能源与动力工程毕业论文-轿车外流场气动特性的研究

轿车外流场气动特性的研究目录TOC\o"1-2"\h\u13138摘要 绪论课题研究的目的及意义轿车的气动特性是评价轿车行驶性能的重要评价指标，其中，气动阻力是最受关注的气动特性之一。随着高速公路的广泛铺设和汽车动力的不断升级，高速工况的使用越来越普遍，而此工况下，汽车若要克服风阻必然要牺牲部分动力性，有研究表明，若汽车的速度高于80km/h，需使用多于60％的动力来抵消这部分风阻，随着行驶速度的增加，这部分动力与之成正相关变化，当轿车速度达到200km/h以上时，抵消风阻的动力达总做功的85%之多。本设计从实际需求出发，对于轿车的气动参数做出全面细致地分析，寻找研究对象中不合理的设计，并对其进行有针对性地优化，使之获得更优质的气动特性，从而达成动力性能的提高。本设计的研究对象为轿车的外流场气动特性。研究方法采用数值模拟计算的方法。相对于传统试验，数值模拟计算有着方便快捷、自动分析、计算效率高、准确度高、成本低、不易受外界影响等特点。考虑到轿车迎风面积大多是固定位置，为得到舒适且安全的驾驶环境，本设计决定对现行热门外置套件进行研究，得到小鸭尾形的车尾形状更能够使轿车得到优异的气动特性表现，并且以不同角度为驱动，横向对比角度对减少气动阻力的不同作用。课题研究的目的现代轿车的设计追求动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性及通过性多种性能指标的综合优化以及汽车外形的多元化与个性化，轿车的外流场气动特性的研究与以上性能指标息息相关。为了获得舒适的轿车驾驶体验且达到更大程度对动力的利用，合理的轿车造型设计尤为重要，汽车动力学的研究在其中扮演着重要的角色。本文通过数值模拟计算对轿车的气动特性展开研究，获得其气动特性规律，从而为轿车的气动造型提供参考。课题研究的意义轿车凭借其操作上简单性、交通上的便捷性、出行的舒适性，成为人类生活活动中普遍的出行方式。据公安部统计，今年第一季度，新注册登记机动车较去年同期增加了67.31％，创下了同期历史新高，一扫2020年新冠疫情对于经济市场与汽车市场的打击。随着城市建设的发展和城镇化水平的提高，我国的汽车保有量有望继续增加，在当前鼓励产业转型升级，创新激活市场的形势下，政策上对新能源汽车研发的扶持和互联网大厂的纷纷下场与传统厂商合作，为汽车行业注入了新的活力，面对一个如此庞大的市场，车企与技术人员亟须加大研发力度，从消费者的需求出发，对汽车进行升级改造，优化升级汽车产品，使得产品具备竞争力，从而占据更大的市场份额。另一方面，随着汽车市场的不断扩张，汽车保有量的不断加大也为环境带来了巨大影响。汽车在为人类的生产活动带来便利提高效率的同时，也消耗了大量的不可再生能源并排放有害气体对生态环境造成破坏，带来了严重的空气污染。随着经济的发展，产业的升级，行业内的改革，给汽车的设计与生产提出了更高的要求。性能良好的轿车有着合理的空气动力学研究体现，使驾驶人能够获得更舒适的驾驶体验，且在一定程度上达到提高燃料资源的利用率，减少空气污染的目的。国内外研究现状汽车的空气动力学主要集中在风洞试验研究和计算流体力学研究两个方面。在传统的汽车空气学研究与汽车厂商研发过程中，主要是借助昂贵且耗时的风洞试验来测试汽车的气动特性，随着第三次科技革命中计算机的兴起到进入新世纪后的计算机技术的高速发展、流体理论的更新与完善和流体力学计算软件功能的不断更新升级，研究机构与厂商更加青睐于使用CFD的方法来对汽车的内外流场进行仿真模拟，使用先进的数值模拟方法能够节约试验成本，大大缩短试验的时间，采用计算机与传统研究方法相结合的方式，能够较大程度地提高汽车空气动力学性能，提升汽车研究的效率，节省了研究成本。