微型客車氣動阻力性能研究及優化設計

左輝輝 呂俊成

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

1 前言

隨著微型客車體積增大和車速提高，其減阻研究越來越重要。在車輛高速行駛過程中氣動阻力（風阻）相當于滾動阻力的2～3倍，用于克服氣動阻力的燃油消耗量占32%以上，而氣動阻力系數降低30%可以降低油耗12%左右[1]。目前國內外對轎車氣動阻力的研究和應用已經非常深入[2～4]，但是對微型客車氣動阻力的研究和應用相對較少。吉林大學汽車汽車仿真與控制國家重點實驗室對帶有專用貨箱的中重型廂式貨車添加減阻裝置的研究表明：加裝導流罩能夠有效降低氣動阻力18.9%～44%[5]，這對微型客車添加前導流板具有指導意義。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室研究了某轎車后視鏡形狀和相對車身橫向距離對氣動阻力的影響，結果表明：后視鏡占整車氣動阻力的4.08%，經過優化氣動阻力系數下降2.76%[6]。本文以某微型客車為基礎，以降低其氣動阻力為目的，通過計算流體力學（CFD）數值仿真和風洞試驗，對該車添加前導流板、優化后視鏡等多種減阻方式進行研究。

2 有限元模型

2.1 基本理論

本文采用的PowerFLOW是由美國EXA公司開發的基于格子玻爾茲曼方法 （Lattice Boltzmann Method）的CFD軟件，可以實現用全離散計算模型代替風洞試驗[7]。

由格子氣模型[8]對玻爾茲曼運輸方程進行離散求解，得到格子玻爾茲曼方程[9]：

式中，fi（x，t）為平均分布函數，下標 i表示粒子的某個運動方向；ei為各方向上的微觀速度矢量；Ωi為引入的碰撞項。

由于碰撞項Ωi計算量巨大，Bhatnager、Gross和Krook于1954年提出了簡化的碰撞模式[10]，將玻爾茲曼方程簡化為：

式中，τ為分子碰撞時間，又可稱為松弛時間；feq為局部平衡分布函數。

Higuera等人[11]將τ用一個典型的湍流松弛時間τturb代替，則格子玻爾茲曼方程可以寫為：

流體的宏觀密度 ρ（x，t）、宏觀速度 u（x，t）可根據粒子分布函數 fi（x，t）由公式（4）和公式（5）確定：

2.2 建立模型

根據實車狀態建立計算模型，主要包括全細節車身及其附件（圖1a），動力系統、散熱系統、發動機艙內部氣動阻力部件（圖1b），全細節底盤（圖1c）等。整車全細節模型在ANSA中完成面網格的建模，直接導入PowerFLOW外流場分析模塊。PowerFLOW包含前處理、計算求解、后處理、優化改型等專用全自動工具，無需借助其它軟件；同時PowerFLOW采用有限元法而非有限體積法，不需要傳統意義上體網格的劃分，導入面網格完成邊界條件的設定就可以直接提交計算。

2.3 邊界條件

仿真分析選擇三維、穩態、定常流模型，Power-FLOW數字風洞采用移動地面，同時分析過程中車輪始終保持轉動狀態，與風洞移動地面保持同步，其它基本仿真參數如表1所列。

表1 各項仿真參數

3 有限元結果及分析

通過對基礎模型仿真得出整車表面壓力系數云圖與軸向氣動阻力系數發展曲線圖、整車總壓為零的等值面圖如圖2、圖3所示。

同時經過計算得出其氣動阻力系數Cd=0.393。經過分析，發現前保險杠、后視鏡、車窗臺階等是具有潛在優化改進的區域，具體分析如下：

a.由圖2整車表面壓力系數云圖可知，整車前部迎風面高壓區域較大，覆蓋了絕大多數前臉區域；整車背風面尾門壓力分布不均勻，擾流板位置壓力梯度較大，從而形成低壓區域；底盤、備胎、車窗臺階以及雨刮等位置壓力梯度較大，氣流流動性較差，存在一定的氣流分離。

b.由圖2整車軸向氣動阻力系數發展曲線可知，前保險杠、A柱等位置整車阻力系數上升趨勢明顯；整車尾部渦流造成尾門位置氣動阻力系數有較大躍升；底盤前部、后視鏡、車窗臺階以及雨刮等位置，氣動阻力系數均有不同程度的增加。

c.由圖3可知，后視鏡、輪罩、前大燈位置以及車窗臺階位置均有不同程度的較大渦流區，整車尾部渦流區偏大。減小這些位置的渦流區能有效減小整車氣動阻力。

4 優化設計分析

4.1 優化設計

通過對整車基礎模型的仿真計算和結果分析，對具有潛在優化改進的3個區域進行優化分析。

第1次優化的區域是前保險杠，如圖4所示。通過降低保險杠橫向加強梁的高度，收縮前保險杠（圖4a），并添加前導流板（圖4b）實現優化。保險杠橫向加強梁隱藏于前保險杠后側并且不阻礙散熱器進氣，以改善散熱系統進氣效率，減少氣流停滯；垂直向內收斂并圓滑過渡的前保險杠和與之無縫連接的導流板，可以減少氣流直接沖擊底盤，引導氣流平順通過。

