汽车后扰流板对外气动性能影响的研究

朱忠华 张雷 许志宝 祝文举 杨静 刘东峰

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601）

汽车后扰流板对外气动性能影响的研究

朱忠华 张雷 许志宝 祝文举 杨静 刘东峰

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601）

以某SUV车型为分析对象，采用CFD和风洞试验相结合的方法，对车体尾部后扰流板角度调整方式、角度和断面结构调整对外气动性能产生的影响进行分析，并根据分析结果对后扰流板进行优化，优化的后扰流板断面几何结构和攻角的后扰流板装置可使整车风阻系数下降3%～5%，从而提高整车动力性和燃油经济性。

1 前言

空气动力学研究对于汽车设计的意义不仅在于改善汽车的高速行驶稳定性和侧风稳定性，同时也可以降低油耗[1]。在对汽车进行气动优化的过程中，后扰流板作为一种附加装置表现出了良好的效果，因此，汽车后扰流板的合理设计和装配显得尤为重要。具有适当高度的后扰流板可有效降低空气阻力系数Cd和升力系数Cl，此外，后扰流板还可以增加车身上表面后部的压力。

国外汽车空气动力学起步较早，对后扰流板的研究也更为深入。近年来，国外大型汽车企业不断将赛车空气动力学的研究成果应用于乘用车，如可调尾翼已在部分量产车或概念车上得到了应用。国内对汽车后扰流板的研究，其对象多为车体基本形状，车身模型相对粗糙，车轮、保险杠、后视镜等均被忽略，计算模型中划分的网格数目也比较少，因此计算精度受到一定影响。

本文以某SUV车型为研究对象，通过仿真分析和风洞试验相结合的方法，重点研究后扰流板角度、角度调整方式及结构形式对整车气动性能影响的规律。研究对象为实车全细节模型，流场更为真实。研究结果对进一步减小SUV车型的空气阻力和升力、合理选择和设计后扰流板剖面形状、优化气动特性提供了依据。

2 风洞试验

2.1 风洞试验模型构建

本研究使用的风洞试验模型是某SUV车型的整车40%全细节模型，如图1所示。模型包含发动机舱、底盘、地板等详细结构，骨架和上部车身的材料分别为铝合金和碳纤维，悬架结构（包括制动系统等）与实车结构完全一致，试验过程中，设置轮胎与地面保持同步转动，发动机舱布置和散热器阻尼特性与实车完全一致。

为在试验中更好地研究后扰流板对整车气动性能的影响，将后扰流板制作成独立模块（见图2），通过调整该模块实现其角度的变化。

2.2 风洞试验室

汽车空气动力学试验分为模型风洞试验法、实车风洞试验法和实车道路试验法3种[2]。本研究风洞试验完成于国外某模型风洞试验室，该试验室整体流道采用回流式结构[3]，测试段为3/4开式，其结构形式如图3所示，关键参数如表1所示。

图1 风洞试验模型

图2 风洞试验模型后扰流板结构示意

图3 风洞试验室结构示意

表1 风洞试验室关键参数

2.3 试验结果

风洞试验边界条件见表2。试验中，将后扰流板角度下调3°，其他结构和参数均不变，研究其气动阻力性能的变化。试验结果表明，后扰流板角度调整后，整车空气阻力系数下降了0.007，证明后扰流板角度对空气阻力系数有较大的影响。

3 CFD仿真模型构建

本文利用流体分析软件STAR-CCM+搭建了整车CFD模型，模型包含车身外表面、车体底部和底盘、发动机舱等细部结构，如图4所示。模拟风洞的长、宽、高之比为6:5:3。同时，为提高计算精度，还对流动分离的关键部位进行了网格加密处理，最终生成的体单元总数大约为3 800万。

表2 风洞试验边界条件

图4 整车CFD模型

计算过程中，车速设定为120 km/h，由于其远低于声速，可以假定气体是不可压缩的[4]。气体具有粘性，这是产生气动阻力的根源，在本研究中，通过在车体近壁面添加多层边界层单元，模拟气体粘性产生的剪切应力对整车气动阻力的影响，提高计算精度。计算中所使用的物理模型采用基于流体质点微元的拉格朗日法构建，数学模型使用三维不可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯（N-S）控制方程，所使用的初始、边界条件如表3所示。

