主动气动翼对高速行驶车辆操纵性能的影响

在这项研究中，使用数值模拟研究主动气动翼，提高在紧急情况下的车辆操纵性能，例如高速紧急转弯的机动情况。系统的数值模拟方法和取得的结果可为高速道路车辆主动气动翼的研制提供设计指导。

空气动力学车辆模型设计
这项研究的主要目的是研究车辆在高速行驶时产生的下压力，并控制这些力来实现良好的操纵性能。气动翼的形状选择将遵循翼型标准，前翼将是后翼的缩放模型。

气动翼几何设计
通过使用软件Aerofoil Generator，翼型坐标数据库S1223可以生成，相应的“data.txt”文件出口到西门子NX，由此产生的空气动力机翼的草图可以生产如图1所示。基于草图，三维后翼的几何模型如图2所示产生。



图1 翼型S1223的草图



图2 后翼三维模型

汽车模型设计
没有空气动力学翼的车辆模型如图3所示。选择一辆汽车是因为它有效地复制了高速NASCAR的设计。



图3 没有气动翼的车辆模型
后气动翼将安装在图3所示的车型凹口区域的后端。具有后翼的车辆的所得模型如图4所示。



图4 具有后部空气动力学翼的车辆模型

CFD模拟
使用ANSYS FLUENT软件包进行气动车辆模型的CFD（计算流体动力学）仿真。 CFD模拟是在不同的位置和不同的车辆前进速度下使用后翼进行的。该仿真结果将被用作车辆动力学分析的气动数据库。

ANSYSFLUENT软件的设置
对于所有的模拟案例，使用相同的网格大小和通道设置, 参数设置介绍如表一：



表一 网格设置

图5显示样本网格加密和车身表面边界层网格增长。



图5 网格加密及车身表面边界层网格增长

解算器设置
CFD数值模拟需要在开始计算之前适当地设置求解器。 所有情况下的求解器设置和边界条件与表2所示相同。



表2

仿真结果
具有和不具有后翼的车辆的结果进行比较，在具有后翼的车辆的情况下，两个独立后翼的迎角都是0度，相同的k-ε湍流模型以及相同的边界条件，自由流的速度设定为33.33m / s，1000次迭代之后实现足够收敛。结果为没有尾翼和带有尾翼的情况下阻力系数分别为

0.3842和0.3888，相差不大。此外，通过分析两种情况下升力系数（CL）的数据，可以看出无后翼情况下的升力系数为0.3475。由于尾翼的影响，所得到的升力系数降至0.1572，比based值0.3475降低了54.75％。因此，具有后翼的车辆的负升力（下压力）增加。

从图6、图7可以看出，带有后翼的汽车后端的空气涡流大于没有后翼的情况，在后部有一个空气再循环区域。



图6. 无后翼的车辆周围的气流速度图（最大风速60.6832米/秒）



图7. 有后翼的车辆周围的气流速度图（最大风速63.20815米/秒）

不同迎角车辆仿真结果

在CFD模拟中，两个独立后翼的攻角从0度到20度（增加5度）。为了简单起见，仅模拟一个后翼。前方车速从60公里/小时到300公里/小时（增加40公里/小时）。图8和图9分别给出了下压力和功耗的仿真结果。从图九可以看出，当机翼的攻角在16〜17度左右时，后翼可以产生最大下压力，下压力随着车辆前进速度的增加而增大，然而，随着空气动力学的非线性增加，消耗的发动机功率也将随着迎角和车辆前进速度的增加而增加（如图9所示）。因此，适当的迎角对于操纵下压力和消耗功率之间的平衡有重要意义。



图8 在不同的前进速度下的下压力与后翼的攻角



图9 各种前进速度下消耗的马力与后翼的迎角相比

车辆动态仿真
将基于ANSYS FLUENT的仿真结果作为数据库，结合CarSim开发的车辆模型进行动态仿真，评估车辆在高速转弯机动情况下的操纵性能。为了检验气动翼系统对车辆操纵性能的影响，进行了组合动态模拟。CarSim模型如图10所示。



图10 Carsim 汽车模型及尺寸参数设置

仿真程序
为了理解气动翼系统对车辆横向动力学的影响，使用CarSim软件包将获得的FLUENT软件数据用于进一步分析。车辆以220km / h的稳定速度向前行驶，试验轨迹为半径1000m的圆形轨迹，如图11所示。在模拟的操纵下，迎角保持15度。



图11 半径1000米的圆形测试道
图12显示了车辆转向输入的时间历程。 该图显示了车辆在转弯开始时的转向响应，随后是稳态行为。



图12 时间与车轮转角之间关系

仿真结果
图13至18显示了基于具有和不具有空气动力学翼的CarSim车辆模型的仿真结果。
图13显示了配备有气动翼系统（VAWS）的base车辆和车辆的CG（重心）处的横向加速度的时间历程。可以看出，VAWS表现出较低的峰值横向加速度。图14显示了与VAWS和base车辆的偏航率相关特征。因此，可以预期，与base情况相比，VAWS可以在更高的前进速度下进行拐弯。



图13 时间与具有和不具有气动翼的车辆模型的横向加速度的关系



图14 时间与具有和不具有空气动力学翼的车辆的横摆率的关系



图15显示了基准车辆和VAWS的侧倾角的时间历程。可以看出，与base车辆相比，VAWS显示出较低的滚动角度。



图15 时间与具有和不具有空气动力学翼的车辆的侧倾角的关系

图16和17显示了模拟操纵的轮胎产生的横向力。在转弯过程中，由于侧向载荷的传递，外轮比内轮胎产生更大的侧向力。因此，为了改善车辆的转弯能力，必须使用空气动力学翼来补偿惯性力引起的横向载荷转移，使得内部车轮还可以产生高速拐角所需的足够的横向力。如图17所示，这种影响通过减少施加在右（外）轮上的横向力来抵消。



图16 时间与base车辆的内侧（左侧）和VAWS的轮胎横向力之间关系



图17 时间与base车辆的外侧（右侧）和VAWS的轮胎横向力之间关系

结论：
仿真结果表明，主动气动翼可以使车辆在高速转弯时以较高的横向加速度运行，主动气动控制系统具有以下特点：
1.增加轮胎的能力，产生更大的转弯力量
2.高速稳定车辆
3.提高制动性能
4.增加牵引力
系统的数值模拟方法和取得的结果可为高速道路车辆主动气动翼的研制提供设计指导。