近年來(lái)，SUV（運(yùn)動(dòng)型多功能車）因其舒適性、高效性能和實(shí)用性在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多。由于大多數(shù)SUV都是在高速公路環(huán)境中行駛的，因此不良空氣動(dòng)力阻力的形成嚴(yán)重影響了性能，從而導(dǎo)致油耗增加。因此，本文更側(cè)重于通過(guò)在SUV汽車模型中引入改進(jìn)的基礎(chǔ)放氣方法來(lái)降低油耗。對(duì)已經(jīng)修改的底排和沒有修改的SUV汽車模型進(jìn)行了數(shù)值研究，以確定恒定運(yùn)行速度下的氣動(dòng)參數(shù)，如壓力系數(shù)（CP）、阻力系數(shù)（CD）、升力系數(shù)（CL）和側(cè)向力系數(shù)（CS），不同橫擺角（ψ）。研究表明，阻力系數(shù)（CD）的降低，改進(jìn)了底排的SUV車型的油耗率，比沒有底排的車型降低了4.02%。研究表明，在SUV車型上實(shí)施改進(jìn)的底部排氣可以降低油耗，并為更好的性能提供空氣動(dòng)力學(xué)支持。

01  前    言 

 隨著環(huán)境法規(guī)變得更加嚴(yán)格，人們對(duì)更環(huán)保的交通選擇的需求越來(lái)越大，減少空氣動(dòng)力阻力對(duì)于降低乘用車的燃料消耗和整體性能至關(guān)重要。然而，使用

SUV的需求正在上升，并產(chǎn)生更多的阻力，導(dǎo)致油耗進(jìn)一步增加。在乘用車中，燃料消耗和減阻是相關(guān)的。車輛使用的大部分牽引能量，特別是在較高速度下，被空氣動(dòng)力阻力所利用。這強(qiáng)調(diào)了高效減阻技術(shù)的必要性，因?yàn)樗苯佑绊懭剂舷?。人們普遍認(rèn)為，減少氣動(dòng)阻力可以降低燃料消耗，正如（Hucho&Sovran，1993）和（Rose，1981）最近的研究所證明的那樣。此外，流量控制技術(shù)被廣泛用于降低氣動(dòng)阻力，并可用于不同的車身類型。

    我們的研究旨在實(shí)施這種修改后的底部排氣。具體而言，我們將通過(guò)修改底部排氣剖面來(lái)擴(kuò)展Sivaraj等人的工作。這包括在汽車后端部分增加多個(gè)底排出口，這將使人們更全面地了解修改后的底排。通過(guò)這樣做，我們希望有助于更全面地了解乘用車的減阻，并為車輛空氣動(dòng)力學(xué)提供新的見解。

    因此，本研究更側(cè)重于基于數(shù)值模擬過(guò)程，研究在汽車模型中實(shí)施改進(jìn)的底排以提高空氣動(dòng)力學(xué)性能的方法。針對(duì)有和沒有基礎(chǔ)放氣以降低油耗的汽車模型，分析了不同速度和橫擺角下的阻力系數(shù)（CD）。

02  改良型尾部排氣

       尾部排氣技術(shù)涉及在車輛后部放氣高壓氣體，它主要是為航空航天應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通過(guò)改變尾流區(qū)域的流動(dòng)特性，這種方法成功地降低了基礎(chǔ)壓力和由此產(chǎn)生的阻力。研究人員對(duì)超音速和高超音速飛行中的底排原理進(jìn)行了深入研究，顯著降低了波浪阻力，提高了飛行器的整體性能。與航空航天用途相比，在汽車中實(shí)施底部排氣方法以減少阻力的概念受到的關(guān)注較少。只有少數(shù)研究人員研究了開槽基底瓣等被動(dòng)出血技術(shù)的使用。但在乘用車領(lǐng)域，這種底排系統(tǒng)的使用，如航空航天領(lǐng)域所見，幾乎沒有引起任何關(guān)注。仍然有可能為道路車輛開發(fā)一種改進(jìn)的底部放氣技術(shù)，類似于航空航天應(yīng)用中使用的技術(shù)。  