表3 初始、边界条件设定

4 计算结果与试验结果

4.1 公式定义

空气阻力系数为：

升力系数为：

式中，D为阻力；L为升力；ρ为空气密度；v∞为风速（车速）；A为迎风面投影面积。

压力系数为：

式中，P为汽车表面的压力；P∞为无穷远处参考点压力，即基准静压；ν为监测点的气流流速。

4.2 仿真与试验结果对比

通过将后扰流板调整到相同的状态（下调3°，见图5）比较仿真和试验的差异。

图5 仿真与试验对比方案示意

将空气阻力系数作为参考量，对所得计算结果与试验结果的误差进行对比分析，结果如表4所示。由表4可知，仿真结果很好地预测了后扰流板角度变化对整车风阻系数的影响，仿真与试验结果的偏差仅0.001。下面将主要采用CFD仿真的手段对后扰流板进行研究。

表4 空气阻力系数

5 后扰流板对整车气动性能影响的仿真研究

5.1 后扰流板角度调整方式

为研究后扰流板对整车气动性能影响的规律，本文首先对后扰流板角度的调整方式进行了对比分析。常用的调整方式分为旋转法和光顺法。旋转法是将扰流板沿轴线整体旋转一定角度，光顺法是保证其切角方向变化与原旋转方式角度变化相同。以后扰流板下调4°为例，如图6所示。

以上述调整方式分别对后扰流板的角度下调1°、2°、3°、4°，以整车的空气阻力系数和升力系数为参考量，对比分析两种方式对整车性能的影响，结果如图7所示。

图6 后扰流板角度调整方式示意

图7 后扰流板角度调整方式对气动性能的影响

由图7可知，随着后扰流板下调角度的增大，两种调整方式下，空气阻力系数变化趋势总体保持一致，但升力系数变化趋势相差较大。两种调整方式下，升力系数随角度的变化规律相同，但是在相同角度变化量下，两种调整方式对升力增加量的影响有所不同，光顺法相对旋转法更易引起升力的增大，并且随着调整角度的增大，两者产生的差值增大。

5.2 后扰流板角度

5.2.1 后扰流板角度对整车气动性能的影响

本研究中，后扰流板角度下调，整车的空气阻力系数下降，但是随着高速区来流速度加快，车体底部和顶部的压差增大，下部压力大于上部压力形成升力，且随着后扰流板角度的下调，升力逐渐增大。因此，在确定后扰流板倾斜角度时，应综合考虑调整角度对整车阻力和升力的影响，在降低空气阻力的情况下，提高高速行驶工况下的稳定性，使整车气动性能达到最佳状态。

由此，在0°～4°调整范围内，随着调整角度的增大，两种调整方式下，空气阻力系数的变化量基本一致。但旋转法在控制整车升力系数上要优于光顺法方案，对高速时操纵稳定性的影响也将更小。因此，本文采用旋转法对后扰流板的角度进行调整（1°、2°、3°、4°），如图8所示，探索调整角度对空气阻力系数和升力系数的影响规律，进而寻找角度调整的最优值。调整后的空气阻力系数和升力系数变化如图9所示。

图8 后扰流板角度调整结构示意

图9 后扰流板角度调整对整车气动性能的影响

由图9可以看出，随着下调角度的增大，空气阻力系数不断降低，其中在0°～1°和2°～3°之间，空气阻力系数的变化量较大，分别降低0.003和0.002，但在1°～2°和3°～4°之间降低幅度有所减小，仅降低0.001。同时，随着下调角度的增大，整车的升力系数随之增大，并且在2°～3°之间存在缓增区，但是调整角度超过3°后，升力系数会随之大幅度升高，基准状态下整车的升力系数为0.029，在0°～3°之间，升力系数的变化量为0.018，在3°～4°之间，整车升力系数的变化量为0.014，占总体变化量的43.75%。

综上所述，当后扰流板的下调角度为3°时，所产生的降阻性能和高速稳定性均处于较优状态，为本文中所用模型的最佳调整值。

5.2.2 后扰流板角度对整车尾流场的影响

由图10可以看出，流过汽车顶部、底部和侧面的气流相互作用、相互融合，进而发展形成了大尺度的尾部涡流[5]。尾部涡流的存在使汽车尾部形成负压，这是汽车压差阻力形成的关键因素。后扰流板角度不同时，尾部涡流的尺度（大小和形状）也不相同。设计合理的后扰流板角度，可大幅减小轿车尾部旋涡的尺度，从而减小能量耗散，降低压差阻力。

