一种低风阻汽车后保险杠的数值模拟
摘 要：为解决汽车没有底盘后部护板情况下风阻较高问题设计了一种可降低风阻的后保险杠。计算了两种离地间隙下两种保险杠的流场，并分析了低风阻后保险杠比原后保险杠风阻低的原因。两种离地间隙下低风阻后保险杠相比原后保险杠可显著降低风阻。关键词：汽车;风阻;后保险杠中图分类号：U461.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2019）03-98-03
Numerical Simulation of a Kind of Car Rear Bumper with Low Wind Resistance
Chen Tao， Huang Ling， Wei Jiaxing， Wu Zexun， Hao Qingquan
（ Zhejiang Ji Zhi New Energy Automotive Technology CO.， LTD， Zhejiang Hangzhou 311225 ）
Abstract： A kind of a car rear bumper with low wind resistance is designed to solve the problem that the drag coefficient of a car without back chassis board is high. The flow fields of the rear bumper with low wind resistance and the original rear bumper are got by numerical computations in two rear bumper ground clearances and the reason of the wind resistance of the low wind resistance bumper is lower than the original one in analyzed. The drag coefficient reduce obviously in two ground clearance.Keywords： Car; Wind Resistance; Rear BumperCLC NO.： U461.1 Document Code： B Article ID：1671-7988（2019）03-98-03
前言
为降低汽车风阻系数，汽车底部应尽量平顺，加底部护板[1-2]。但加底部护板在降低风阻的同时也会增加成本。其中以后悬架护板及底盘后部护板结构最为复杂，大多数汽车出于成本考虑都没有安装这两种护板。为在没有后悬架护板及底盘后护板的情况下降低风阻，改进了原后保险杠造型，设计了一种低风阻后保险杠。对这种低风阻后保险杠进行了数值计算，并在两个后保离地间隙下与原后保险杠进行了比较。计算表明在没有后悬架及底盘后部护板的情况下这种低风阻后保险杠能显著降低风阻。
1 网格及计算模型
1.1 汽车模型及网格
如图1所示，计算模型有发动机舱下护板，没有后悬架护板及底盘后护板。为保证计算精度，车身外形表面进行了细致的网格划分。而发动机舱内部及底部零件，进行了适度简化。
如图2所示，计算域长50m，宽20m，高12m。采用多层加密域，第一层加密域网格尺寸16mm，后视镜及后扰流板处局部加密至8mm。在车身表面划分5层边界层网格，第一层厚度1mm。
1.2 物理模型及边界条件
采用计算流体力学软件STAR-CCM+进行CFD计算。因为汽车空气动力学属于低速空气动力学，流场设置为三维不可压缩等温流场[3]。穩态计算。考虑涡流因素影响和低雷诺数效应，采用Realizable k-ε湍流模型[4]。此模型引入旋转和曲率有关内容，在汽车风阻计算中有较好收敛性和精度[5]。
机舱内散热器元件采用多孔介质模型，多孔介质模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数根据试验值拟合。
边界条件采用速度入口，压力出口。入口风速100km/h，压力出口压力为标准大气压。
流场地面、两侧及上壁面均设置为滑移壁面。车身及各零部件设置为非滑移壁面。
2 后保险杠造型
低风阻后保相对于原后保，区别在于后保险杠前端增加了导流曲面。
3 计算工况
汽车后保险杠位置高低往往要从两方面加以考虑。一个是离地间隙和离去角，一个是对底盘零件的有效遮挡保证美观要求。对于汽车风阻来说，一般后保离地间隙越高风阻越小。但受有效遮挡底盘保护零件及美观要求的限制，后保离地间隙高度不能过高。离地间隙也会影响低风阻后保的降风阻效果，因此在两种不同的后保离地间隙对低风阻后保和原后保进行对比计算，离地间隙分别为130mm和189mm。
4 计算结果及分析
设计后保险杠前端导流曲面的目的，一是遮挡一部分冲击气流，减少对后保内部的冲击，降低后保内部压强。二是导流曲面气流加速，压强降低，在导流曲面产生负压。三是使下保表面附近气流速度更高，改善车尾处流场结构，减少流动损失，增加尾部背压。从后面得计算结果及流场分析看，设计目旳得到充分实现，风阻显著降低。
4.1 计算结果
下表是后保离地间隙130mm和189mm时低风阻后保和原后保的整车风阻系数。在两种离地间隙下低风阻后保的风阻系数相对于原后保有明显降低。
4.2 后保离地间隙130mm流场分析
图4为后保离地间隙130mm时的压强云图。 从图4中可以看到，低风阻后保内部压强低于原后保。前端导流面压力为负压。
如图4、图5所示，低风阻后保下表面空气速度较快，改善尾涡结构，减少流动损失。低风阻后保汽车尾部背压高于原后保汽车尾部背压。
4.3 后保离地间隙189mm流场分析
对比图7和图5，可以看到离地间隙189mm时，后保内部受到的气流冲击速度较小。所以无论低风阻后保还是原后保，内部压强都小于离地间隙130mm时，如图6和图4所示，风阻系数也更低（表1）。
如图6所示，离地间隙130mm时，低风阻后保的内部压强同样小于原后保，前端导流面压力同样为负压。如图6、图7所示，低风阻后保的下表面附近空气流速同样高于原后保，改善了尾涡结构，从而减少流动损失，使低风阻后保尾部背压同样高于原后保。说明后保离地间隙更高时，低风阻
后保同样有降低风阻的作用。但在后保附近风速较高时，低风阻后保前端导流面遮挡部分冲击气流减少后保内部压强的所用更明显，所以后保位置越低时低风阻后保的降阻效果越大。
5 结论
本文提出的低风阻后保，可以在没有后悬架护板和底盘后护板、不增加成本的基础上降低风阻。后保离地间隙增加可降低风阻，但出于遮挡后部底盘要求，后保离地间隙不同车型有一定要求，不能不受限制增加。在后保离地间隙较大和后保离地间隙较小的情况下，低風阻后保都能显著降低风阻，但后保险杠离地间隙越低时降阻效果越明显。目前汽车市场上绝大多数车型都没有后悬架护板和底盘后护板，采用本文中的低风阻后保将起到降低风阻，降低油耗，节能减排的作用。
参考文献
[1] 刘雅坤，丁建军.超低风阻系数是怎样炼成的[J].世界汽车，2013（4）： 42-45.
[2] 杜春英，康献民，游志伟等.汽车底盘护板的空气动力学特性探讨[J].汽车实用技术， 2013（10）： 10-14.
[3] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社， 2005： 80-115.
[4] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004：80- 115.
[5] 梁建永，梁军，范士杰等.轿车外流场CFD分析中常用k-ε湍流模型的对比[J].汽车工程， 2008， 30（10）： 847-852.