我国的第一个汽车风洞实验室是位于吉林大学的2003年建成投入使用的汽车风洞实验室，可以提供专业的汽车空气动力学的实验与研究支持。中国汽研风洞中心位于重庆市礼嘉片区，是我国中西部首个汽车风洞实验室，该实验室将对国内外车企开放，满足厂商的测试研究需求。在计算机仿真计算方面，不同研究机构的研究人员针对不同的方向作了大量的研究内容：兰州理工大学的李易以汽车车身优化改进为研究目的，总结归纳了汽车车身可优化特征中对汽车空气动力特性影响最大的特征，优化后的模型气动系数和升力系数得以下降；东风柳州汽车有限公司的陈明通过对网格分区划分，对某型号的SUV的外流场特性进行了仿真分析，结果是与试验得到的数据高度吻合，得出采用分区划分网格有利于提高计算的效率，能够获得高精度的计算结果；齐鲁工业大学的刘进等分析了某一微型汽车的三维外流场气动特性的数值模拟，通过对其进行流行性的改进，发现在正常行驶速度与极限行驶速度下气动阻力的减阻率和压力分布都得到了较大程度的改善；重庆交通大学的张甫仁等通过以MIRA直背车型为基础，研究汽车外流场的模拟计算精度，以边界层网格为研究对象，改变其特征尺寸参数进行优化；常熟理工学院的唐文渊等运用SolidWorks建立建议汽车模型，对车身的底盘和车头圆角进行了优化设计；西华大学杨芯萍等的研究表明汽车外形在将来要在满足传感器的安置与个性化定制的基础上满足空气动力学，且需深入研究；西安理工大学王博对汽车车身参数化设计，发现前后风窗倾角、后备箱倾角对整车气动性能影响较大，改进后可以获得更优越的气动性能；大连理工大学韩元吉基于MIRA快背式汽车模型，研究了正面及横摆角15°工况时汽车的风阻系数，基于响应面模型，对设计变量进行优化，结合遗传优化算法，对车身气动特性有了一定程度的改善；BarreraDavid等研究了基于AeroSUV模式的气动阻力，聚焦于尾部的车身几何形状和扰流板角度，获得了阻力响应的灵敏度研究。轿车外流场气动理论与工程软件空气动力学理论概述湍流流动湍流运动是流体的一种流动状态，又称作紊流或者扰流，与之相对的状态叫做层流。当流速较小时，流体的流动分层不融合，随着流速的增加，流体的流线出现波浪形的动线，随着流速加大摆动加大，过渡到一定程度，流线不再清晰可辨，即形成湍流。判断流体的流动状态可依靠雷诺数值。上临界雷诺数：当流体的流动从层流状态变成湍流状态所对应的雷诺数。下临界雷诺数：当流体的流动从湍流状态变成层流状态所对应的雷诺数。在实际工程运用中，公认下临界雷诺数的数值为2320，若雷诺数数值超过此数值时，则将此流动视为湍流流动。本设计中的所研究的雷诺数数值的量级远远大于2320，故本设计中流体的流动状态为湍流状态。牛顿流体牛顿流体的定义是任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。牛顿粘性定律公式：τ=μdudy（2式中τ为剪应力。μ为流体动力粘性系数，为剪切变形速率。因为本设计中的流体为空气，空气的μ值为定值，根据公式可知，空气为牛顿流体。不可压缩流体凡是具有可压缩性的流体即是可压缩流体，一般来说，流体都是可压缩的，当某些流动中流体的密度变化小到可以被忽略时，可视为不可压缩流体，这是一种理想化的力学模型。气体大多被视为可压缩流体，可压缩性大于液体，但自然界中的气体速度变化不大，远小于音速，可作为不可压缩流体计算。本设计中的风速最大为30m/s，马赫数小于0.3，此时可以将研究对象气体视为不可压缩流体。