轎車(chē)氣動(dòng)阻力優(yōu)化CFD研究

熊可嘉，楊 坤

Xiong Kejia Yang Kun

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

0 引 言

汽車(chē)空氣動(dòng)力特性是汽車(chē)的重要性能，它對(duì)汽車(chē)操縱的穩(wěn)定性、安全性和舒適性有十分重要的影響。特別是近年來(lái)能源價(jià)格不斷上漲，無(wú)論是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，還是新能源汽車(chē)，都面臨著降低阻力的要求。

研究表明，車(chē)速在80 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力與滾動(dòng)阻力幾乎相等；在150 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力相當(dāng)于滾動(dòng)阻力的2～3倍[1，2]。因此，改善汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性成為汽車(chē)技術(shù)的重要課題。[3]

風(fēng)洞試驗(yàn)是研究汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的傳統(tǒng)方法，但需要高昂的費(fèi)用，并且難于捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)。應(yīng)用CFD方法進(jìn)行外流場(chǎng)分析，可以大幅減少試驗(yàn)費(fèi)用，提供豐富、生動(dòng)的細(xì)節(jié)，指導(dǎo)風(fēng)洞試驗(yàn)和對(duì)汽車(chē)的改進(jìn)。

文中利用CFD手段，對(duì)一款自主品牌轎車(chē)進(jìn)行分析和研究，大幅降低了汽車(chē)的空氣阻力，提高了產(chǎn)品的性能。

1 計(jì)算模型

1.1 汽車(chē)外型

對(duì)比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字模型與實(shí)車(chē)相比，非常接近，因此，不會(huì)因?yàn)槟Ｐ瓦^(guò)度簡(jiǎn)化而造成計(jì)算結(jié)果誤差過(guò)大。

1.2 計(jì)算域

為了減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采用文獻(xiàn)[4]推薦的計(jì)算域大小：9倍車(chē)長(zhǎng)×6倍車(chē)高×6倍車(chē)寬。計(jì)算域的外型為長(zhǎng)方體。

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算采用混合網(wǎng)格。計(jì)算主體區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，車(chē)體表面為三角形網(wǎng)格，近車(chē)體壁面附近采用三棱柱作為邊界層網(wǎng)格，車(chē)體附近采用四面體網(wǎng)格，四面體與六面體之間采用金字塔形網(wǎng)格過(guò)渡。網(wǎng)格總數(shù)1 114萬(wàn)。

1.4 計(jì)算方法

由于絕大多數(shù)汽車(chē)的車(chē)速均小于400 km/h，即音速的1/3，因此，可以認(rèn)為空氣是不可壓縮流體。計(jì)算使用Fluent軟件，采用雷諾時(shí)均方程、k-ε三維紊流模型、SIMPLE算法[5-7]。

1.5 邊界條件

進(jìn)口采用速度入口邊界條件，風(fēng)速為100km/h，湍流強(qiáng)度和湍流粘性比分別為1%和10。出口采用壓力出口邊界條件。地面以100 km/h移動(dòng)，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化方法

風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果表明，CFD的計(jì)算誤差在5%左右，說(shuō)明計(jì)算比較準(zhǔn)確，能夠反映汽車(chē)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)。

2.1 風(fēng)阻偏大的原因

經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)車(chē)體前部是造成風(fēng)阻偏高的重要因素。

在圖4中可以看到，車(chē)底下面有許多部件低于前裙板。在圖5中，車(chē)底部件排列不整齊，使得車(chē)底凹凸不平。

綜合圖4、圖5和圖6可以看到，前裙板過(guò)短，流經(jīng)車(chē)身底部的氣流過(guò)多，發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車(chē)身底部部件和前輪很大部分直接暴露在沖擊氣流下，這些部件表面壓力很高，這是導(dǎo)致整車(chē)風(fēng)阻偏高的重要原因。

2.2 降阻措施

（1）在輪胎前部增加擋板（圖7），減少輪胎帶來(lái)的風(fēng)阻，其效果如圖8所示。與圖6相比，擋風(fēng)板受到的壓力增大，車(chē)輪受到的壓力減小，整車(chē)的Cd值下降了0.0017。

（2）在前保險(xiǎn)杠下部增加擋板（圖9），使氣流繞過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車(chē)身底部部件，減少流經(jīng)車(chē)身底部的氣流，其效果如圖10所示。與圖6相比，擋風(fēng)板受到的壓力增大，車(chē)底部件受到的壓力減小，車(chē)輛的Cd值下降了0.0045。

（3）同時(shí)使用車(chē)輪擋風(fēng)板和車(chē)底擋風(fēng)板。由于二者距離較近，其效果不能將二者單獨(dú)使用的情況簡(jiǎn)單相加。

對(duì)采用兩種降阻措施后的情況進(jìn)行重新計(jì)算，結(jié)果如圖11所示。計(jì)算結(jié)果表明，整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)下降了1%。這說(shuō)明，擋風(fēng)板改變了外流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)（特別是車(chē)底流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)），汽車(chē)表面的壓力分布得到了優(yōu)化，使整車(chē)性能得到了提高，最后的風(fēng)洞試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

CFD是汽車(chē)外流場(chǎng)研究中一項(xiàng)非常重要的手段。文中利用該手段，對(duì)一款自主品牌轎車(chē)進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明：

（1）車(chē)輪是導(dǎo)致該車(chē)風(fēng)阻偏大的重要因素。在其前方增加擋板，可以有效地降低該位置的空氣阻力。

（2）汽車(chē)底部由于零部件眾多，往往很不平整，這很容易造成車(chē)輛風(fēng)阻增大。在車(chē)底前裙位置，增加擋板，車(chē)底外流場(chǎng)會(huì)發(fā)生很大改變，合理選擇擋板高度，能夠有效降低整車(chē)氣動(dòng)阻力。

通過(guò)CFD技術(shù)，找到了導(dǎo)致風(fēng)阻偏高的原因，提出了降阻的措施，對(duì)各種情況做了大量的虛擬分析，僅用少量的風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化的效果，從而大大節(jié)省了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和周期。

［1］傅立敏.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］W.H.Hucho,Aerodynamics of Road Vehicles,4th ed.［M］.SAE International,Warrendale,Pennsylvania，1998.

［3］武藤真理.自動(dòng)車(chē)空力學(xué)［M］.東京：株式會(huì)社三榮書(shū)房，2001.

［4］F.T.Makowski,Sung-Eun Kim.Advances in external-aero simulation of ground vehicles using steady RANS equations.SAE Paper 2000-01-0484.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第2版）［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

［6］S.V.Patankar.Numerical heat transfer and fluid flow［M］.McGraw-Hill Book company,1980.

［7］J.D.Anderson.Computational fluid dynamics-The basics with applications［M］.McGraw-Hill Book company,1995.