1.1 研究背景及意义
气流经过行驶的汽车，在汽车的周围形成很复杂的外流场结构，尤其会出现气流的分离附着和复杂涡结构等流体现象[1]。而这些外部的客观现象实则是汽车空气动力学特性以及流体气动机理和规律的反映。研究汽车空气动力学特性对于进行车身外观造型设计和提高整车性能指标来说具有重要的理论依据和现实意义。研究汽车外流场中的气流分离以及湍流涡结构等复杂现象是揭示其内在机理和规律的重要环节。 在进行一般性研究的时候，研究对象需要具备一定的普遍性和代表性。随着汽车空气动力学的不断发展，标准模型也在不断地丰富和改进。Driv Aer 模型就是一款新型实际车标准模型，是宝马 3 系和奥迪 A4 的插值模型，具有整车汽车细节，包括发动机盖、轮胎、轮腔、后视镜、光滑/复杂底盘等细节，更加地贴近实际车型，比之前 Ahmed、MIRE、SAE 等简化标准模型具有更好的代表性[2]。而且 Driv Aer 模型具有方背式（Estateback）、阶背式（Notchback）和快背式（Fastback）三种类型，便于进行多种车型的对比研究，如图 1.1 所示。数值仿真和风洞试验是研究汽车外流场特性的两种主要方法。两种研究方法各有利弊却又相辅相成。Powerflow 数值仿真与之前传统的数值仿真在原理等方面有很大的不同。风洞试验包括测力测压、流态显示以及 PIV 试验等。综合两种研究手段，可对汽车外流场特性进行一个较为全面可靠的研究。 研究复杂的汽车外流场特性，除了可以获得汽车阻力、升力、侧向力以及三个力所对应的力矩这些基本参数的值，还可获得汽车尾部、后视镜、轮腔等局部的气流分离、再附着以及复杂涡结构等具体的流场特性信息。例如气流在分别经过汽车车顶和底盘以后在车顶后缘和底盘尾部发生了气流的分离，形成了复杂涡结构，因此增加了汽车的行驶阻力[3]。探究流场现象和特性，进而分析气动力和气动力矩产生的机理，从而指导整车气动造型与局部气动优化。获得流场信息之后，通过分析可以进一步探究气动现象之间的联系和规律。比如涡结构和涡结构之间的相互作用关系以及旋涡位置、强度等的规律。这些流场特性机理和规律可为汽车造型的改型和气动附件的利用提供参考，最终达到提高汽车整车性能的效果。
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1.2 国内外研究现状
汽车空气动力学经过几十年的发展，外流场依然是人们研究的重点。经过前人的不断努力，汽车外流场的流场特性被广泛研究，获得了很多理论和实践成果。通过数值仿真和风洞试验两种手段，外流场特性得到了深度的研究。我国汽车工业发展比较滞后，对汽车空气动力学的科研投入比较少，因而国内的汽车空气动力学应用研究起步较晚。在上世纪 70 年代末，长春汽研所的傅立敏教授在国内率先推广国外汽车空气动力学的相关知识[4]。在此之后，很多科研院所和企业也陆续开展了汽车空气动力学的相关仿真和风洞试验研究。 虽然计算流体力学（CFD）方法在国内汽车行业的应用较晚而且主要进行的是汽车外流场的仿真，但是近些年来，越来越多的科研机构和企业使用 CFD 方法来计算各种气动模型，开展内外流场、气动噪声和热管理等的研究，因此 CFD 方法得到了广泛而充足的发展。目前国内对外流场特性的研究多采用较为简易的模型，缺乏典型性和代表性，而且在对流场特性，尤其是机理和规律的研究还不是特别深入。
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第 2 章 数值模拟方法和风洞试验技术
本章主要对本文研究中所用到的相关理论知识进行论述，内容主要包括关于格子玻尔兹曼方法的相关数值模拟方法及汽车风洞试验技术的相关理论和试验方法。
2.1 格子波尔兹曼方法介绍
格子波尔兹曼方法（LBM）是一种不同于传统 CFD 方法的流场模拟方法。它的前身是格子气自动机（LGA）。LBM 经过几十年的发展已经可以进行复杂流场中单相流和多相流的数值仿真。LBM 的模型是介观模型，介于宏观连续模型和微观分子动力学模型之间，在宏观上表现离散，在微观上表现连续，它从微观的角度获取流体分子的运动信息，但是它描述的是分子相互碰撞的统计学行为和规律，而不是关心分子个体对系统的影响。该方法将流体看成许多微小粒子，把空间和时间完全离散，通过流体粒子的迁移和碰撞来描述流动现象，碰撞规则遵循质量、动量和能量守恒定律[24]。LBM方法在处理复杂流体流动问题上比其它传统方法有着突出的优势，具体表现在算法、边界条件和性能等方面，因此 LBM 方法越来越受到科研机构和企业等的重视。