本设计用软件介绍计算流体力学计算流体力学（Computationalfluiddynamics），缩写为CFD，兴起于20世纪60年代，进入90年代以后，CFD借助计算机的起势获得了飞速的发展。研究者可以借助CFD工程软件中的程序，凭借着良好的人机交互界面，使得使用者无需精通流体动力学理论既能解决实际应用问题。使用CFD软件，可以建立一个虚拟的，体积足够大的风洞，对于现实中不方便模拟的工程问题，可以进行模拟测试，且风速与流体可以自由设置。计算机辅助设计软件NX/UG是西门子自动化与驱动集团旗下机构SiemensPLMSoftware的数字化产品开发系统，集成了人机交互式的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）功能，能够应对各种实体创建与外形设计需求，广泛适用于各种工业设计与产品设计中。本设计中轿车模型的参数化设计使用的软件为UG12。计算流体力学软件Fluent是目前国际上有关厂商通用的CFD软件包。具有采用完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点的网格单元的梯度算法，具有强大的网格支持能力，可以进行定常流动和非定常流动的模拟。包含非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法三种算法，内置多种湍流模型，给与用户以精确地模拟层流、湍流等流动状态。行驶状态时汽车受到的阻力与力矩影响气动阻力的相关因素根据气动阻力的公式可知，阻力的大小与阻力系数、空气密度、迎风面正投影面积、车速的二次方成正比。一般来说，迎风面投影面积是固定的，随着面积减小，气动阻力减小，但由发动机舱和驾驶舱的约束，迎风面投影面积不可能无限制地缩小。一般来说，一辆车的气动阻力系数是固定的，是无量纲量，随着阻力系数的减小，气动阻力减小，目前日常使用的轿车中，“楔形”汽车阻力系数较小。滚动阻力、加速阻力、坡度阻力与空气阻力这四部分构成了汽车受到的阻力。在平直的道路上匀速行驶的汽车，需要克服滚动阻力和空气阻力，当车速较小时，汽车主要靠克服地面的滚动阻力做功，随着速度的增加，空气阻力成为汽车动力做功的克服对象，当车速高达120千米每小时时，空气阻力约占总阻力的70％。汽车气动力与力矩当汽车在道路上处于工作状态时，空气对车身的作用力分为气动力和气动力矩，决定因素有行驶速度、汽车外形和横摆角的角度。由美国汽车工程师学会（societyofautomotiveengineers）标准规定：以汽车轴距的1/2处为原点，以汽车向前行驶的反方向为X方向，以汽车向前行驶的右方向为Y方向，以汽车上方为Z方向，前方来流与X方向的夹角β为横摆偏移的夹角。D是气动阻力、L为升力、S为侧向力。图2.1汽车仿真建模（1）阻力系数Cd=2式中，D代表阻力，ρ为空气密度，v为远处来流速度，A为迎风面投影面积。这里的阻力特指空气阻力，是空气因大气压力作用在汽车表面并向行驶方向的分立，迎风面空气压缩，作用在汽车表面的摩擦力以及车尾处的真空，因为这些作用的集合而形成的阻碍行驶的力。阻力系数一般是实验值，其与车辆的迎风面积，车身形状和车表面的光滑程度有关，一般轿车的阻力系数为0.3~0.4之内，轿跑的阻力系数可在0.3以下。（2）升力系数Cl=2L式中，L代表升力，ρ为空气密度，v为远处来流速度，A为迎风面投影面积。升力一般出现在飞行器设计、航空航天等工程领域中。顾名思义，升力是使物体上升的力。升力产生的原因较为复杂，需要对流体的粘性、可压缩性做综合考虑，一般使用库塔诺科夫斯基定理来计算飞机升力。升力对于汽车来说属于不稳定的因素。