图10 后扰流板不同状态下的尾流场示意

图10所示为整车尾部速度矢量图的Y=0截面图。从图中可以看出，尾部流场中形成上、下2个较大的涡流，其中上方涡流主要来自顶部及后窗两侧，下方涡流主要来自底部气流。由于底部气流流速较慢，下方涡流尺度明显小于上方涡流，两个涡流的中心在汽车背部偏下的区域，涡流的相互作用会增大气流流动能量损失，使得尾部负压增大，气动阻力增加。通过调整后扰流板的角度，如图10（b）所示，可控制尾涡的大小及两个涡流的相互作用强度，进而达到减小整车阻力的目的。

如图11所示，当后扰流板处于基准状态和下调3°时，车辆尾部的压力分布云图具有明显的不同。基准状态下尾部的压力系数处于-0.012～-0.006范围内，后扰流板角度调整后的压力系数处于-0.006～0范围内，说明后扰流板的角度变化使得车体后部的能量耗散明显减弱，有效减小了车辆的前后压差阻力，对降低整车阻力具有明显的效果。

图11 后扰流板不同状态下尾部压力云图

后扰流板下调不同角度时，尾部流场结构如图12所示。

图12 后扰流板不同下调角度下的尾流场结构

由图12可以看出，随着后扰流板下调角度的增加，尾流场中的涡流强度逐渐减弱，尤其对下部漩涡的影响更加明显，并且上、下漩涡的范围逐渐缩小，两者的交汇区域逐渐远离，中心的干扰程度减弱。在后扰流板下调角度为1°～3°之间时，上漩涡和下漩涡交汇中心的位置几乎没有改变，但是强度明显减弱；当下调角度为4°时，接近车体尾部壁面位置处气流向上，产生向上的升力，造成车轮的抓地力降低[6]。

5.3 后扰流板结构对整车气动性能的影响

将后扰流板结构改为某类似车型的断面结构（以下简称新型断面），如图13所示，凹陷深度为10 mm，凹陷位置与边缘距离为80 mm。以整车的空气阻力系数和升力系数为参考量，对比分析不同断面结构下，下调角度均为3°时气动性能的变化规律，结果如表5所示。

图13 后扰流板改型断面结构示意

表5 后扰流板不同断面结构对整车气动性能的影响结果

由表5中可以看出，采用新型断面结构的后扰流板后，整车空气阻力系数没有变化，但升力系数明显增加。

6 结束语

本文针对某SUV车型，通过比例模型风洞试验和CFD仿真的手段，研究了后扰流板对整车性能的影响。结果表明，后扰流板角度、结构形式对整车气动性能影响较大。其中，后扰流板角度的变化使尾部涡流中心点产生位移，最终影响空气阻力系数和升力系数。本文只研究了2种结构形式，后续可通过研究更多结构形式，继续探索改善整车气动性能。

1 任斌.后扰流板对汽车空气动力学特性影响的模拟研究：[学位论文].长春：吉林大学，2008.

2 傅立敏.汽车空气动力学.北京：机械工业出版社，2006.

3 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术.北京：北京大学出版社，2011.

4 扶原放.轿车外流场的数值模拟：[学位论文].长春：吉林大学，2002.

5 任斌，赵又群.后扰流板攻角对汽车气动特性影响的模拟研究.现代交通技术，2009（4）：98-101.

6 孙连伟.基于CFD的尾翼对汽车稳定性数值分析.汽车实用技术，2016（1）：158-160.

（责任编辑 斛 畔）

修改稿收到日期为2016年12月13日。

Research on Influence of Rear Spoiler on External Aerodynamic Performance

Zhu Zhonghua,Zhang Lei,Xu Zhibao,Zhu Wenju,Yang Jing,Liu Dongfeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230601）

In this article,CFD and wind tunnel test methods were applied to analyze the influence of rear spoiler (angle adjustment mode,angle,sectional structure adjustment)on external aerodynamic performance of a SUV,and the rear spoiler was optimized according to the analysis results.The result shows that,vehicle air drag coefficient can be decreased by 3%to 5%after sectional geometry and angle of attack optimization,and thus vehicle’s power performance and fuel economy were improved.

SUV,CFD,Aerodynamics,Rear spoiler,STAR-CCM+

SUV CFD 空气动力学 后扰流板 STAR-CCM+

U463.82；U461.1

A

1000-3703（2017）05-0019-05