改进型尾部排气降低方背车油耗的空气动力学性能研究

近年来，SUV（运动型多功能车）因其舒适性、高效性能和实用性在汽车行业的应用越来越多。由于大多数SUV都是在高速公路环境中行驶的，因此不良空气动力阻力的形成严重影响了性能，从而导致油耗增加。因此，本文更侧重于通过在SUV汽车模型中引入改进的基础放气方法来降低油耗。对已经修改的底排和没有修改的SUV汽车模型进行了数值研究，以确定恒定运行速度下的气动参数，如压力系数（CP）、阻力系数（CD）、升力系数（CL）和侧向力系数（CS），不同横摆角（ψ）。研究表明，阻力系数（CD）的降低，改进了底排的SUV车型的油耗率，比没有底排的车型降低了4.02%。研究表明，在SUV车型上实施改进的底部排气可以降低油耗，并为更好的性能提供空气动力学支持。

01  前    言 

 随着环境法规变得更加严格，人们对更环保的交通选择的需求越来越大，减少空气动力阻力对于降低乘用车的燃料消耗和整体性能至关重要。然而，使用

SUV的需求正在上升，并产生更多的阻力，导致油耗进一步增加。在乘用车中，燃料消耗和减阻是相关的。车辆使用的大部分牵引能量，特别是在较高速度下，被空气动力阻力所利用。这强调了高效减阻技术的必要性，因为它直接影响燃料消耗。人们普遍认为，减少气动阻力可以降低燃料消耗，正如（Hucho&Sovran，1993）和（Rose，1981）最近的研究所证明的那样。此外，流量控制技术被广泛用于降低气动阻力，并可用于不同的车身类型。

    我们的研究旨在实施这种修改后的底部排气。具体而言，我们将通过修改底部排气剖面来扩展Sivaraj等人的工作。这包括在汽车后端部分增加多个底排出口，这将使人们更全面地了解修改后的底排。通过这样做，我们希望有助于更全面地了解乘用车的减阻，并为车辆空气动力学提供新的见解。

    因此，本研究更侧重于基于数值模拟过程，研究在汽车模型中实施改进的底排以提高空气动力学性能的方法。针对有和没有基础放气以降低油耗的汽车模型，分析了不同速度和横摆角下的阻力系数（CD）。

02  改良型尾部排气

       尾部排气技术涉及在车辆后部放气高压气体，它主要是为航空航天应用而设计的，通过改变尾流区域的流动特性，这种方法成功地降低了基础压力和由此产生的阻力。研究人员对超音速和高超音速飞行中的底排原理进行了深入研究，显著降低了波浪阻力，提高了飞行器的整体性能。与航空航天用途相比，在汽车中实施底部排气方法以减少阻力的概念受到的关注较少。只有少数研究人员研究了开槽基底瓣等被动出血技术的使用。但在乘用车领域，这种底排系统的使用，如航空航天领域所见，几乎没有引起任何关注。仍然有可能为道路车辆开发一种改进的底部放气技术，类似于航空航天应用中使用的技术。  

       基础放气方法已被证明在航空航天领域是有效的，但将其应用于乘用车存在特殊困难。乘用车的行驶速度低于飞机，路况不同，并受到明显的设计限制。在集成改进型发动机时，仔细评估系统复杂性、空气动力学稳定性、对车辆动力学的影响以及制造可行性等方面非常重要汽车底部放气系统。此外，必须在汽车行业的背景下评估安装这种系统的成本效益。

       在这项研究中，共使用了四种不同型号的方背汽车模型。”Model 1是一个简单的方背模型，被称为“基础模型”。后来，汽车型号进行了改装，配备了从一个出口到三个出口的底排附件。为了方便起见，在整个研究过程中，这些修改后的模型被命名为“案例1”、“案例2”和“案例3”。

03  数值模拟

       在车辆空气动力学应用中，流体流动优化对于减少阻力至关重要。本研究的目的是通过使用计算流体动力学（CFD）模拟来研究减少方形后车模型阻力的可能性，从而提高空气动力学效率并降低燃料消耗。用于分析的车型是一款4米以下的Squareback紧凑型SUV，因为它是印度汽车市场上最受欢迎的汽车选择。该车型的尺寸基于市场上一些流行的紧凑型SUV，如表2所示。基于表1和表2所示的上述考虑因素，使用功能丰富的计算机辅助设计（CAD）软件CREO参数化软件选择和设计SUV模型的尺寸。