根据伯努利方程推论，等高流动时，流速大，压力就小，当上表面静压小于下表面静压，就产生了向上的升力，汽车行驶时，前方来流被车头冲散，部分在车身周围流失，部分在车底流失，部分在车上方随车身流失。汽车行驶时需注意尽量减少升力的产生，否则会减弱车轮的抓地力，增大不稳定因素，影响汽车的操纵稳定性和动力性，间接增加燃油消耗。（3）侧向力系数：Cs式中，S代表侧向力，ρ为流体密度，v为远处来流速度，A为迎风面投影面积。侧向力是指施加在与汽车轴线相垂直的方向上的力，往往垂直于车轮。侧向力系数与侧向力成正比，与空气密度、速度、迎风面积成反比。（4）侧倾力矩系数：Cm式中，RM代表侧倾力矩，ρ为流体密度，v为远处来流速度，A为迎风面投影面积，a汽车特征长度。在横向加速度下，作用在悬挂质量和非悬挂质量质心位置的离心力向侧倾中心转化，此时产生力矩M使汽车倾斜。侧倾力矩系数与侧倾力矩成正比，与空气密度、来流方向的二次方、迎风面积、汽车特征长度成反比。（5）纵倾力矩系数：Cpm=2式中，PM代表纵倾力矩，ρ为流体密度，v为远处来流速度，A为迎风面投影面积，a为汽车特征长度。（6）横摆力矩系数：Cym式中，YM代表横摆力矩，ρ为流体密度，v为远处来流速度，A为迎风面投影面积，a为汽车特征长度。本章小结本章节首先对于轿车外流场的气动特性的内涵做了分析，介绍了流经车身流体（本设计中指空气）时的流动状态与流体性质，并简要介绍了CFD技术的特点与优势，为下文建立模型与后处理作理论铺垫。之后介绍了本设计使用的有关CFD前后处理的软件，简要说明软件在本设计中起到的作用。最后对于汽车的主要气动参数做了详细的介绍与说明，分析了在本设计中着重讨论的参数——阻力系数，接下来的设计将以此数值为标准，来判断后续设计的效果是否到达预期设想。轿车车身参数化建模与仿真分析轿车车身参数化建模与车轮处理轿车车身参数化建模参数化建模是指由各部分尺寸所驱动的逆向化建模绘制。在后期对于汽车外形的改进中，必然需要对于模型个别尺寸进行修改，故参数化建模是必要的步骤。本设计的模型采用软件UG12进行绘制。对某厂商的1:16等比例缩小后的汽车模型进行参数化建模。为了方便铺设网格，保证计算时的效率，节省计算资源，故本设计对车身部分零部件进行了简化处理，包括但不局限于：（1）忽略汽车的后视镜、车门把手、雨刮器、汽车排气管等零部件；（2）车头与车底盘凹凸不平的结构。图3.1仿真模型示例表3.1轿车模型尺寸序号基本参数尺寸（mm）1车长2652车宽1063车高854轴距1665轮距866发动机罩817汽车顶棚1158汽车后端699发动机罩离地52.710离地间隙8.211后备箱罩离地6312车顶宽57.713轮胎宽1614轮胎半径18.7515迎风面积0.008979图3.2车轮触地面处理车轮处理关于车轮部分的处理，轮胎与地面的接触为线接触，产生较大的曲率，使得在铺设网格时会导致网格质量较差，失去仿真的意义，使得试验结论不可信。且在实际应用中，由于汽车重量使得车轮与地面的接触部分产生形变，而在仿真中不体现，为尽量模仿实际应用中的效果，本设计中将轮胎与地面接触的部分做成锥台形状，轮胎与地面的接触为面接触，地面与锥台之间的夹角为45°。将绘制完毕的模型保存，并以.step格式的文件进行导出。CFD前处理与网格划分建立流动域首先应构建流动域，即模拟风洞，使得气体能够从轿车模型前方吹入，从后方流出，在区域内计算分析，得到需要的力的系数。本设计采用从轿车本体为中心点，越靠近汽车的区域网格越稠密，越远离汽车的区域越稀疏。设置长宽高之比为：280:120:90；560:240:180；840:360:270；1120:480:360的四个长方体，移动四个长方体使与轮胎接触的共同面重合。