       基礎(chǔ)放氣方法已被證明在航空航天領(lǐng)域是有效的，但將其應(yīng)用于乘用車存在特殊困難。乘用車的行駛速度低于飛機(jī)，路況不同，并受到明顯的設(shè)計(jì)限制。在集成改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，仔細(xì)評(píng)估系統(tǒng)復(fù)雜性、空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響以及制造可行性等方面非常重要汽車底部放氣系統(tǒng)。此外，必須在汽車行業(yè)的背景下評(píng)估安裝這種系統(tǒng)的成本效益。

       在這項(xiàng)研究中，共使用了四種不同型號(hào)的方背汽車模型。”Model 1是一個(gè)簡(jiǎn)單的方背模型，被稱為“基礎(chǔ)模型”。后來(lái)，汽車型號(hào)進(jìn)行了改裝，配備了從一個(gè)出口到三個(gè)出口的底排附件。為了方便起見，在整個(gè)研究過(guò)程中，這些修改后的模型被命名為“案例1”、“案例2”和“案例3”。

03  數(shù)值模擬

       在車輛空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中，流體流動(dòng)優(yōu)化對(duì)于減少阻力至關(guān)重要。本研究的目的是通過(guò)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬來(lái)研究減少方形后車模型阻力的可能性，從而提高空氣動(dòng)力學(xué)效率并降低燃料消耗。用于分析的車型是一款4米以下的Squareback緊湊型SUV，因?yàn)樗怯《绕囀袌?chǎng)上最受歡迎的汽車選擇。該車型的尺寸基于市場(chǎng)上一些流行的緊湊型SUV，如表2所示?；诒?和表2所示的上述考慮因素，使用功能豐富的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件CREO參數(shù)化軟件選擇和設(shè)計(jì)SUV模型的尺寸。

幾何描述

      用于分析的車型是一款4米以下的Squareback緊湊型SUV，因?yàn)樗怯《绕囀袌?chǎng)上最受歡迎的汽車選擇。該車型的尺寸基于市場(chǎng)上一些流行的緊湊型SUV，如表2所示?；诒?/span>1和表2所示的考慮因素，使用功能豐富的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件CREO參數(shù)化軟件選擇和設(shè)計(jì)SUV模型的尺寸。

 表1 改進(jìn)型基帶配置的尺寸

表2 型號(hào)規(guī)格比較

       圖1顯示了具有和不具有修改的底排的實(shí)體模型的三視圖。汽車模型是按照表2中提到的原始尺寸設(shè)計(jì)的，后來(lái)為了網(wǎng)格劃分和分析的目的，它被縮小到1:16的比例。

圖1 Squareback車型的不同視圖

       汽車模型的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為249.68毫米、112.5毫米和101.25毫米。域和汽車模型的原點(diǎn)設(shè)置為發(fā)動(dòng)機(jī)罩的前部。域大小的尺寸根據(jù)汽車L的長(zhǎng)度進(jìn)行了歸一化?？紤]到堵塞率、地面效應(yīng)、循環(huán)等某些參數(shù)，域大小保持為8L x 3L x 3L（圖2），這樣邊界條件就不會(huì)對(duì)解決方案產(chǎn)生任何意外影響。該模型被放置在距離入口3L的位置，以便有足夠的空間來(lái)研究汽車后端的效果。

圖2 計(jì)算域規(guī)范

建立網(wǎng)格

      作為有限體積法（FVM）技術(shù)的一部分，整個(gè)域被離散化為多個(gè)使用ANSYS Design Modeller計(jì)算較小體積的數(shù)量。主要針對(duì)域的體積選擇了六面體單元的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在域的非接觸區(qū)域構(gòu)建了一個(gè)較粗的網(wǎng)格，并在汽車模型周圍構(gòu)建了更細(xì)的網(wǎng)格，以捕捉模型表面的效果。

