车身非光滑表面组合布置对气动特性影响分析

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摘要：为了研究非光滑表面尺寸及组合布置位置对汽车气动性能的影响.以MIRA阶梯背模型为研究对象，采用CFD与风洞试验相结合的方法对3种不同位置组合模型的气动性能进行了研究，并与光滑表面模型进行对比分析，探讨其减阻机理.结果表明，行李舱盖，车身尾部和车身底部组合布置非光滑单元体减阻效果最佳，减阻率为5.90%.非光滑表面通过改善汽车的尾部涡流，降低了模型压差阻力；同时通过改变近壁面气流的流动状态，降低了车身表面的气流速度，减小车身的摩擦阻力.

关键词：汽车车身；气动减阻；非光滑表面；组合布置

中图分类号：U461.1 文献标识码：A

降低车身空气阻力是提高车辆燃油经济性与动力性的重要途径[1].仿生学研究发现[2]非光滑表面结构是一种有效的形态减阻方法，它不会给使用体带来额外能量消耗及空间占用，也没有对流体造成污染，仅依靠直接改变壁面形状就可以起到很好的减阻效果.

汽车气动阻力的产生与车身表面流场边界层结构密切相关.国内外研究结果表明，表面非光滑形态结构能够通过控制边界层改变物体表面流场从而降低气动阻力[3].容江磊等[4]对某款车辆模型采用后翼子板开孔和尾部开槽方法进行风洞对比试验时，发现气动阻力系数降低了6.5%，而采用车顶凹坑非光滑形态减阻方法，最佳减阻率可达9.34%.张国耕[5]将非光滑单元体布置在某车型的发动机前罩盖及车身顶盖，仿真发现减阻率可达到10.31%.

为进一步研究非光滑车身气动减阻问题，本文在MIRA阶梯背式模型不同组合位置布置凹坑形非光滑表面，通过CFD数值仿真，研究非光滑表面组合布置对车辆气动性能的影响，比较非光滑结构对模型压差阻力、诱导阻力、摩擦阻力的影响，分析非光滑表面气动减阻机理和减阻效果差异的原因，找出合理有效的组合布局位置，为非光滑形态减阻理论研究和工程应用提供参考.

1非光滑单元尺寸与分布位置

1.1车身模型选取

本文基于UG软件，选用国际MIRA模型组中的阶梯背模型进行研究.由于车身没有复杂附件，底盘可简化为光滑平板，故选用较为简单的MIRA模型.

1.2非光滑单元布置位置

压差阻力是汽车气动阻力的主要组成部分，压差阻力中，汽车前部仅占9%，其余的91%全部来自于汽车尾部.为了使非光滑表面对汽车尾部气流产生影响，单元体布置位置分别为车身顶部、行李舱盖、车身尾部以及车身底部.如图1所示.

4计算结果分析

4.1非光滑表面布置对减阻率的影响

通过计算结果发现，非光滑表面减阻效果受单元体深度，间距以及布置位置的影响.非光滑单元体同时布置在车身底部、车身尾部和行李舱盖，分别选用深度为8 mm，1 mm和8 mm时减阻效果最好，减阻率为5.90%.

4.2非光滑表面对压差阻力和诱导阻力的影响

4.2.1非光滑表面对压差阻力影响

文献[11]研究表明，受到流体的粘性和汽车的形状这两个因素的影响，车前部受到的正压力与后部由于抽吸作用而成的负压力形成了前后的压差阻力.利用fluent积分求解可得出整车所受到的总阻力如表7所示.由表7可知，整车底部后部组合的情况减阻效果最为明显.

4.2.2非光滑表面对诱导阻力影响

诱导阻力与车尾纵向涡的大小是密切相关的，车尾纵向涡越小，诱导阻力也越小，反之越大.由于车尾纵向涡会产生一个大的负压区，可以通过比较车尾纵向截面内的压力云图，来衡量车尾纵向涡的大小.由图5可知，与光滑车身相比，非光滑车身压力云图低压区面积明显较小，低压区面积越小，界面内压力升高，气流的速度减缓，气流的动能降低，在车尾形成的拖拽流缩小，故所产生的诱导阻力变小.

4.3非光滑表面对摩擦阻力的影响

通过Fluent积分计算可以得到全车所受到的摩擦阻力，如表8所示.由表8可知，摩擦阻力在模型所受总阻力的比值较低，非光滑表面布置后对摩擦阻力的影响不明显.

5结论

1）在车身行李舱盖、车身尾部和车身底部布置非光滑单元体的组合有较好的减阻效果，比单独布置的效果好，减阻率最大为5.90%.

2）非光滑表面减阻效果受非光滑单元体深度、单元体间距和分布位置的影响.在行李舱盖布置非光滑单元体，凹坑深度为8 mm，间距为60 mm时，减阻效果最好，减阻率为4.97%.

3）非光滑表面改善了汽车的尾部涡流，增大了车身后部的压力，减小了汽车压差阻力.同时通过改变近壁面气流的流动状态，降低了车身表面的气流速度，从而减小车身的摩擦阻力，达到了减阻效果.

参考文献

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