建立本设计中的计算域：长为12倍的车长，车头据入口为4倍的车长，车尾距离出口为7倍的车长；宽为11倍的车宽，以车中轴线为中间，两边距离车身各有5倍的车宽；高为9倍的车高，车头据计算域顶部有8倍的车高。这样的设计是为了保证合适的阻塞比，模型如图3.3所示。图3.3建立流动域阻塞比是指在风道模拟试验中，模型的投影面积与风道截面积的比值。一般风洞的阻塞比在5％以内，在阻塞比达到一定的程度如10％时，应对其进行修正，负责产生阻塞效应对流体流动产生扰动，对计算产生干扰。在理论计算中，一般将阻塞比规定为1％，故在本设计中阻塞比：ε=AA式中，ε表示阻塞比，A为汽车迎风面投影面积，AN为计算域截面积阻塞比低于1％，符合要求。网格的划分在划分网格前需对各长方体流动区域进行处理，首先在最靠近轿车模型的区域内减去汽车模型，保留汽车与长方体边缘之间的区域，同样的，保留其他长方体之间的区域，减去多余的实体，之后就可以进行网格的铺设。网格的划分对于CFD计算起着举重若轻的作用，网格划分的规格、形式、质量都有可能对接下来的计算产生影响。由于在绘制时无法保证轿车能够铺设高质量的网格，或能影响接下来的操作，故需要对轿车的表面进行光滑处理。图3.4最差网格质量网格质量最差值不得高于0.95，最好在0.9以下，越接近0，网格质量越好。如图所示，本设计中模型网格最差值为0.79，符合要求。以下是各实体网格划分过程：（1）首先，在轿车表面进行网格铺设，由于气流流经车身表面时，在车身表面形成速度梯度很大，沿表面法向方向的薄附面层。为了应对车身表面的不规则形状，选择面网格元素为三角形（tri），创建类型为非结构网格。（2）在各长方体之间组成的计算机内铺设的网格为四面体与混合网格（Tet/Hybrid，如图3.5所示），这些体网格主要组成部分是四面体（Tetrahedron）元素，混合网格里包括六面体（Hexahcdron）、金字塔形（Pyramid）、契型网格（Wedge）。图3.5非结构网格结构网格与非结构网格的区别于特点：相比于非结构网格的形状不一，结构网格显得更加整齐，因为结构网格内的节点排列更具固定规则，而非结构网格的节点周围其他的节点无序存在。在计算速度上两种网格的区别：由于结构网格收敛快计算快、计算精度高等特点，且在近十年中结构网格的划分技术与时俱进，功能更加强大，备受工程技术厂商的青睐，多数飞行器设计与制造公司使用结构化网格对飞行器的空气动力学仿真进行模拟，如法国空客公司。而非结构网格与之相比，因为其具有着无序不均与的节点与形状各异的网格，结构，所以它对配置的计算要求比较高，且需要较大的存储空间。但非结构网格的优势也非常明显：非结构网格可以应对复杂的研究对象结构，利用节点的不均匀性在研究对象表面铺设网格，能够精准地贴合复杂表面，完全填充空间。非结构网格利用链式存储当时保存在数据存储中，所以建立与删除节点更加迅速，且能针对结构网格无法应对的边界条件进行铺设。图3.6流动域网格质量图3.7流动域网格划分车身表面网格，线段长度为2，最小长方体的网格线段长度为4，第二个长方体区域网格为8，第三个长方体区域网格为12，第四个长方体区域内网格为16，最大的长方体区域内网格为30。以本设计中任一仿真计算数据可知，最内层的网格数为：360299，最外层为700795，之间的长方体区域内网格数依次为：325551、253930、205457，网格总数为1846032，网格结构如图3.7所示。CFD软件的参数设置边界条件的设置边界包括计算域进口、计算域出口和研究对象与壁面。