MIRA快背式模型主動減阻研究*

張英朝，鄭鎮雨，吳開廣，張 喆

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

現如今汽車的舒適性、安全性和經濟性得到越來越多的關注，與這些性能有密切聯系的汽車空氣動力學性能變得越來越重要。最受關注的便是由汽車車身氣動阻力引起的燃油消耗，因此車身的氣動減阻成為了關注的重點。在以往的研究中，大部分研究人員采用了改變汽車外形以及車身附件的使用和改型，稱之為被動減阻。這種減阻方法一方面會增加車身的總質量，另一方面會極大地影響車身的造型和美觀。采用主動減阻的方式可以很好地規避上面提到的缺陷。

國內外近年來有許多關于MIRA模型流場的分析以及流動控制策略的研究。MIRA模型是一種接近實際轎車形狀的標準車型。通過對MIRA快背式模型的流場分析可知，若能將一些策略應用到模型上使得模型正迎風面的正壓減小或者使模型背風面的壓力增大，模型的氣動阻力將會得到極大的降低［1］。Beaudoin和Aider得到了前部流場結構對尾流場結構有顯著影響的結論［2］。Hucho等對經典快背式車型的外流場進行了分析，發現了由A柱而來的A柱渦和由C柱而來的C柱渦［3］。王子杰利用PIV試驗總結出MIRA模型流場的3個典型縱向渦，其中包括從A柱發展的A柱渦，C柱發展而來的C柱渦，由車尾側面和上翹腳側面產生的D渦，車尾上下兩部分產生的E渦和F渦［4］。在主動流動控制方面，Lehugeur通過對Ahmed模型尾部頂端的吹氣設置達到了6%的減阻效果［5］。文獻［6］中在尾部斜面頂部設置了抽氣和吹氣，抑制了氣流分離，達到了17%的減阻效果。Leclerc通過在尾部頂端設置合成射流，達到了8.5%的氣動減阻效果［7］。本文中基于MIRA快背式模型的流場機理，對氣動阻力系數影響比較關鍵的6個部位施加射流方案，并將不同的射流口尺寸和射流速度進行組合，探究這些參數對流動控制效果的影響。

1 仿真模型和仿真參數

1.1 仿真模型

本文中用PowerFlow軟件進行仿真計算。PowerFlow是基于格子—玻爾茲曼方法實現的。格子— 玻爾茲曼方法具有一些其他CFD仿真方法所不具備的優勢，這種方法直接反映和描述了流體分子，運算物理項是從分子之間的相互作用中提取的。數值仿真當中使用的湍流模型為VLES模型，VLES模型求解計算的Kolmogorov范圍以外的各向異性渦流，可有效減少計算資源的消耗。

1.2 仿真參數

本文中研究對象為國際標準的MIRA快背式模型，這種簡化的汽車模型的氣動研究已經十分廣泛。圖1為MIRA快背式模型的三視圖以及對其主要尺寸的標注。表1為瞬態仿真的參數設置［8］。

圖1 MIRA快背式模型三視圖

2 MIRA快背式模型各位置射流減阻方案仿真分析

經過對原模型的外流場穩態和瞬態的仿真分析，已經得到了原模型外流場的基本結構。接下來力圖通過射流作用有效減小車身正迎風面壓力并增大背風面的壓力［9］。圖2展示了本文中選取的6個射流方案的具體位置。A位置在發動機罩的后緣；B位置在前輪的正迎風面；C位置在車身側面靠近車輪的位置［10］；D位置在車身后風窗下部的位置；E位置在車身尾部上翹角的末端；F位置在車身的尾部。

表1 瞬態仿真參數設置

圖2 主動減阻射流口位置

A位置（發動機罩后緣）的射流是沿Z軸正方向的，在該位置添加射流口后，前部來流在經過發動機艙蓋繼續上行的過程中會更平穩過渡到車頂。由圖3可以看出，前風窗的正壓力明顯減小，前部來流對于前風窗的沖擊明顯減弱，阻力系數降低了0.018。

圖3 原模型與A位置射流模型Z向靜壓系數云圖對比

B位置（前輪正迎風面）的射流沿Z軸負方向。該方案的目的是使氣流在經過前唇之后繼續下行，盡量繞過車輪而不正面沖擊車輪。由圖4可以看出，B位置射流減阻方案使得氣流下行趨勢明顯，車輪前部的壓力減小，最終達成了0.003的減阻效果。

圖4 原模型與B位置射流模型y＝633 mm截面靜壓系數云圖和流線圖對比

C位置（車身側面靠近車輪的位置）的射流方向為沿±Y方向向外射出［11］，目的是將車身底部氣流由側面排出，降低車身底部的渦量。由圖5可以看出，C位置的射流減阻模型的前輪后部壓力升高而后輪前部的壓力降低，整車的壓差阻力有所降低，阻力系數降低了0.012。