几何描述

      用于分析的车型是一款4米以下的Squareback紧凑型SUV，因为它是印度汽车市场上最受欢迎的汽车选择。该车型的尺寸基于市场上一些流行的紧凑型SUV，如表2所示。基于表1和表2所示的考虑因素，使用功能丰富的计算机辅助设计（CAD）软件CREO参数化软件选择和设计SUV模型的尺寸。

 表1 改进型基带配置的尺寸

表2 型号规格比较

       图1显示了具有和不具有修改的底排的实体模型的三视图。汽车模型是按照表2中提到的原始尺寸设计的，后来为了网格划分和分析的目的，它被缩小到1:16的比例。

图1 Squareback车型的不同视图

       汽车模型的长度、宽度和高度分别为249.68毫米、112.5毫米和101.25毫米。域和汽车模型的原点设置为发动机罩的前部。域大小的尺寸根据汽车L的长度进行了归一化。考虑到堵塞率、地面效应、循环等某些参数，域大小保持为8L x 3L x 3L（图2），这样边界条件就不会对解决方案产生任何意外影响。该模型被放置在距离入口3L的位置，以便有足够的空间来研究汽车后端的效果。

图2 计算域规范

建立网格

      作为有限体积法（FVM）技术的一部分，整个域被离散化为多个使用ANSYS Design Modeller计算较小体积的数量。主要针对域的体积选择了六面体单元的非结构网格。在域的非接触区域构建了一个较粗的网格，并在汽车模型周围构建了更细的网格，以捕捉模型表面的效果。

      在CFD中，湍流的精确建模对于理解车辆空气动力学至关重要，特别要注意捕捉边界层效应的y+值。（Pope，2000）强调了精确求解边界层的重要性，主张保持适当的y+值，以确保湍流模型中精确的近壁处理。他建议，对于高保真模拟，y+通常应保持在1以下，以有效地捕获粘性子层，而基于壁函数的模型认为30到300之间的值是可以接受的。

      由于本研究主要关注减小阻力系数CD，因此CD被视为GIS中的主要参数。该GIS共生成了四个网格，即网格1、网格2、网格3和网格4，网格质量从粗网格到细网格不等，单元大小分别为1544668、2564666、3583777和4476943（图3）。CD是针对具有不同网格尺寸的Squareback汽车模型找到的，并绘制在如图7所示的图表中，该图表显示了阻力系数CD的减小（百分比）。因此，使用具有3583777个单元的细网格（网格3）进一步进行流动模拟。必须注意的是，选择具有较少单元的网格可能会在更短的时间内产生解决方案，但解决方案的质量/准确性将受到网格尺寸选择不当的影响。

图3 GIS所遵循的不同网格尺寸的CD图

       现有文献表明，这些网格计数足以用于类似的空气动力学研究。例如，（Tucker，2001）强调，300万至500万网格计数通常足以捕捉汽车模拟中的关键空气动力学特性。我们的网格分辨率完全在这个范围内，这为结果的稳定性提供了信心。

CFD求解器

       基于网格独立研究，具有3583777个单元的网格进一步用于在ANSYS FLUENT中进行CFD模拟，ANSYS FLUENT是一种通用的CFD求解器，在给定适当的边界条件时，能够进行接近精确结果的模拟。有限体积法（FVM）用于求解流体力学的控制方程。考虑了流体流动中质量和动量守恒的连续性、x、y和z动量方程。

      入口速度保持在25m/s，这被认为是大多数国家乘用车的平均巡航速度，出口保持在大气操作条件下的压力出口。除此之外，所有墙都被视为固定墙，除了底面，该底面被假设为移动墙作为本次模拟的边界条件。发现与车身形状和车身底部流动等其他因素相比，旋转车轮对阻力和升力系数的影响相对较小。在ANSYS CFD post工具中进行后处理，以可视化汽车模型周围气流的三维流型。除此之外，其他流量参数，如汽车上的速度和压力分布、升力和阻力系数等，也以等高线图的形式可视化。

