ， 设定值为 0 ． 0 1 5 。 1 ． 2 计算区域的建立 从 实际情况来看 ， 计算 域的边界应在汽车外 - 2 3 图1 车辆网格处理 △ 图2 车辆底部简化模型与修正值 围的无穷远处。在计算 中， 将其设 在有 限的范围 内， 近似认为来流无干扰 图3 。由于计算条件 的限制， 参考数值模拟 的经验及实际计算 的情况 ， 整个计算区域取一个长方体形状。整车的计算区 域尺寸为 长4 8 m， 宽和高都为8 m。在车身表面、 车轮表面以及地面均生成 5层边界层， 其余体单 元均使用四面体。 图 3 车辆的边界层设定 2 数值模拟及结果分析 2 ． 1 基本方程及湍流模型的选择 流体计算的基本理论就是三大守恒定律， 即 质量守恒、 动量守恒以及能量守恒。 2 4 塑 0 ． ⋯ 1 d d d y a ‘ 其 中 P为密度 ， t 为时间 ， 为速度矢量， 、 、 为 速度矢量在 、 Y 、 z 方 向的分量 。 在湍流模型的选择中， 运用 目前比较成熟 的 一 s模型。 为湍动能 ， 为湍动耗散率。湍动粘度 L2 可由其两者表示为 p ， 为经验常数。 在标准 一 模型中， 与 占是两个基本未知 量 ， 与之对应 的输运方程为 毒 [ c 差 】 G a a a L 、厂 ’ I a J 一 |p y ．s 2 毒 [ 蹇 】 詈 a a a L 、，-’ a J ，，3 G C 3 占 G 6 一C 2 g。 - S 3 其中， 是由于平均速度梯度 引起 的湍动能 J ]} 的 产生项 ， G 是 由于浮力引起的湍动能 的产生项 ， 代表可压湍流中脉动扩张的贡献 ， c 。 ， C ， C 为经验常数 ， ， 分别是湍动能和耗散率对应的 普朗特数 ， s ， s 为用户定义的源项。 2 ． 2 边界条件的设定 将人 口设置为速度人 口 速度为1 4 0 k m ／ h ， 出口 设置为压力出口 一个大气压 ， 车体表面包 括轮胎以及地面设置成无滑移墙， 其余壁面设置 为无剪切力墙。 2 ． 3 方案设计 根据造型的意见 ， 考虑 总布 置、 法规、 模具 制 作等因素， 设计以下 3 款尾翼， 具体参数以及相应 的几何结构见图4 、 5 。 图4 3款尾翼的截面图 上海汽车2 0 1 2 ． 0 2 - ● a 方案l b 方案2 c 方案3 图 5 3款尾翼的三维几何网格 3款尾翼 的高度分别为 ， 方案 1 2 2 ． 6 m m， 方 案 2 2 5 m m， 方案 3 3 4 ． 2 mm。 2 ． 4 结 果分析 运用 C F D流体计算 软件 F l u e n t ， 多核并行计 算。在其收敛后得到模拟计算结果。 3款尾翼下的整车压力分布见 图 6 ， 可 以看 出 在后风窗、 后保险杠 以及尾翼 区域的压力变化 ， 随 着尾翼高度的增加 ， 压力在增加 ， 后升力应该在减 少 。 c 方案3 图6 3款尾翼的压力分布图 图7表示 了有无尾翼 的情况下 ， 压力系数在 车身及底 部的变化。在 图中可 以清楚地看 出， 在 车身尾部 ， 由于添加 了尾翼 ， 在尾翼局部 区域 ， 压 力系数上升 ， 在底部压力没变化的情况下 ， 整体 的 压力差变大 ， 从而增加 了下压力。而 车身底部对 于是否有 尾翼 ， 基本没有影响。其对前车头处 的 压力系数也基本上没有影响。 尾翼 的工作原理 就是倒置 的机翼 ， 当气流流 经尾翼时被分成上下两股 ， 通过尾翼后 ， 又必须同 时在尾翼后缘会合。由于尾翼下表面为曲面， 使 下方的那股气流的通道变窄。根据气流 的连续性 上海汽 车2 0 1 2 ． 0 2 原理和伯努利定理 可以得知 ， 尾翼下方的压强 比 尾翼上方的压强小 ， 也就是说 ， 尾翼上表面受到 向 下的压力 比尾翼 下表 面受 到向上 的压力要 大， 这 个压力差就是尾翼产生的负升力。其 目的就是通 过尾翼产生负升力以抵消一部分车身产生的气动 升力 。从而增 加车轮的地面附着力 ， 改善高速汽 车的动力性和操纵稳定性。 