（1）在本设计中边界条件设置如下：计算域入口：速度入口（velocity-inlet）计算域出口：自由流出（outflow）车身和计算域壁面：无滑移墙体（noslipwall）（2）参数设置如下：大气压强：标准大气压空气密度（density）：1.225kg/m3空气动力粘性系数：1.7894×10-5N·s/m2空气运动粘性系数：1.4607×10-5m2/s计算域入口来流速度：30m/s轿车特征强度L：0.1667m（本设计中选用汽车轴距作特征强度）湍流模型本设计中采用的是Standardk-ε模型。Standardk-ε模型由Launder和Spalding提出，是一个半经验模型，模型的推导出自现象和经验，是现在实际工程流体问题计算中最受青睐的模型，具有良好的鲁棒性、较多的数据积累和对大范围的湍流的预测作用。且Standardk-ε模型计算快、收敛步数少，节约计算资源。在Fluent软件的计算域入口Standardk-ε模型数值设置中，需要设置湍动能(Turbulent

Kinetic

Energy)和湍动能耗散率(Turbulent

Dis

sipation

Rate)，计算过程如下：雷诺数：Re=ρuLμ=1.225×30×0.16671.7894×10−5=3.4236式中，ρ为空气密度，μ为空气动力粘度，u为来流速度（2）湍流强度I：I=u'uaνg=0.16Rⅇ−18式中：u’表示波动速度，uaνg（3）湍动能k：k=32UavgI2=1.426m2式中：I为湍流长度尺寸，一般为水力直径的0.07倍，流动域水力直径为四倍的流动域入口面积与其周长的比值。（4）湍动能耗散率：ε=k32l=25.41m2/s3使用Fluent对汽车正面投影面积进行计算得到迎风面积，本设计中为0.008979m2。本章小结本章进入了轿车逆向工程建模的环节，以参数化驱动，通过车身表面的尺寸数据，构建汽车外形，并对零部件突出部位、凹凸不平的部位等难以铺设网格的表面作模糊处理，并对棱角处进行流线形处理，使仿真模型外形接近原模型，以期在下面的计算环节中得到有效的数据。将仿真模型进行前处理，采用合理有效的方式铺设网格，使得网格的质量达到CFD运行计算的标准，能够到的准确的数据。CFD仿真运算中，要套用合理的速度模型、压力模型、湍流理论模型，设置合理的边界条件，以保证运算能够收敛，从而得到有价值的数据，依托于CFD软件海量的模型纯粹和高速的数据处理能力，可以有效提高研究轿车内外流场的各种复杂运动的效率。仿真结果与数据的验证分析验证仿真结果正面迎风工况，如图所示，下图为检测残差值，共有残差曲线；X、Y、Z三个方向的速度曲线和k、epsilon值曲线，设置迭代步数为1000步，当迭代到464步时计算收敛，有较好的仿真结果收敛效果，计算的残差曲线如图4.1所示。图4.1残差监控迭代结束后，建立观测面plant，使用三点建立平面法，建立与汽车轴向同方向的平面。打开车身周围WallYplus云图，如图4.2所示。车身周围的Y+值在0~70之间，且大部分在36.7以下，说明本设计对于车身周围的近壁区域设定是合理的。图4.2WallYplus云图现行汽车风洞试验，大多采用英国汽车工业研究协会（MotorIndustryResearchAssociation）制定的模型为基准开展研究，上世纪80年代，以英美为主体的汽车研究者规定了标准模型，并以此进行了大量的试验，具有相当可靠的试验数据统计。根据某大学HD-2风洞实测，MIRA阶背式汽车气动阻力系数为0.3220，斯图加特大学IVK风洞实测，阶背式汽车气动阻力系数为0.3204。