第2次優化的區域是后視鏡，即改進后視鏡造型，如圖5所示。后視鏡造型優化的原則是減輕氣流分離程度，推遲后視鏡邊緣氣流分離，減小后視鏡背風面形成的渦流區，并使渦流區渦流形狀規則、結構穩定。因此在保證后視鏡視野要求的情況下，將后視鏡外形上半部分軸向拉伸，下半部分軸向壓縮，同時設計更加流線型（圖5b）。本次改進以第1次改進模型為基礎。

第3次優化是進行車窗一體化設計，如圖6所示。在車輛設計中，要避免和減少各種縫隙、臺階以及凸起等阻礙氣流流動的零部件，因此以第2次改進模型為基礎，第3次優化的措施是移除車窗玻璃與B柱、C柱以及尾柱之間的臺階（圖6b），減少甚至避免這些區域的氣流分離。

4.2 優化結果分析

3次優化前、后對比分析如下：

a.圖7為優化前、后中心面流線圖。由圖7b可知，優化后的尾流渦流區渦流形狀規則、結構穩定，有比較好的經過擾流板的下壓氣流和經過后保險杠的上升氣流。

b.圖8為優化前、后后視鏡造型表面流線圖。由圖8b可知，優化后的后視鏡底部沒有氣流分離現象并且氣流平順通過，后視鏡端部氣流分離也被向后推遲，達到預期的效果。

c.圖9為優化前、后總壓為零的等值面圖。由圖9b可知，車窗一體化之后A柱渦流區域減小，B柱、C柱和尾柱因臺階存在形成的渦流大量消失，這對整車側圍流場結構與尾流渦流區有積極影響。

整車的迎風面積為2.595 m2，對基礎模型及3次優化模型應用仿真分析方法得出氣動阻力系數如表2所列。

表2 仿真分析氣動阻力系數結果

由上述對比分析及表2可知，通過修改前保險杠造型、降低前保險杠橫向加強梁與添加導流板，修改后視鏡造型與車窗一體化改進設計均能較大降低整車氣動阻力系數，3次優化后氣動阻力系數降低約6%。

4.3 優化結果與試驗結果對比

表3為仿真分析與風洞試驗氣動阻力系數對比表。由表3可知，仿真分析結果與風洞試驗結果基本一致，誤差不大于3%，因此證明了用仿真分析進行氣動阻力優化設計研究的正確性，同時降低了成本及縮短了試驗周期。

5 結束語

通過整車全細節三維建模對某微型客車進行CFD數值仿真分析，全面評價了該車的氣動阻力性能，找出潛在的優化改進區域。同時采用優化前保險杠并添加前導流板、修改后視鏡造型、進行車窗一體化設計等減阻方案減小了整車氣動阻力系數約6%，并且在風洞試驗中得到驗證，其誤差小于3%。

表3 仿真分析與風洞試驗氣動阻力系數對比

本次優化改型方案已經在某量產微型客車上得到應用。根據用戶的反饋，優化后的車型在造型上更加美觀，且可降低3%～6%的油耗。

1 傅立敏.汽車空氣動力學.北京：機械工業出版社，2006.

2 高歌.概念車身局部參數化建模與CFD仿真一體化研究與應用：[學位論文].長春：吉林大學，2008.

3 Hucho W H.Aerodynamics of Road Vehicles（4th ed）.SAE International，Warrendale，Pennsylvania，1998.

4 傅立敏，蔡國華.降低國產轎車阻力的風洞試驗研究.空氣動力學學報，1998，16（2）：147～153.

5 王新宇，王登峰，范士杰，等.商用車空氣動力學附加裝置減阻技術的研究及應用.機械工程學報，2011，47（6）：107～112.

6 袁志群，谷正氣，盧克龍.汽車后視鏡氣動干涉阻力特性的數值計算研究.湖南工業大學學報，2010，24（3）：81～85.

7 程雪玲，胡非，趙松年，等.格子玻爾茲曼方法及其在大氣湍流研究中的應用.地球科學進展，2007，22（3）：249～260.

8 Hardy J，Pomeau Y，Pazzis O D.Molecular Dynamics of a Classical Lattice Gas：Transport Properties and Time Correlation Functions.Physics Review A，1976，13：1949～1960.

9 栗懷廣.鈍體空氣動力學的格子玻爾茲曼方法：[學位論文].成都：西南交通大學，2009.

10 Bhatnager P，Gross E P，Krook M K.A Model for Collision Process in Gases.Physics Review，1954，94：511.

11 Higuera F，Jimenez J，Succi S.Lattice Gas Dynamics with Enhanced Collision.Europhysics Letters，1989，9：345.

12 王一偉，王洋，安亦然，等.基于LBM方法的高速列車空氣動力學計算.中國科學，2008，38（11）：1795～1804.