籁 出 图7 压力系数分布图 模拟计算 的风阻系数及升力 的结果如表 1和 图 8所示。 表 1 3款尾 翼的模拟计算结果 内容 aC D aC ￡ ， △C 方案 1 2 2 ． 6 mm 一0 ． 0 0 4 0 ． 0 0 2 0 ． 0 6 1 方案 2 2 5 m m 一O ． 0 o 6 0 ． 0 o 5 一O ． O 7 2 方案 3 3 4 ． 2 mm 一0 ． 0 0 1 0 ． 0 0 6 0 ． 0 8 0 O ． 0 2 0 ． 0 1 O ．0 ． 0 l ‘0 ． 0 2 -0 ． 0 3 O ． 0 4 幽 一0 ． 0 5 ．0 ． O 6 ．0 ． 0 7 -0 ． 0 8 - o ． O 9 翼高度／ tu r n 图8 3款尾翼下风阻系数与升力系数的变化 分析表和图中的数据可以看 出 1 方案 1和方案 2的尾翼高度对风阻系数 2 5 具有一定 的效果 ， 而方案 3的高度则基本上 已经 没有明显的效果 ； 2 直接添加尾翼对前升力影响比较小 ， 这在 前面的分析中也已表明 ； 3 尾翼的添加 ， 对后升力影 响非常大 ， 对降 低后升力可 以取得非常好的效果 ， 且 随着尾翼高 度的增加， 下压力不断加大， 升力变小。 模拟计算的结果， 对比前人 S c h e n k e l 的研究 成果 图 9 ， 可以看 出两者 的趋势是一致的。即 ， 随着尾翼高度的增加 ， 风阻系数先减少后增加 ， 前 升系数一 直增加 ， 但增加的趋势越来越平缓。后 升力系数一直减少。 图9 风阻系数与升力系数随着尾翼高度变化的趋势 另外 ， 从试验结果中可以看出， 尾翼 的增加所 产生的结果 中， 风 阻与后升力有一定 的互相不兼 容 ， 要想 获得很好 的下压力 ， 就必须牺牲 风阻 系 数。想要降低风阻后升力的减低效果也不会很明 显 ， 如何取舍这两者， 在以后的工作 中还应继续探 索 。 3 试验验证 为验证模拟的准确性， 根据模拟时的 C A D数 据， 制作样件， 如图 1 0 。在同济大学地面交通风洞 中心对 3款尾翼进行实车风洞试验 。该实验室为 国内目前唯一的能对轿车进行 1 1 风洞试验的实 验室 ， 试验条件为 1 4 0 k m ／ h ， f - i 窗关闭 ， 为 了保 持 仿真和试验的一致性， 在试验中， 保持轮胎静止， 移动带静止。 2 6 图 l O 风洞试验的尾翼样件 图 1 1 为试验与模拟计算结果的比较， 分析对 比模拟与实验的结果 ， 可以看 出， 模拟的结果与实 验 的结果具有相 同的趋势 ， 达到 了对方案 的正确 评估 ， 试验模拟的整个过程正确 ， 今后在 车型的开 发前期， C F D就可以介入， 对整个汽车造型， 优化 空气动力学 ， 可以发挥巨大作用。同时， 还可 以减 少开发成本。 目前 由于试验 的成本很高 ， 而计算 模拟又能达到相当高的精度， 出现多个方案的比 较时 ， 可以先进行模拟计算 ， 随后选取一两个较优 的 ， 进行试验认证 。 C F D 旗 一 一 一 ’’掣 一 rES eT 尾翼高度／ m m 图 1 1 试验与模拟的风阻系数比较 4 结论 1 通过增加尾翼来提高汽车的经济性 、 动力 性与稳定性是可行的， 而且在一定的程度下是可 以很快实施的方案。 2 通过 比较3 款不 同高度尾翼的模拟结果 ， 下转第3 3页 上海 汽车2 0 1 2 ． 0 2 5 O 5 0 5 0 5 O 毗叭∞ ∞叭叭 O O 0 簌 崮医 器内， 标定 T 】 5 0℃ ， ，4 5 o C， 4 2 o C， 同时 完成样车的装配 ， 进行测试。利用 C A N a l y z e r 工具 接通车辆诊断 口实时监控 和记录动力 系统 C A N 网络信息 ， 同时利用硬件平 台 自身的标定工具监 控和标定功能控制器 内部变量 ， 验证 和优化控制 策略功能。实验结果如表 1 所示。 原 图4 车载温度控制系统实验平台 表 1 实验及结果 实验环境 实验操作 实验结果． 