图4 汽车模型的速度矢量

04  结论与分析  

本节对计算流体动力学（CFD）模拟进行了全面分析，在四种不同的汽车模型上进行了测试——基础模型、案例1、案例2和案例3。本研究的主要目的是调查和比较这些模型在不同底排条件下的复杂气动性能，如单出口、双出口和后部三个出口。通过对速度分布、压力分布和湍流强度的细致检查，我们的模拟揭示了每辆车周围的复杂流动动力学。

速度

       在后处理步骤中，汽车周围的三维流动被可视化。图8显示了连接和不连接底部放气的汽车模型周围的流体流动速度矢量。观察到自由流流体流不受影响，直到它到达所有车型的前部并被发动机罩区域偏转。由于前部的陡峭角度，流量随着速度的降低而停滞，进而流过发动机罩区域。气流分离最初发生在发动机罩区域，后来气流附着在前挡风玻璃上流动继续存在于顶面，并倾向于以倾斜角度分离后端区域。这种陡峭的倾斜角度使Squareback车辆在后端区域更容易发生流动分离，从而进一步作用在尾流区域。

       该尾流区域进一步受压力阻力。我们观察到，与带有底部引气的模型相比，底部模型处形成的流动分离和尾流区域更高。来自底部引气出口的通电流动在车辆后端产生了理想的流动，这导致了一些速度分布，最终使尾流区域最小化。值得注意的是，尾流区域的减少导致整个车辆产生的阻力减小。与其他底排模型相比，情况2模型后端的涡流形成更平滑，这可以在端部产生更多的涡流。如图5所示，在汽车模型周围形成的速度分布和压力中可以看到这种能量流。

图5 中心平面处的速度分布

      图5显示汽车模型在纵轴上的速度曲线。最初，自由流速度保持在25m/s，这是乘用车最多的平均巡航速度条件，与速度矢量剖面相似（图6），自由流速度在汽车前部停滞，在发动机罩区域加速。由于挡风板处的气流分离，速度降低，进一步使气流重新附着在屋顶表面，同时达到局部速度38.5m/s的最大速度。

图6 汽车模型的速度矢量

       在使用底部放气的车型中，当高动量空气到达后部时，汽车模型后端部分的速度各不相同。很明显，与其他模型相比，基础模型在后端观察到的低速剖面区域相对最大。这使得模型更容易在后部形成尾流区域，从而导致压力阻力。然而，具有底排的模型在后部区域观察到的低速剖面的最小区域往往会减少尾流和压力阻力的形成。此外，与图7中进一步可见的情况1和情况2相比，情况3在汽车后部实现了更高的激励流动量。

图7 沿位置的速度分布

       图7详细比较了汽车模型在后端区域不同纵向平面上的速度分布。因此，定位了六个纵向平面来研究汽车模型下游流动区域的速度分布。沿着该域的平面位置以汽车L的长度表示。第一个位置位于最靠近汽车模型后端部分的位置。此外，所有其他位置的间距均为0.3m以准确地可视化汽车模型周围的流动模式。它清楚地表明，底排在后端产生动量方面具有积极作用，并且在车辆下方也有作用。然而，在0.225L的压力下，可以观察到速度的增加。这确保有底部放气的汽车不会影响即将到来的汽车的流场区域。在情况1中，速度分布在0.225L之前似乎是均匀的，0.3L之后流量变得不均匀，在0.225Ls之后产生不均匀的涡流平面。在0.075L的情况3中可以看到类似的不均匀速度分布，使其在后部产生更多的湍流效应。但在情况2中，与其他模型相比，速度分布在几乎所有平面上都是平滑的，下游流一直均匀分布。

压力

      模型上的压力分布如图8中的中平面图所示，为汽车表面的压力系数（CP）分布。

图8 压力系数在中心平面的分布

       在流量到达后端之前，所有车型的CP在汽车表面的分布都是相同的，不受影响。当气流到达汽车后端区域时，由于底部放气产生的高能动量流，压力分布立即显著上升。这可以在图9中以等距视图的形式在汽车模型上的CP分布中清楚地看到。

图9 压力系数在车型上的分布

       由于底部放气产生的气流中的碰撞效应，汽车的后端部分比没有底部放气的车型承受更高的压力。这进一步阐明了通过在流动下游产生高压来减少后部尾流区域。与速度分布类似，CP分布在后部也有直接影响，如图10所示速度剖面的详细比较。该图显示了带有底部放气装置的汽车后端部分的压力分布显著增加。这种压力增加在流量下游立即出现，并延伸到0.15L。之后，流量正常化，压力变得无效，这证明在汽车上安装底部放气不会影响迎面而来的汽车的自由流。

