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基于LBM的翼型后扰流板对汽车尾流影响的探究
刘江,兰巍,胡兴军,杜玮
吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130022
摘要:采用格子玻尔兹曼方法(LBM),对加装不同弦长、攻角翼型后扰流板的汽车进行瞬态仿真,研究后扰流板尺寸对汽车尾部流场的影响。分析了不同弦长和攻角变量的后扰流板对气动阻力和气动升力的影响,通过对比不同方案的流场、涡量、湍动能,分析流场结构的变化规律。结果表明:汽车加装后扰流板后均不同程度地减小了气动升力,后风窗和
行李箱盖之间气流的倒流现象更加明显,尾部湍流涡的位置和大小有明显差异。
关键词:翼型;后扰流板;格子玻尔兹曼方法;数值仿真;弦长;攻角
1.简介
高速行驶的车辆将受到较高的空气阻力及升力作用且随车速提高而显著增大,对车辆的操纵稳定性,如路面不平度稳定性及转向特性产生不利的影响(邱峰,2011)。研究表
明(胡兴军,2014),当车速大于80km/h时,过高的气动升力将汽车向上托起,使轮胎与
地面之间的附着性能变差,从而容易导致安全事故发生。
通过安装气动附件可以减小气动升力,从而增加车轮的地面附着力,提高汽车行驶的安全性(谷正气,2012)。通常,汽车尾部的流场情况比较复杂,流过进而形成大尺度的
尾部涡流(康宁,2006),安装后扰流板,汽车顶部、侧面和底部的气流相互作用和融
合,可以有效的对尾部气流进行梳理,减小气动升力,提高操纵稳定性(许建民,
2014)。
国内外早期对后扰流板的研究主要集中在竞赛汽车,随着汽车空气动力学的发展,近
几年来相关学者开始将赛车空气动力学的研究成果应用到乘用车。2009年,Chien-Hsiung
Tsai(TsaiCH,2009)等学者研究发现汽车尾部安装后扰流板可以提高整车的操纵稳定
性。2012年,谷正气(谷正气,2012)等学者针对跑车尾翼模型,通过数值计算研究了其
外形、攻角、翼面凹坑以及支架形式对尾翼的表现的影响。Nowazan(NorwazanAR,
2012)等学者验证了扰流板形状的变化,对气动升力以及气动阻力将产生不同的影响。
2016年,A.BULJAC(BuljacA,2016)和I.D?IJAN,I针对后扰流板的安装高度做了相关
的探究,结果表明当后扰流板的高度比为0.57时,负升力系数最大。湖南大学杨小龙(杨
小龙,2016)等学者以标准货车GTS模型为对象,研究了导流板结构参数和安装角度对气
动阻力的影响。
国内外对汽车后扰流板的研究,其对象多为类车体,车身模型相对比较粗糙,且研究
方法单一。本文以实车标准模型DrivAer为研究对象,采用格子玻尔兹曼方法,通过加装不
同弦长和攻角的翼型后扰流板,研究其对汽车尾部流场特性的影响。运用Powerflow软件进
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行了瞬态仿真,并将结果时均化以研究流场特性,得出气动力系数随尾部扰流板尺寸的变
化规律。这些研究工作,对今后车型的气动开发具有指导意义。
2.几何模型及研究方案
2.1几何模型
DrivAer模型是依据宝马3系和奥迪A4建立的标准模型,具有整车细节,相比
Ahmed、MIRA、SAE等简化标准模型具有更好的代表性(Heft,A.,2012)。图1阶背式
DrivAer模型为本文研究对象。
图1.阶背式DrivAer模型(单位:mm).
按照横截面形状区别,后扰流板可以分为以下几类:薄板、翼形以及其它形状(袁志
群,2010)。本文所采用的是A-93B17翼形后扰流板,其翼展长度为1200mm,将其安
装在前缘中心和后风窗与行李箱交汇线水平距离为250mm,前缘距模型尾部50mm高度
的位置。其形状及安装位置如图2所示。
图2A-93B17翼形及安装位置
2.2研究方案
确定安装位置后,翼型的弦长与攻角等外形尺寸将作为影响其流场特性的主要因素,因此本文主要针对翼型的弦长和攻角进行相关研究。弦长即为翼型后扰流板前后缘之间的
距离,攻角为翼型扰流板前后缘连线与无穷远来流方向的夹角。本文针对弦长和攻角尺寸所采取的方案如表1所示。其中应注意,探究弦长影响作用时,攻角取15°;探究攻角影
响作用时,弦长取120mm。
表1.研究方案.
研究因素固定因素尺寸取值
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研究因素固定因素尺寸取值
弦长攻角(15°)100mm,110mm,120mm,130mm,140mm
攻角弦长(120mm)5°,10°,15°,20°
2.3数值模拟
为减小网格数量,节约计算资源,且能捕捉重要流场细节信息,保证计算准确性和可
靠性,面网格按照PowerFLOW外流场仿真最佳实
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