基于气动升力的汽车底部流场改进
杨易，徐永康，沈夏威，谷正气
(湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082)
摘要：对复杂车身底部流动特性进行分析和改进，以达到降低车身阻力和提高车辆行驶稳定性的目的，以某轿车模型为研究对象，对汽车底部外形进行增加密封盖板、凸唇状扰流板以及布置凹坑型非光滑表面等组合改型设计，研究改进设计对汽车空气动力特性的影响，并对产生影响的原因进行分析。模拟计算结果表明：通过组合改进设计，增大底部气流速度，改善底部气流分布形式，在凹坑底部形成类似球形的小涡，将气-固表面滑动摩擦阻力转化为滚动摩擦阻力。气动升力系数减小73.8%，气动阻力系数减小7.4%，达到了既大幅降低升力系数又减小阻力系数的目的，可为汽车底部外形设计和改型提供参考。
关键词：车身；气动升力；气动阻力；底部流场；改进设计
中图分类号：TH12 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)10-4063-06
Improved research of automobile underbody flow filed based on aerodynamic lift
YANG Yi, XU Yongkang, SHEN Xiawei, GU Zhengqi
(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: The complex underbody flow characteristics of the automobile were analyzed and improved in order to reduce the aerodynamic drag and improve the stability of the automobile on travel. Taking a car model as research object，different underbody shapes were designed through increasing a sealed cover and a convex lip-shaped spoiler and arranging pit unsmooth surface on the bottom of the car. The influences of the improved design on automobile aerodynamic characteristic were researched and the reasons were analyzed. The results show that the velocity and distribution of underbody airflow are separately increased and improved through resultant improved design. Some small ball-like vortices are formed inside pit unsmooth surface which turns sliding friction force into rolling friction force on the gas-solid surface. The coefficient of aerodynamic lift decreases by 73.8% and the coefficient of aerodynamic drag decreases by 7.4%, which has achieved the targets of lowering the coefficients of aerodynamic lift dramatically and decreasing the coefficients of aerodynamic drag as well. Therefore，the design will provide reference for underbody shape design.
Key words: automobile body; aerodynamic lift; aerodynamic drag; underbody flow filed; improved design
汽车高速行驶时的“发飘”问题是目前国际各大汽车厂商在汽车开发过程中的重点研究问题，也是我国汽车产品在自主研发过程中亟待解决的问题[1] 。由于传统的气动升力改进装置如“负升力翼”等，在增加负升力的同时，使得气动阻力也随之大幅增加，目前主要在高速赛车上运用，较难推广到普通道路车辆[2]。因此，研究如何在保证低阻的前提下增加汽车的负升力，可为汽车外形设计和改型提供参考，也为汽车气动性能优化打下基础。由于地面效应和车轮旋转效应的影响，汽车底部的复杂流动对于整车外部流场结构和空气动力性能具有很大的影响[3-5]。在保证低阻力系数的前提下，通过对车辆底部进行改进，使得车底与地面间的气流流速加快，获得更强的“文丘里”效应，将有助于得到更好的整车气动性能[6-8]。本文采用密封挡板、凸唇状扰流板以及布置凹坑型非光滑表面等车辆底部改进方法，分析比较各种方法对气动特性的作用效果，以某轿车工程实例为基础，研究组合改进方法对气动升力的影响。