现有市场常见三厢轿车的气动阻力系数：宝马E92M3：Cd=0.33丰田卡罗拉：Cd=0.32吉利帝豪：Cd=0.27大众迈腾：Cd=0.28图4.3吉利帝豪与宝马E92（图源官网）通过设置的气动阻力系数监控显示，本设计中汽车仿真模型的气动阻力系数Cd值为0.322，与轿车模型的原型车宝马E90（3系）的气动系数0.30相对误差为7.3%，结果较为可靠。图4.4宝马三系风阻系数据资料显示，轿车气动升力系数一般在-0.4到0.4之间，本模型Cl值也处于正常范围之内。仿真数据分析气动阻力与车身表面的压差有关，由于轿车车身为不规则的形状，迎风面积大的部位压强大，流线型部位压强小，故形成压差。以常压为界，高于常压为正值，反之为负值。从Fluent压力云图分析，汽车前脸、挡风玻璃与发动机舱盖交合处、行李舱盖为正压位置，负压集中在汽车保险杠两侧，A柱与车顶。且汽车车身中过渡部位如果为流线型设计，则压力值较低，若成一角度，如前挡风玻璃与后风窗，则压力值较高，是因为气体这流经该部位时减速，气流发生了分离，造成了压力的小范围的增加。气流与车头接触，一部分气体上升，一部分气体从底盘经过，流速快慢不同压力不同，压差产生了升力，飞行器飞行的关键，但若汽车升力高则造成操纵稳定性差、平顺性差等缺点。图4.5压力云图轿车迎风面积是影响气动阻力的一个条件，但由于在设计轿车时，要保证驾驶员合适的操作空间和舒适的驾驶体验，且保障发动机舱内置设备空间，往往不会大幅度的更改轿车的外形参数，故轿车研究人员与汽车设计从业者会考虑增加外部动力学套件，扰动气体流动，可在车头、车身、车尾安置，最常见的外设一般是在尾部安装尾翼或安装小鸭尾。图4.6湍动能云图从图中可以看出来自后窗玻璃与后备箱的气流不能很好地在轿车尾部形成收敛进而分离。气流杂乱地聚集在车后区域，形成较大的滞留，湍动能强烈，损耗汽车动力。这是因为轿车尾部的气流流动无章，抑制尾流分离及涡流发展有利于降低轿车气动阻力，故研究与改善汽车尾部气体流动对于提升轿车的气动特性有实际意义价值。本章小结本章使用Fluent软件强大的计算功能与后处理能力，得到了仿真模型轿车的气动阻力系数值，将得到的值与教研机构或者汽车研发机构测得的实际值作比较，得出模型与实际车型的气动特性数值接近，可视为真是研究对象，下部更改模型外形参数测得改善阻力系数的方法可行有效。Fluent软件可以查看压力云图、速度云图，向量图，湍动能图等，直观地判断轿车在计算域内流体在车身表面的运动情况，并通过综合分析，得出外形优化思路。轿车气动特性改善措施及分析轿车气动特性改善措施汽车尾翼与小鸭尾汽车尾翼，专业名称为扰流板、扰流翼，是加装在汽车尾部的一个动力学套件，是一个仿生部件，也被称作鸭尾。理论上说，汽车尾翼能够产生第四作用力，部分抵消汽车受到的纵向的、侧向的和向上的升力，使得汽车产生对地面较强的抓地力，控制汽车上浮，减少气动阻力。尾翼常见于高速运动下的动力装置，如飞机、导弹。汽车尾翼多用于方程式赛车、拉力（Rally）赛车等竞速比赛中，在高性能满足竞赛需要的同时，还具有较高的美学享受。但尾翼的存在也具有相应的弊端，家用轿车在日常生活中并不会行驶到竞赛中的速度，故尾翼的作用或无法有效的实现，但一种小型的后置的尾翼逐渐成为了备受厂商和消费者青睐的后置部件——小鸭尾，其特点是既能够扰动从车顶略过流经尾部的气流，并受到向下的力，保持汽车后部的稳定性，有些厂商已经将这种造型应用到产品一体化造型设计中。图5.1现代伊兰特对轿车尾翼进行设计图5.2尾翼设计图依托UG12绘图软件，建立了轿车尾翼模型，以尾翼迎风面的不同设置了三个形状。