带有减阻增稳仿生结构的车辆空气动力学特性仿真研究.pdf

2 0 1 5年 第 3 7 卷 第 1 2期 汽车工程 Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 5 Vo 1 ． 3 7 No ． 1 2 带有减阻增稳仿生结构 的车辆 空气动力学特性仿真研究 冰 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2 1 2 0 1 3 ； 2 ．大阪大学工学部， 日本 大阪5 6 5 0 8 7 1 2 0l 5 2 3 4 [ 摘要] 本文中采用 C F D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 ． 5 9 ％， 升力系数下降幅度在 5 5 ％以上。 关键词 车辆 ； 空气动力学特性 ； 工程仿生 ； 减阻增稳 ； 计算流体力学 A S i mu l a t i o n S t u d y o n t h e Ae r o d y n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f a Ve h i c l e wi t h Bi o mi me t i c S t r u c t u r e f o r Dr a g Re d u c t i o n a n d S t a b i l i t y En h a n c e me n t N i J i e ， L i u Z h i q i a n g ， Hu Gu o l i a n g F a n Qi n y i n 1 ． S c h o o l o fA u t o m o b i l e a n d c E n g i n e e r i n g ，J i a n g s u U n i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 2 ． S c h o o l o f E n g i n e e r i n g ，O s a k a U n i v e r s i t y ，O s a k a 5 6 5 0 8 7 1 [ Ab s t r a c t ] T h e e f f e c t s o f b i o n i c s t r u c t u r e o n t h e a e r o d y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c s o f a c a r a r e s t u d i e d b y C F D n ume r i c a l s i mu l a t i o n i n t h i s p a p e r ．Fi r s t l y a s i mu l a t i o n o n t h e a e r o d y na mi c d r a g c o e ffi c i e n t o f o r i g i n a l c a r i s c o n d uc t e d u n de r d i f f e r e n t d r i v i n g s pe e d s ，wi t h i t s e f f e c t i v e n e s s v e r i fie d b y wi n d t un n e l t e s t ．Th e n a s p o i l e r i s a d d e d a nd a n u n s mo o t h b i o mi me t i c r i d g e s t ruc t u r e i s a d o p t e d o n t h e r e a r e n d s u r f a c e o f t h e c a r wi t h a s i mu l a t i o n o n i t s a e r o d y n a m- i c c h a r a c t e r i s t i c s pe r f o r me d．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t he r i dg e s ha p e d b i o n i c s u rfa c e c a n d e l a y t he s e p a r a t i o n o f a i r flo w，b e t t e r c a r d i n g i t s wa ke flo w．Th e a do p t i o n o f s p o i l e r a n d b i o ni c r i d g e s t ruc t u r e p r o d u c e s a s i g ni fic a n t e f f e c t o f d r a g r e d uc t i o n a n d s t a b i l i t y e n h a nc e me n t i n h i g h s pe e d d r i v i n g，wi t h a d r a g r e d u c t i o n r a t e up t o 2 ． 5 9％ a n d a n o v e r 55 ％d r o p i n l i ft c o e ffi c i e n t ． Ke y wo r d sv e h i c l e；a e r o dy na mi c s c h a r a c t e r i s t i c s；e ng i n e e r i ng bi o n i c s；dr ag r e du c t i o n a nd s t a bi l i t y e n- ha n c e m e nt ；CFD 日 IJ舌 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 ， 车辆在高 速行驶时 ， 发动机输出 的有效功中， 大约有 6 0 ％用 来克服空气阻力 ， 空气 阻力 系数每 降低 1 0 ％ ， 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 J 。 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 教育部高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 1 1 3 2 2 7 1 1 0 0 1 4 和江苏省普通高校研究生科研创新计划项 目 C X L X 1 2 0 6 5 7 资助。 原稿收到日期为2 0 1 4年4月 2 4日， 修改稿收到E t 期为2 0 1 4年7月 3日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 9 4 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 l 2期 5 5 ％ ～ 7 0 ％。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。 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 ． 5 9 ％ ， 升力系数下降幅度在 5 5 ％以上。 参考文献 [ 1 ] 李锦 ， 陈佳星． 某轿跑车的空气动力学性能仿 真分析 [ J ] ． 上海 [ 2 ] 3] [ 4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 工程技术大学学报 ． 2 0 0 9 3 ． 傅立敏． 汽车空气动力学数值计算 [ M] ． 北 京 北京理工大学 出 版社 ， 2 0 0 1 ． 王波 ， 罗 际， 朱睿． 汽 车造型设 计的线 型分析 方法 [ J ] ． 汽车 工 程 ， 2 0 1 0， 3 2 6 ． 黄德斌， 邓先和， 王杨君． 沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研 究 [ J ] ． 水动力学研究与进 展， 2 0 0 5 ， 2 0 1 1 0 2 1 0 5 ． 丛茜 ， 封云 ， 任露 泉． 仿 生非光 滑沟槽 形状对 减阻效 果的影 响 [ J ． 水动力学研 究与进 展 2 0 0 6， 2 1 2 2 3 2 2 3 8 S f a k i o t a k i s M ，La n e D M ，Da v i e s J B C．R e v i e w o f F i s h S wi mmi n g Mo d e s f o r A q u a t i e L o c o mo t i o n [ J ] ．I E E E J ．O c e a n i c E n g ， 1 9 9 9， 2 4 2 2 3 7 2 5 2 ． Ma d d o c k L， B o n e Q， R a y n e r J M V．