      在CFD中，湍流的精確建模對(duì)于理解車輛空氣動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要，特別要注意捕捉邊界層效應(yīng)的y+值。（Pope，2000）強(qiáng)調(diào)了精確求解邊界層的重要性，主張保持適當(dāng)?shù)膟+值，以確保湍流模型中精確的近壁處理。他建議，對(duì)于高保真模擬，y+通常應(yīng)保持在1以下，以有效地捕獲粘性子層，而基于壁函數(shù)的模型認(rèn)為30到300之間的值是可以接受的。

      由于本研究主要關(guān)注減小阻力系數(shù)CD，因此CD被視為GIS中的主要參數(shù)。該GIS共生成了四個(gè)網(wǎng)格，即網(wǎng)格1、網(wǎng)格2、網(wǎng)格3和網(wǎng)格4，網(wǎng)格質(zhì)量從粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格不等，單元大小分別為1544668、2564666、3583777和4476943（圖3）。CD是針對(duì)具有不同網(wǎng)格尺寸的Squareback汽車模型找到的，并繪制在如圖7所示的圖表中，該圖表顯示了阻力系數(shù)CD的減?。ò俜直龋?。因此，使用具有3583777個(gè)單元的細(xì)網(wǎng)格（網(wǎng)格3）進(jìn)一步進(jìn)行流動(dòng)模擬。必須注意的是，選擇具有較少單元的網(wǎng)格可能會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生解決方案，但解決方案的質(zhì)量/準(zhǔn)確性將受到網(wǎng)格尺寸選擇不當(dāng)?shù)挠绊憽?

圖3 GIS所遵循的不同網(wǎng)格尺寸的CD圖

       現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，這些網(wǎng)格計(jì)數(shù)足以用于類似的空氣動(dòng)力學(xué)研究。例如，（Tucker，2001）強(qiáng)調(diào)，300萬(wàn)至500萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)數(shù)通常足以捕捉汽車模擬中的關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)特性。我們的網(wǎng)格分辨率完全在這個(gè)范圍內(nèi)，這為結(jié)果的穩(wěn)定性提供了信心。

CFD求解器

       基于網(wǎng)格獨(dú)立研究，具有3583777個(gè)單元的網(wǎng)格進(jìn)一步用于在ANSYS FLUENT中進(jìn)行CFD模擬，ANSYS FLUENT是一種通用的CFD求解器，在給定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件時(shí)，能夠進(jìn)行接近精確結(jié)果的模擬。有限體積法（FVM）用于求解流體力學(xué)的控制方程。考慮了流體流動(dòng)中質(zhì)量和動(dòng)量守恒的連續(xù)性、x、y和z動(dòng)量方程。

      入口速度保持在25m/s，這被認(rèn)為是大多數(shù)國(guó)家乘用車的平均巡航速度，出口保持在大氣操作條件下的壓力出口。除此之外，所有墻都被視為固定墻，除了底面，該底面被假設(shè)為移動(dòng)墻作為本次模擬的邊界條件。發(fā)現(xiàn)與車身形狀和車身底部流動(dòng)等其他因素相比，旋轉(zhuǎn)車輪對(duì)阻力和升力系數(shù)的影響相對(duì)較小。在ANSYS CFD post工具中進(jìn)行后處理，以可視化汽車模型周圍氣流的三維流型。除此之外，其他流量參數(shù)，如汽車上的速度和壓力分布、升力和阻力系數(shù)等，也以等高線圖的形式可視化。

圖4 汽車模型的速度矢量

04  結(jié)論與分析  

本節(jié)對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬進(jìn)行了全面分析，在四種不同的汽車模型上進(jìn)行了測(cè)試——基礎(chǔ)模型、案例1、案例2和案例3。本研究的主要目的是調(diào)查和比較這些模型在不同底排條件下的復(fù)雜氣動(dòng)性能，如單出口、雙出口和后部三個(gè)出口。通過(guò)對(duì)速度分布、壓力分布和湍流強(qiáng)度的細(xì)致檢查，我們的模擬揭示了每輛車周圍的復(fù)雜流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。