如图所示，1号模型左视图翼板部分为梯形，短边为2mm，长边为2.5m，高为15mm，翼板面与来流面成一角度；2号模型左视图为矩形，宽2mm，长15mm外，3号模型为仿实体模型设计，并做流线处理。对小鸭尾进行设计检测加置小鸭尾的汽车在同样流场条件下的仿真计算表现，具体操作方法是使用仿真软件只改变汽车尾部的上翘角度，其他参数均保持不变，首先以5°为间隔，做20°、25°、30°三个不同角度下的仿真结果，然后再分析以26°、28°、32°为变量的三组数据。图5.3某角度小鸭尾的汽车模型改进后仿真结果分析安装尾翼的轿车仿真结果分析迭代计算后的结果为：表5.1阻力系数与升力系数尾翼类型阻力系数Cd升力系数Cl10.3376-6.39×10-420.332-1.6954×10-330.3379-1.16×10-3结果显示同一款汽车假装三种尾翼类型后，其阻力系数均得到了提升，意味着气动阻力较原有模型加大，收到的风阻更大，需消耗更多的动力来抵消这部分阻力，但升力系数均为负值，意味着升力方向为负方向，指向地面，轿车能够获得了更好的抓地力。这个结果符合经验认知，一般认为普通轿车无需安装尾翼，尾翼可以在超高速运行的工况下发挥最大功效，普通驾驶需求可能无需此套件发挥作用。在本设计中只做特征性分析，具体翼板形状对气动系数的影响还需进一步实验分析。安装小鸭尾的轿车仿真结果分析首先测得当上翘角度为20°、25°、30°时，25°得到Cd值为0.316。相较于原仿真模型Cd值0.0322有所下降，其他条件不变时，改进后的轿车受到的气动阻力减低，改进后的模型气动阻力优化了1.86%；得到Cl值为-2.3042×10-3，升力由正值变为负值，意味着升力方向改变，这是由于加装小鸭尾之后，轿车尾部的流动被扰乱，形成了一股力，其部分分力作用给汽车的法线方向，使得其上压强大于下压强，压差使得升力反向，增强了轿车的抓地力，防止轿车在高速工况“发飘”，提高操纵稳定性和动力性，且由于汽车所受阻力减小，耗费在克服阻力的动力小，节省了燃油消耗。20°时，得到Cd值为0.324，升力系数为-1.7×10-3；26°时，得到Cd值为0.324，升力系数为-1.23×10-3；28°时，得到Cd值为0.325，升力系数为9.65×10-4；30°时，得到Cd值为0.315，升力系数为-9.8247×10-4；32°时，得到Cd值为0.326，升力系数为1.43×10-3。表5.2不同角度下云图汇总压力云图小鸭尾上翘角度湍动能云图20°25 °26°28°30°32°图5.3模型改进后前速度矢量云图由表5.2可知，在六个不同尾翘角为变量的仿真中，各模型所受压力差距不大，四个试验值与原模型相同，两个比原模型的气动阻力系数小。上图中左图是加装30°小鸭尾的速度矢量图，右图为原模型速度矢量图。从图中可以清晰的看到改装后的轿车高速区范围变小，总体车身周围的速度更低。气流在前风窗出受阻挡，速度降低，在车表面爬升，在车顶处速度最高，在向后运动中，速度继续降低。汽车尾部的涡流区是流经车尾的流体被流经车旁到达尾部的气体扰乱形成，可以看出改进后轿车的涡流程度更轻、涡流范围更小，消耗能量更低，气动特性更好。因此30°的小鸭尾对于降低气动阻力是有效的。经Fluent对Cd系数的检测，安装翘角为30°小鸭尾的轿车阻力系数为0.315，较原模型阻力系数降低了2.17％。结论本设计以轿车外流场的气动特性为研究课题，以气动阻力为主要研究对象，采用了外流场仿真和的研究方法，总结归纳了改进结果。通过对轿车尾部套件的研究，发现在车尾处延伸一个鸭尾形状的尾翼能够有效降低气动阻力系数，使得同款式汽车不更改原有外形条件的前提下，经历相同的外流场情况时能够减少作用在其车身上