T h e Me c h a n i c s a n d P h y s i o l o g y o f An i m a l S w i mm i n g [ M] ．u KC a n f1 r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s 2 0 0 8 ． 任露 泉， 张成春 ， 田丽梅仿生 非光 滑用 于旋 成体减 阻的 试验 研 究 J ] ． 占林大学学报 工学 版 ， 2 0 0 5 4 4 3 1 4 3 6 ． 金益锋 ， 谷正气 ， 容江磊 ， 等． 汽车 凹坑 型非光滑表 面减阻特 性 的分析 优化 [ J ] ． 汽车 [ 程 ， 2 0 1 3 ， 3 5 1 ． 杨易， 聂云， 徐永康， 等． 车身非光滑表面位置对气动性能的影 响[ J ] ． 华中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 4 1 2 3 2 7 ． 张英朝． 汽车空气动力学数值模 拟技术 [ M] ． 北 京 北京 大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． 上接第 1 4 0 5页 l l 4 ] T a y R， C h o i J ， K a t t a n L ．A Mn h i n o mi a l L o g i t Mo d e l o f P e d e s t r i a n Ve h i c l e Cr a s h S e v e r i t y 『 J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S u s t a i n a b l e T r a n s p o r t a l in n ， 2 0 1 1 ， 5 4 2 3 3 2 4 9 ． [ 1 5 O t t e D P o s s i b i l i t i e s a n d L i m i t a t i o n for P r o t e c t i v e M e a s u r e s fo r I n j u r y R e d u c t i o n o f Vu l n e r a b l e R o a d U s e r s f J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r lq a 1 o f C r a s h w o r t h i n e s s ， 2 0 0 2 ， 7 4 4 4 l 一 4 6 2 l 1 6 j F r e d r i k s s n n R， R o s 6 n E ，K u l l g r e n A．P r io r i l i e s o f P e d e s t r ia n P r o t e c t i o 『 l A R e a l J i S t u d ,o f S e v e r e l n j u r i e s a n d C a r S o u r c e s [ J ] A c c id e n t A n a 1 s i s a n d P r e v e n t i o n ， 2 0 1 0 ， 4 2 6 1 6 7 2 1 6 8 1 1 7 j R o s 6 n E，S a n d e r U．P e d e s t r i a n F a t a l i t y R i s k a s a F u n c t io n o f C a r h n p a c t S p e e d J ． Ac c i d e n t An a l y s i s a n d P r e v e n t i o n， 2 0 0 9， 4 1 3 5 3 6 5 4 2 ． [ 1 8 j F r e d r i k s s o n R． R o s 6 n E ．I n t e g r a le d P e d e s t r i a n C o u n t e r me a s u r e s P o t e n t i a l n f He a d l n j u r y R e d u c ti o n C o m b i n i n g P a s s i v e a n d A c t i V e C 1u l l I e 13 n e a s u F e s 『 J S a f e l Y S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 5 0 3 4 0 0 4 0 7 ． [ 1 9 ]t t a r d y B J ，L a w r e n -e G J L ，C a 1 T o l l J A，e t a 1 ．A S t u d y o n th e F e a s i b i l i t y o t Me a s u r e s Re la t i n g l o t h e P r o t e c t i o n o f P e d e s t r i a n s a n d O t h e r V u l n e r a b l e R o a d U s e r s --F i n a l 2 0 0 6 [ R] ．E C C o n t r a c t No ．ENT R／ 0 5 ／1 7 ． 0 1． 2 0 0 6 1 0 1 1 1 6． [ 2 O ] [ 2 1 ] [ 2 2] [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 ] Hu a n g S．Ya n g J K，Ek l u n d F _Ev a l u a t i o n o f Re mo t e P e d e s t r i a n S e n s o r S y s t e m B a s e d o n th e An a l y s i s o f Ca r p e d e s t r i a n Ac c i d e n t S c e n a r i o s J ] ．S a f e t y S c i e n c e ， 2 0 0 8 ， 4 6 9 1 3 4 5 ～1 3 5 5 ． R n s 6 n E，K g l lh a m me r J E， E fi k s s o n D，e t a 1 ．P e d e s t r ia n l n j u o Mi t i g a t i o n b y A u t o n o m o u s B r a k i n g l J ] ．A c c id e n t A n a l y s i s a n d P r e v e n t i o n ， 2 0 1 0， 4 2 6 1 9 4 9 1 9 5 7 ． C o e l i n g h R，Ei d e h a l l A， B e n g t s s a n M． Co i l i s i o n Wa nri n g wi t t I F u l l Au t o B r a k e a n d Pe d e s t r i a n De t e c t i o n a P r a c t i e a l Ex a mp l e 1 f A u t o ma t i c E m e r g e n c y B r a k i n g [ C] 2 0 1 0 1 3 t h l n l e ma t i o n a l I E E E A n n u a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t Tr a n s p o r ta t i o n S y s t e ms Ma d e i r a I s l a n d，P o r t u g a l ， 2 01 0 1 9 2 2． 李莉． 汽车 与行人碰撞事故 调查分析 及仿真 研究 D j ． 长沙 湖南大学 ， 2 0 0 6 1 8 2 5 ． 王宏 ， 戎晶慈 ， 朱西产． 行人 、 非机 动车道路交通事故特征及 伤害研究 [ J ． 道 路交通 与安全， 2 0 0 8 ， 8 3 2 8 3 3 ． 李莉 ， 杨 济匡 ， 李伟 强 ， 等． 汽车碰撞行 人交通 伤害特点 分析 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 5 ， 2 7 1 4 4 4 6 ． 中国汽车技 术研 究 中心 ． 中国 交通 事故 深 入研 究 C I D A S [ E B ／ O L] ． h t t p ／ ／ w w w． c i d a s ． e n ／ i n d e x ． p h p ． 2 0 1 4 一 叭～1 O ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m