速度

       在后處理步驟中，汽車周圍的三維流動(dòng)被可視化。圖8顯示了連接和不連接底部放氣的汽車模型周圍的流體流動(dòng)速度矢量。觀察到自由流流體流不受影響，直到它到達(dá)所有車型的前部并被發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域偏轉(zhuǎn)。由于前部的陡峭角度，流量隨著速度的降低而停滯，進(jìn)而流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域。氣流分離最初發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域，后來(lái)氣流附著在前擋風(fēng)玻璃上流動(dòng)繼續(xù)存在于頂面，并傾向于以傾斜角度分離后端區(qū)域。這種陡峭的傾斜角度使Squareback車輛在后端區(qū)域更容易發(fā)生流動(dòng)分離，從而進(jìn)一步作用在尾流區(qū)域。

       該尾流區(qū)域進(jìn)一步受壓力阻力。我們觀察到，與帶有底部引氣的模型相比，底部模型處形成的流動(dòng)分離和尾流區(qū)域更高。來(lái)自底部引氣出口的通電流動(dòng)在車輛后端產(chǎn)生了理想的流動(dòng)，這導(dǎo)致了一些速度分布，最終使尾流區(qū)域最小化。值得注意的是，尾流區(qū)域的減少導(dǎo)致整個(gè)車輛產(chǎn)生的阻力減小。與其他底排模型相比，情況2模型后端的渦流形成更平滑，這可以在端部產(chǎn)生更多的渦流。如圖5所示，在汽車模型周圍形成的速度分布和壓力中可以看到這種能量流。

圖5 中心平面處的速度分布

      圖5顯示汽車模型在縱軸上的速度曲線。最初，自由流速度保持在25m/s，這是乘用車最多的平均巡航速度條件，與速度矢量剖面相似（圖6），自由流速度在汽車前部停滯，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域加速。由于擋風(fēng)板處的氣流分離，速度降低，進(jìn)一步使氣流重新附著在屋頂表面，同時(shí)達(dá)到局部速度38.5m/s的最大速度。

圖6 汽車模型的速度矢量

       在使用底部放氣的車型中，當(dāng)高動(dòng)量空氣到達(dá)后部時(shí)，汽車模型后端部分的速度各不相同。很明顯，與其他模型相比，基礎(chǔ)模型在后端觀察到的低速剖面區(qū)域相對(duì)最大。這使得模型更容易在后部形成尾流區(qū)域，從而導(dǎo)致壓力阻力。然而，具有底排的模型在后部區(qū)域觀察到的低速剖面的最小區(qū)域往往會(huì)減少尾流和壓力阻力的形成。此外，與圖7中進(jìn)一步可見的情況1和情況2相比，情況3在汽車后部實(shí)現(xiàn)了更高的激勵(lì)流動(dòng)量。

圖7 沿位置的速度分布

       圖7詳細(xì)比較了汽車模型在后端區(qū)域不同縱向平面上的速度分布。因此，定位了六個(gè)縱向平面來(lái)研究汽車模型下游流動(dòng)區(qū)域的速度分布。沿著該域的平面位置以汽車L的長(zhǎng)度表示。第一個(gè)位置位于最靠近汽車模型后端部分的位置。此外，所有其他位置的間距均為0.3m以準(zhǔn)確地可視化汽車模型周圍的流動(dòng)模式。它清楚地表明，底排在后端產(chǎn)生動(dòng)量方面具有積極作用，并且在車輛下方也有作用。然而，在0.225L的壓力下，可以觀察到速度的增加。這確保有底部放氣的汽車不會(huì)影響即將到來(lái)的汽車的流場(chǎng)區(qū)域。在情況1中，速度分布在0.225L之前似乎是均勻的，0.3L之后流量變得不均勻，在0.225Ls之后產(chǎn)生不均勻的渦流平面。在0.075L的情況3中可以看到類似的不均勻速度分布，使其在后部產(chǎn)生更多的湍流效應(yīng)。但在情況2中，與其他模型相比，速度分布在幾乎所有平面上都是平滑的，下游流一直均勻分布。