环境 温度 3 0℃ ； 样 车曝 风扇不 开 ， 鼓 风 机 车内温度 在 4 2℃ 晒至车内温度达 4 0℃ 不开 ， 半导体不 开 以内 环境温度 7 8℃； 样车曝 风扇开， 鼓风机开 车内温度能稳定 晒至车内温度达 9 5℃ 1 0 ％， 半导体未开 在 4 2℃以内 外界 温度 7 6℃ ； 样 车曝 风扇开 。 鼓风 机 开 车 内 温 度 能 稳 定 晒至车内温度达 1 0 1℃ 1 0 ％， 半导体开 在 4 2℃以内 外界温度 7 6℃； 样车曝 风扇开， 鼓风机开 车内温度能稳定 晒至车内温度达 1 1 0℃ 2 0 ％， 半导体开 在 4 2℃以内 ．实验结果表明 ， 当样车车 内温度在设定范 围 内时， 换气及制冷系统都不工作 ； 当车内温度超过 设定范围时 ， 针对不 同的车载温度工况 ， 车载温度 控制系统能 自动调节换气系统及制冷系统的工作 状态 ， 将温度调到设定范围内。 4 结语 本文提 出的车载温度控制系统及其策略能够 有效地保证鼓风机、 排风扇、 半导体制冷 3大关键 部件的运行 可靠 ， 实现车内温度控制O针对车 内 温度不 同工况 ， 车载温度控制系统能够 自动调节 降温元件， 进一步提高其经济性； 另外， 能根据系 统实际的运行效果， 对其控制策略参数进行标定 优化 ， 进一步提高其适应性。 参考文献 [ 1 ] 何彬 ， 窦国伟．插电式燃料电池轿车整车控制策略研究 [ J ] ． 上海汽车 ， 2 0 0 9 2 2 - 6 ． [ 2 ] L I N C C ， P E N G H， G R I Z Z L E J W． C o n tr o l s y s t e m d e v e 1 ． o p me n t f o r a n a d v a n c e d - t e c h n o l o g y me d i u m-d u t y h y b rid e l e c t r i c t r u c k [ J ] ．S A E p a p e r 2 0 0 3 -0 1 - 3 3 6 9 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 万仁君．电动汽车分布式控制系统的总线调度与整车 控制策略的研究[ D ] ． 天津 天津大学， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 万刚． 中国电动汽车的现状和发展[ J ] ． 中国环保产业， 2 0 0 3 2 ． 上接第 2 6页 ． 可以看 出 随着尾翼高度 的增加 ， 风阻系数 先减 少 ， 后增加 ， 后升力不断减少 ， 前升力有所增加 ， 增 加 的趋势比较缓慢。 3 风洞试验结果验证了模拟的准确性， 以后 的开发过程中， 在一定 的情况下 ， 可 以先进行模拟 计算 ， 分析讨论方案的效果 ， 最后选取结果比较好 的进行风洞试验 ， 可以减少开发成本 ， 提高开发的 效率。 上海 汽车2 0 1 2 ． 0 2 参考文献 [ 1 ] 王福军．计 算流体 动力 学分析 C F D软件原 理与应 用 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 付强． 轿车尾翼间隙和攻角的数值风洞研究[ D ] ．吉 林 吉林大学 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] S C H E N K E L ， F ． K ． ． r I 1} l e O r i n g i n o f D r a g and L i f t R e d u c t i o n s o n A u t o m o b i l e s w i t h F r o n t a n d R e a r S p o i l e r [ J ] ，S A E P a p e r 7 7 03 8 9． 33