图10 压力系数沿位置分布

       从图10中可以明显看出，安装了底排的模型压力升高。在情况1和情况2中，压力逐渐上升至0.15L，之后压力与周围的流场归一化。在情况3中，压力分布不均匀，这导致了类似于速度分布的扰动流。所获得的CP分布的质量得到了给定图10的支持，该图解释了压力系数分布在安装和不安装底排的模型中的影响。在剖面点30至40之间，压力系数的形成达到了没有底部泄放的基础模型的最大值，如图11所示。在案例1中，与基础模型相比，由于单出口基础泄放的连接，剖面点30至40之间的压力系数略有降低。由于底排装置设计有两个出口（情况2），与情况1相比，压力系数显著降低。尽管在剖面点33处观察到的压力系数增量可以忽略不计，但在剖面点上观察到的进一步平滑减小的压力系数在30到40之间。

       在案例3中，与案例2相比，在剖面点30至40之间研究的压力系数逐渐减小。然而，三出口底排结构（情况3）流场出口处尾流湍流的形成会导致不理想的阻力系数，从而影响汽车模型的性能。因此，对于带有单出口和双出口的底排装置，案例3中压力系数值略高于案例1和案例2。此外，在案例2的后部区域压力系数的影响为-0.192，减阻系数（CD）=0.364。

图11 模型上的压力系数分布

湍流

        CFD模拟的结果揭示了四个汽车模型所表现出的湍流强度特征的关键见解。很明显，基础模型在汽车后部有更高的湍流，产生更多的涡流和干扰，导致阻力产生增加。然而，带有底排的模型显示湍流强度发生了显著变化。由于只有一个出口，情况1中的质量流量增加，这使得底部泄放出口区域的湍流强度更高（图12）。然而，在情况2和情况3中，这种浓度降低了，这可以在图12中看到，因为下游的湍流场减小了。通过这种比较，情况2在后端侧具有最小的湍流场，确保安装这种底部放气不会影响后面的汽车。

图12 中平面湍流强度分布

       在基础模型中，湍流增加，在0.075L处可以看到，湍流沿着汽车模型的宽度延伸。湍流的增加延伸到0.225L，然后开始减少到0.375L，在汽车的顶部和底部有最小的造流尾流区域。但在其他型号中，强度的增加可以在第一个汽车本身的底排出口处看到。此外，由于后端区域底部放气引起的高能流，侧面（沿宽度方向）的湍流形成减少。湍流强度的增加可以从第一个平面看到，它一直延伸到0.375L。这确保了汽车后部区域存在高能流场，同时减少了尾流区域的形成。此外，这种现象导致车辆后部压力增加，产生的总阻力减小。很明显，情况1和情况3中的流场似乎受到干扰/不均匀，这可能会导致车辆后方涡流的形成增加。在情况1和情况3中，这种下游流可能会对后面的车辆造成干扰。但在情况2中，与其他模型相比，湍流分布在几乎所有平面上都是平滑的，下游流一直均匀分布。这些结果表明，每种车型的空气动力学性能对驾驶场景中经历的湍流水平的影响。这项研究的结果对优化车辆设计以实现所需的湍流强度水平具有重要意义。

05  结论 

       对集成和不集成底排的汽车模型进行了数值模拟研究，以分析气动阻力特性。设计了有和没有底气的汽车模型，并对不同的出口配置进行了计算。对汽车模型周围的速度场、压力分布和湍流强度进行了检查，以确定压力系数（CP）、阻力系数（CD）、升力系数（CL）和侧向力系数（CS）等性能参数。此外，基于实验测试和现有研究，进一步扩展了研究范围，以验证数值模拟结果。实验验证过程是使用带有汽车模型的风洞设施进行的对于变化的操作速度。数值结果预测，情况2的阻力系数（CD）降低了8.04%，达到最大值，而燃料消耗降低了4.02%。对于采用双入口底排的汽车模型（案例2），在相同的燃料消耗减少情况下，阻力系数（CD）达到了最小值0.0804。建议采用双出口底排的SUV车型，主要降低了阻力系数（CD），提高了车辆性能，对稳定性的影响可以忽略不计。

    本期编辑|于凌兰    

                审      核|何藤升、王艺霖    

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.