壓力

      模型上的壓力分布如圖8中的中平面圖所示，為汽車表面的壓力系數(shù)（CP）分布。

圖8 壓力系數(shù)在中心平面的分布

       在流量到達(dá)后端之前，所有車型的CP在汽車表面的分布都是相同的，不受影響。當(dāng)氣流到達(dá)汽車后端區(qū)域時(shí)，由于底部放氣產(chǎn)生的高能動(dòng)量流，壓力分布立即顯著上升。這可以在圖9中以等距視圖的形式在汽車模型上的CP分布中清楚地看到。

圖9 壓力系數(shù)在車型上的分布

       由于底部放氣產(chǎn)生的氣流中的碰撞效應(yīng)，汽車的后端部分比沒有底部放氣的車型承受更高的壓力。這進(jìn)一步闡明了通過(guò)在流動(dòng)下游產(chǎn)生高壓來(lái)減少后部尾流區(qū)域。與速度分布類似，CP分布在后部也有直接影響，如圖10所示速度剖面的詳細(xì)比較。該圖顯示了帶有底部放氣裝置的汽車后端部分的壓力分布顯著增加。這種壓力增加在流量下游立即出現(xiàn)，并延伸到0.15L。之后，流量正?；?，壓力變得無(wú)效，這證明在汽車上安裝底部放氣不會(huì)影響迎面而來(lái)的汽車的自由流。

圖10 壓力系數(shù)沿位置分布

       從圖10中可以明顯看出，安裝了底排的模型壓力升高。在情況1和情況2中，壓力逐漸上升至0.15L，之后壓力與周圍的流場(chǎng)歸一化。在情況3中，壓力分布不均勻，這導(dǎo)致了類似于速度分布的擾動(dòng)流。所獲得的CP分布的質(zhì)量得到了給定圖10的支持，該圖解釋了壓力系數(shù)分布在安裝和不安裝底排的模型中的影響。在剖面點(diǎn)30至40之間，壓力系數(shù)的形成達(dá)到了沒有底部泄放的基礎(chǔ)模型的最大值，如圖11所示。在案例1中，與基礎(chǔ)模型相比，由于單出口基礎(chǔ)泄放的連接，剖面點(diǎn)30至40之間的壓力系數(shù)略有降低。由于底排裝置設(shè)計(jì)有兩個(gè)出口（情況2），與情況1相比，壓力系數(shù)顯著降低。盡管在剖面點(diǎn)33處觀察到的壓力系數(shù)增量可以忽略不計(jì)，但在剖面點(diǎn)上觀察到的進(jìn)一步平滑減小的壓力系數(shù)在30到40之間。

       在案例3中，與案例2相比，在剖面點(diǎn)30至40之間研究的壓力系數(shù)逐漸減小。然而，三出口底排結(jié)構(gòu)（情況3）流場(chǎng)出口處尾流湍流的形成會(huì)導(dǎo)致不理想的阻力系數(shù)，從而影響汽車模型的性能。因此，對(duì)于帶有單出口和雙出口的底排裝置，案例3中壓力系數(shù)值略高于案例1和案例2。此外，在案例2的后部區(qū)域壓力系數(shù)的影響為-0.192，減阻系數(shù)（CD）=0.364。