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2.2 Powerflow 软件介绍
CFD 数值仿真方法在汽车行业已经得到了广泛的应用。传统的 CFD 数值仿真方法大多基于有限体积法。近些年来，由于格子波尔兹曼方法的推出和大量研究，基于格子波尔兹曼方法开发的软件已经进入了实际应用。美国 EXA 公司的 Powerflow 软件就是基于格子波尔兹曼方法所开发的大型商用 CFD 软件[31]。在具体的工程应用中，通过Powerflow 计算结果与实际风洞试验对比，Powerflow 仿真结果的精度得到了很好的验证[32]。因为本课题组有这样的计算资源，所以本文用 Powerflow 软件来进行数值模拟仿真。 Powerflow 是一款用于模拟流体流动和传热问题的仿真软件，包括内外流场、热管理、气动噪声和环境控制的仿真。由于它的瞬态和稳定的特性，使得 Powerflow 能够比物理实验或者传统的 CFD 方法更可靠、更准确、更深入地预测和观察流体流动现象。使用 Powerflow，一个涵盖所有细节的几何模型和一个相应的物理模型便可以同时用于外流场、气动噪声和热管理的仿真，既节约了工作时间和成本，又很好地实现了跨学科分析和协作[33]。 完整的 Powerflow 产品工具包包括用于建立和设置仿真模型的 Power CASE，全自动网格生成和流体求解器 Power FLOW，以及用于后处理的 Power VIZ。也有用于分析换热器的 Power COOL、用于计算热传导和热辐射的 Power THERM 以及进行噪声分析的 Power Acoustics。
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第 3 章 Driv Aer 模型的数值仿真 ....... 17
3.1 几何模型的确定 ........ 17
3.2 仿真流程 ...... 18
3.3 仿真结果分析 .......... 20
3.4 本章小结 ...... 58
第 4 章 Driv Aer 模型的风洞试验 ....... 61
4.1 试验模型 ...... 61
4.2 试验台架 ...... 62
4.3 测力试验 ...... 63
4.4 烟流试验 ...... 64
4.5 PIV 试验 ...... 65
4.5.1 方背式模型流场特性分析 ..... 66
4.5.2 阶背式模型流场特性分析 ..... 66
4.5.3 快背式模型流场特性分析 ..... 67
4.6 本章小结 ...... 67
第 5 章 后扰流板尺寸对阶背式 Driv Aer 模型影响的数值仿真 ....... 69
5.1 后扰流板介绍 .......... 69
5.2 后扰流板尺寸设计 ...... 69
5.3 数值仿真结果分析 ...... 71
5.3.1 弦长对流场特性的影响 ....... 71
5.3.2 攻角对流场特性的影响 ....... 76
5.4 本章小结 ...... 80
第 5 章 后扰流板尺寸对阶背式 Driv Aer 模型影响的数值仿真
气动附件对汽车空气动力学的影响逐渐成为一个重要的研究内容。气动附件对汽车空气动力学特性的影响是很显著的[50]。气动附件包括阻风板、底盘部分结构、行李架以及各种扰流板等[51]。对于汽车气动附件对汽车空气动力学流场特性的影响现在大多数是采用数值模拟的方法来进行研究，因为 CFD 仿真方法方便快捷，没有风洞试验中诸多因素的干扰，而且进行模型相关部件的修改非常方便，因此是用来研究的一种首要方法。
5.1 后扰流板介绍
在日常生活中我们经常看到汽车尾部要加装一些结构，实际上这些结构的统称就是后扰流板，也称为尾翼。后扰流板的作用主要有两个，一个是增加美观性，另一个就是改变汽车尾部流场结构，减小升力[52]。 空气动力学原理是汽车后扰流板的设计来源。如果一个物体上下表面的形状存在差异，那么流经上下两个表面的速度是不同的，这样的速度差就产生了一定的压差[53]。汽车本身的形状使得上面的流速大于底盘的流速，因此造成的压力差会给汽车一个向上的升力，会严重影响汽车的行驶稳定性。而汽车后扰流板就是一个逆过程，给汽车一个向下的压力，增加汽车的稳定性。 后扰流板的形状有很多。按照后扰流板断面的形状来分主要有翼形扰流板、薄板扰流板以及其它形状的一些扰流板[54]。本文所采用的后扰流板形状为翼形。所用翼形编号为 A-93B17，如图 5.1