D位置（后風窗下部）的射流方向沿著Z軸正向。由圖6可以看出，D位置射流減阻模型的吹氣方式使得后風窗后緣的壓力升高，這是因為后緣位置向上的吹氣對頂部下行氣流產生阻滯作用使得后風窗后緣壓力增大，有很好的減阻效果。但另一方面，這種阻滯作用使得尾流區的尺度增大，對減阻又產生了消極影響，所以D位置的射流工況僅僅減阻0.003。

圖5 原模型（左）與C位置射流模型（右）靜壓系數云圖對比

圖6 原模型與D位置射流模型側向壓力系數云圖和流線對比

E位置（尾部上翹角的末端）的射流沿Z軸的負方向，該射流會對底部的來流產生阻滯作用，上翹角位置的壓力會明顯增大［12］。另外，E位置的射流產生的來流阻滯效果抑制了D渦的生成，這也產生了一定的減阻效果，E方案共減阻0.005左右。

F位置（車身的背部外緣）的射流吹氣沿X軸正方向，與風速相同，與車輛的行進方向相反。由圖7可以看出，F射流減阻模型的尾流區的尺度明顯減小，這是因為F位置的射流對C柱渦和D渦都產生了一定沖擊，破壞了渦流的繼續發展［13］。

由于F位置的射流工況的射流方向與阻力產生的方向是相同的，需要用一定的方法將其對阻力的影響進行修正。在這里采用式（1）進行阻力系數的修正［14］。經過修正的阻力系數的值為0.276 8，減阻0.012。

圖7 原模型和F位置射流減阻模型總壓為零等值面視圖

式中：Cdprofile為修正后的氣動阻力系數；Cdglobal為未修正的氣動阻力系數；Cjet為射流力矩影響產生的氣動阻力系數；Fd為未修正的氣動阻力；ρ∞為來流密度；Arefcar為模型正投影面積；ρjet為射流氣體密度；Arefslot為射流孔面積；Ujet為射流速度；U∞為入口速度。

表2展示了各射流減阻方案的阻力系數（Cd值）以及與原模型的阻力系數差距，可以看出各方案均起到了一定的減阻效果。接下來將會把各位置方案進行組合，分析綜合的減阻效果。

表2 各位置射流減阻效果

3 各位置最優射流方案組合研究

前文中得到了各個射流方案的具體效果，由于其中一些射流位置的射流影響范圍較大，有些射流位置的射流效果會產生相互作用，因此有必要將各位置的射流組合考慮。經過仿真驗證，將各個位置最優方案進行總結后得到的阻力系數值為0.221 6，但因為F位置的射流方向與阻力產生的方向相同，使用前文中提到的修正方法得到修正后的阻力系數值為0.241 4，實現了16.3%的減阻效果，阻力系數降低了0.047。圖8為組合射流模型和原模型的阻力系數發展曲線的對比圖，從中可以明顯看出兩者的差別。在前風窗之前的位置，組合射流模型的阻力系數大于原模型，這是因為前風窗邊緣和前輪位置射流口Z向吹氣產生的阻滯作用的效果［15］。在車身的中段，從前風窗位置開始，組合射流模型的阻力系數開始明顯低于原模型，在車身后部組合射流的減阻效果更加明顯。

圖8 組合射流模型與原模型阻力系數發展曲線對比圖

由圖9可以看出，組合射流模型前風窗的正壓區的整體壓力明顯減小，后風窗位置的壓力明顯增大，意味著模型前后壓差的降低。由圖10可以看到，后輪前部的正壓明顯減小，這是由于C位置（車身側下部）射流吹氣減弱了車底以及后輪前方的氣流阻滯區，使得底部氣流對于后輪的正面沖擊減弱［16］。從圖11中可以看到尾部上翹角的位置壓力明顯增大，減阻效果明顯。另外，由背部壓力系數云圖可以看出，組合射流模型中F射流的效果依然明顯，背部壓力明顯增大。

圖9 組合射流模型與原模型表面靜壓系數云圖（Z軸負向視圖）

圖10 組合射流模型與原模型表面靜壓系數云圖（Z軸正向視圖）

圖11 組合射流模型與原模型表面靜壓系數云圖（車身背部）

4 結論

本文中選取了快背式的MIRA模型進行優化減阻的研究。首先對MIRA原模型的外流場進行了分析，確定了車身的外流場結構以及一些耗能渦的狀態和位置。然后擬定了6個位置的主動流動控制方案，即射流減阻方案，目的是減小模型的前后壓差阻力并在一定程度上抑制耗能渦流的發展和產生。經過仿真的驗證，各位置射流方案均取得了很好的減阻效果。最后將各位置最優方案組合形成組合射流模型，得到的組合射流模型阻力系數值為0.241 4，實現了16.3%的減阻效果。