圖11 模型上的壓力系數(shù)分布

湍流

        CFD模擬的結(jié)果揭示了四個(gè)汽車模型所表現(xiàn)出的湍流強(qiáng)度特征的關(guān)鍵見解。很明顯，基礎(chǔ)模型在汽車后部有更高的湍流，產(chǎn)生更多的渦流和干擾，導(dǎo)致阻力產(chǎn)生增加。然而，帶有底排的模型顯示湍流強(qiáng)度發(fā)生了顯著變化。由于只有一個(gè)出口，情況1中的質(zhì)量流量增加，這使得底部泄放出口區(qū)域的湍流強(qiáng)度更高（圖12）。然而，在情況2和情況3中，這種濃度降低了，這可以在圖12中看到，因?yàn)橄掠蔚耐牧鲌?chǎng)減小了。通過(guò)這種比較，情況2在后端側(cè)具有最小的湍流場(chǎng)，確保安裝這種底部放氣不會(huì)影響后面的汽車。

圖12 中平面湍流強(qiáng)度分布

       在基礎(chǔ)模型中，湍流增加，在0.075L處可以看到，湍流沿著汽車模型的寬度延伸。湍流的增加延伸到0.225L，然后開始減少到0.375L，在汽車的頂部和底部有最小的造流尾流區(qū)域。但在其他型號(hào)中，強(qiáng)度的增加可以在第一個(gè)汽車本身的底排出口處看到。此外，由于后端區(qū)域底部放氣引起的高能流，側(cè)面（沿寬度方向）的湍流形成減少。湍流強(qiáng)度的增加可以從第一個(gè)平面看到，它一直延伸到0.375L。這確保了汽車后部區(qū)域存在高能流場(chǎng)，同時(shí)減少了尾流區(qū)域的形成。此外，這種現(xiàn)象導(dǎo)致車輛后部壓力增加，產(chǎn)生的總阻力減小。很明顯，情況1和情況3中的流場(chǎng)似乎受到干擾/不均勻，這可能會(huì)導(dǎo)致車輛后方渦流的形成增加。在情況1和情況3中，這種下游流可能會(huì)對(duì)后面的車輛造成干擾。但在情況2中，與其他模型相比，湍流分布在幾乎所有平面上都是平滑的，下游流一直均勻分布。這些結(jié)果表明，每種車型的空氣動(dòng)力學(xué)性能對(duì)駕駛場(chǎng)景中經(jīng)歷的湍流水平的影響。這項(xiàng)研究的結(jié)果對(duì)優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)所需的湍流強(qiáng)度水平具有重要意義。

05  結(jié)論 

       對(duì)集成和不集成底排的汽車模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，以分析氣動(dòng)阻力特性。設(shè)計(jì)了有和沒有底氣的汽車模型，并對(duì)不同的出口配置進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)汽車模型周圍的速度場(chǎng)、壓力分布和湍流強(qiáng)度進(jìn)行了檢查，以確定壓力系數(shù)（CP）、阻力系數(shù)（CD）、升力系數(shù)（CL）和側(cè)向力系數(shù)（CS）等性能參數(shù)。此外，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)有研究，進(jìn)一步擴(kuò)展了研究范圍，以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程是使用帶有汽車模型的風(fēng)洞設(shè)施進(jìn)行的對(duì)于變化的操作速度。數(shù)值結(jié)果預(yù)測(cè)，情況2的阻力系數(shù)（CD）降低了8.04%，達(dá)到最大值，而燃料消耗降低了4.02%。對(duì)于采用雙入口底排的汽車模型（案例2），在相同的燃料消耗減少情況下，阻力系數(shù)（CD）達(dá)到了最小值0.0804。建議采用雙出口底排的SUV車型，主要降低了阻力系數(shù)（CD），提高了車輛性能，對(duì)穩(wěn)定性的影響可以忽略不計(jì)。

    本期編輯|于凌蘭    

                審      核|何藤升、王藝霖    

Prasath M S, Sasikumar C, Sivaraj G. Numerical Studies on Aerodynamics Performance of Modified basebleed to Reduce Fuel Consumption in Squareback Cars[J]. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2024, 18(1): 205-221.