1 气动升力影响机制分析
气动升力的产生机理复杂，有关研究表明：汽车上、下表面压差是气动升力产生的主要来源[1]。下面以伯努利方程为基础，根据车辆表面流谱分析气动升力的产生机理。对y方向变化尺寸不大的气流运动，伯努利方程可以简写成
(1)
式中：C为常数；P为压强；ρ为密度；v为速度；压强与气流运动的速度呈负相关。
图1所示为汽车纵对称面流谱，由图1可知：汽车上表面的形状要比下表面更弯曲，空气质点流过汽车上部的路程要大于流过底部的路程，而流经后的空气质点又须同时在汽车后部汇合。仅从这点来看，空气流过汽车上部的速度要高于流过底部的速度。根据伯努利方程，汽车上表面形成一个低压区，下表面形成高压区，上、下表面的压差也就是气动升力产生的基本原理。车辆产生“发飘”的直接原因是气动升力克服车重将汽车向上托起，使车辆轮胎与地面之间的附着性能变差[9]。
图1 汽车纵对称面流谱
Fig. 1 Flow patterns of car in vertical symmetry plane
2 数值模拟模型
2.1 原车模型
为真实地模拟整车流场，模型保留了底盘、油箱、悬架和排气系统等车辆底部重要特征，忽略了门把手和雨刮等对研究几乎没有影响的细小特征。原车模型底部如图2所示，模型比例为1:1，长，宽和高分别为5 011，1 866和1 457 mm。原车底部气流流线如图3所示，从图3可以看出：车辆底部复杂的结构，使得气流流过时形成错综复杂的涡系。这些分离区复杂的漩涡，造成能量耗散，使底部气流受到的阻力增加。
图2 原车模型底部
Fig. 2 Bottom of original car model
图3 原车底部气流流线图
Fig. 3 Underbody streamlines of original car
2.2 改进模型一：底部加密封盖板
气流在流经车底前部时与前车架及发动机舱产生严重的干涉，气流在这些复杂的机构处发生旋转或滞留而造成大量的能量耗散。加上密封盖板，可以大大减少底部的紊流，使气动升力系数减小20%左右，效果显著[10]。本文将底盘前部，即发动机舱前车架所在位置的下方加装密封盖板，盖板将前端裸露的机构密封，和汽车底部构成整体，改进后的模型底部如图4所示。
图4 增加密封盖板的模型底部
Fig. 4 Bottom of car with a sealed cover
2.3 改进模型二：车头前缘加扰流板模型，底部加密封盖板
在改进模型一基础上，通过加装车头前缘凸唇状扰流板对底部气流作进一步的改善。根据原车车头前缘造型，将其面向迎风侧拉伸125 mm构建凸唇状扰流板，两边根据车头两侧曲率作平滑过渡，凸唇及改进后车头造型如图5所示。凸唇状扰流板有利于改善车辆底部气流状况，使得气动升力减小。
图5 凸唇状扰流板
Fig. 5 Convex lip-shaped spoiler
2.4 改进模型三：密封盖板上布置凹坑型非光滑表面，车头前缘加凸唇扰流板
仿生学研究发现表面非光滑形态结构能够改变边界层流场结构，控制物体表面流场从而降低阻力[11]。受非光滑表面减阻的启发，本文在车身设计中引入仿生非光滑表面，如图6所示，在改进模型二的基础上，将半球凹坑型非光滑表面布置在底部密封盖板。凹坑直径D=15 mm，深度s=7.5 mm，横向间距W=60 mm，纵向间距L=120 mm。
图6 带有凹坑型非光滑表面车底模型及单元体的尺寸设计
Fig. 6 Bottom of car with pit unsmooth surface and size of unit
3 数值计算方法
3.1 计算域的确定及网格的划分
上述的4种模型CFD计算时使用长方体计算域来模拟风洞，如图7所示，计算域入口距车头3倍车长，出口距车尾7倍车长，宽度为7倍车宽，高度为5倍车高。
图7 整车模型计算域
Fig. 7 Computational domain of car
采用ICEM-CFD软件生成非结构化网格，并在整车表面拉伸出3层平行的棱柱网格以满足壁面函数，更好地模拟附面层[12]。为了保证模型对比的可靠性，网格划分时，参数设置相同。4种模型生成的网格数量和节点数量如表1所示。
表1 4种模型网格和节点数量
Table 1 Numbers of grids and nodes of four models 万个
3.2 边界条件的设定
整车数值计算在FLUENT软件中进行。由于汽车空气动力学中空气的流速较小，马赫数小于0.3，可认为不可压缩流。压强为1×105 Pa，温度为常温。选择可实现的k-ε湍流模型。壁面函数设置为标准壁面函数，选用二阶迎风格式进行空间离散，数值方法采用SIMPLE算法。
整车计算域入口设置速度入口边界条件，速度为40 m/s，沿x轴正向；湍流强度取经验值为0.5%，水力直径为9.705 m。计算域出口设置压力出口边界条件，湍流强度取经验值5%，水力直径为9.705 m。为模拟车辆与地面的相对运动，地板设置为移动壁面边界，同入口流速40 m/s沿x轴正向。计算域左右及上表面设置为滑移壁面边界条件，粗糙度为0.5。
3.3 模拟方案的实验验证
通过风洞试验来验证网格划分、边界条件和湍流模型设置的准确性，试验模型是根据CAD模型通过数控加工中心加工成1:3的模型。在湖南大学风工程试验研究中心HD-2风洞中进行测力试验，用六分力浮框应变式测力天平及力矩的测量仪器来测量模型的气动力。试验风速为40 m/s，为了更好地模拟地面效应，采用均匀基础抽吸方法来消除风洞地板上边界层的影响[13-14]，该轿车模型试验时的安装如图8所示。
图8 原车风洞试验模型
Fig. 8 Wind tunnel test model of original car
对相关数据进行修正，得到0°偏角时模型的气动阻力和升力系数的测量值，并将仿真结果与试验对比，如表2所示。阻力系数和升力系数的数值仿真结果与风洞试验结果误差分别为4.29%和4.75%，在工程允许误差5%以内，从而验证了数值仿真的可靠性[15]。
表2 仿真值与试验值比较
Table 2 Contrast of simulated and testing results
4 计算结果及分析
各模型通过Fluent软件进行3 000步迭代计算后，得到升力系数和阻力系数，如表3所示。
表3 各模型计算结果
Table 3 Calculated results of different models
从表3可知：对于改进模型一，由于整车底盘添加密封盖板没有增加迎风面积，改进后CD较原车略微减少了0.8%，CL减少了45.8%。其主要原因是底部密封板减少了底盘前端裸露的复杂机构对底部气流的阻滞作用，使得底部气流流速增加，从而减低车底向上气压，导致气动升力减小。
对于改进模型二，CD增加了1.5%。其主要原因是原车前端气流直接贴着汽车前部表面分离，加装凸唇后气流流经凸唇时在凸唇下部形成小的涡流，并且气流必须绕过凸唇，这样不利于前部气流的分离，如图9所示。CL降低了70.2%，主要原因是原车头下缘呈圆角，正面气流在车头表面上下分流时能够顺畅沿着圆角进入整车底部，加剧底部流场的紊流状况。而车头前缘的凸唇状扰流板，在气流在车头向下流动时能够起到很好的抑制作用，将气流导向两侧，减小了进入车底的气流量，使得整车底部的压强降低，从而有效地减小了整车的气动升力。
图9 纵对称面前端流谱比较
Fig. 9 Comparison of flow patterns on front vertical symmetry plane of two models
对于改进模型三，CD减小了0.025 5，减阻率为7.4%，主要原因是凹坑型结构可以改变车底表面的流场特性，在凹坑底部形成低速旋转涡流，如图10所示。低速旋转涡流与车身表面气流形成流层之间的滚动摩擦力，比原车气-固表面滑动摩擦力要小，底部气流流过非光滑表面时能量耗散较低，流速改变小，有效降低整车的空气阻力。CL较原车降低了73.8%，主要原因是非光滑表面在汽车底部的引入，使得底部的流速更趋平稳，底部压力减小，升力减小。
图11所示为3个改进模型底部流场流线图，从图11可以看出：改进模型一流经密封盖板的气流速度较原车发动机舱底部的流速明显增加，并且使得流过车底的整体流线贴合底盘，趋于平滑地流向后方。
改进模型二增加了凸唇状扰流板使得底部前端流场流线变得稀疏。从流线形式看改进模型一和改进模型二没有很大的改变，说明凸唇状扰流板的增加没有改变底部气流的流向而是阻隔部分气流流入车辆底部。
改进模型三引入的凹坑型非光滑表面，对底部的气流流速没有很大增加，但是改变了气流的流向，从流线图中可以看到底部涡流减少，气流趋于平直，说明改进以后的模型改善了汽车的空气动力学特性。
图10 凹坑内部流谱
Fig. 10 Flow patterns within pit
图11 各改进模型底部气流流线图
Fig. 11 Underbody streamlines of three improved models
图12和13所示分别为原车型和改进模型三距离地面100 mm处XY平面压力迹线图。从图12和13可以看出：原车和改进模型三底部负压区分布较为类似，但改进模型三底部负压值明显低于原车，说明经过改进设计后，底部总体向上压力减小，从而升力降低。
图12 原车模型距离地面100 mm处XY平面压力迹线图
Fig. 12 Pressure trajectories of XY plane of surface 100 mm off ground of original model
图13 改进模型三距离地面100 mm处XY平面压力迹线图
Fig. 13 Pressure trajectories of XY plane of surface 100 mm off ground of the third improved design model
5 结论
(1) 通过在车底前车架下添加密封盖板、车头下缘添加凸唇状扰流板和密封盖板上施加凹坑型非光滑表面的设计，增大底部气流速度，改善了底部气流分布形式，使气动升力大幅减小。
(2) 车底引入凹坑型非光滑表面，改变近壁面气流的流动状态，在凹坑底部形成类似于球形小涡，将气-固表面滑动摩擦阻力转化为流层滚动摩擦阻力，使得气动阻力减小。
(3) 通过改进设计，气动升力系数减小73.8%，气动阻力系数减小7.4%，达到了既大幅降低升力系数又减小阻力系数的目的，提高了汽车的气动特性，为汽车气动性能优化设计提供了思路。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2012-08-07；修回日期：2012-10-22
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375155)；湖南省自然科学基金资助项目(12JJ3041)
通信作者：杨易(1972-)，男，湖南长沙人，博士，副教授，从事汽车空气动力学等研究；电话：13875957696；E-mail：hnyy66@163.com
