汽車底部流場對氣動阻力性能影響的研究

劉學龍,閆曉曉，黃森仁

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

汽車底部流場對氣動阻力性能影響的研究

劉學龍,閆曉曉，黃森仁

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

汽車底部流場對整車氣動性能具有重要影響，車體底部產生的氣動阻力可占到整車阻力的30%左右。本文針對某運動型多用途汽車(SUV)，采用計算流體動力學(CFD)數值模擬的方法，在車速120km/h的工況下，分析了汽車底部添加氣動附件(前阻流板、車輪前后阻風板、車體底部導流板)對整車氣動性能的影響。分析結果表明，在車體底部和輪胎附近添加合適的氣動附件，使得整車氣動阻力下降了大約6%。

運動型多用途汽車；計算流體動力學；空氣動力學；底部流場；STAR-CCM+

1 引言

降風阻是提高燃油經濟性的一個重要手段，在我國汽車氣動性能總體不高的前提下，通過降風阻可有效提高車輛的燃油經濟性，為達到第三和第四階段油耗法規要求提供有力技術保障。

大量的數值模擬和試驗研究結果表明[1-2]，在汽車上安裝氣動附加裝置可有效減少汽車的氣動阻力，達到節能的目的。如文獻[3]中用光滑底板、光滑汽車底面研究氣動阻力,使空氣阻力系數減少0.045，并指出通過光滑底板及加前阻風板和輪軸、凹窩等局部細化，氣動阻力系數可下降0.07。

本文以某SUV車型為研究對象，利用數值模擬的方法，重點研究車體底部流場對整車氣動性能影響的規律。通過在車體底部添加氣動附加裝置(如前阻流板、前后車輪阻風板和底部導風板)，引導和組織氣流，總結出了改善底部流場的方法，為該類SUV車型氣動減阻與車體底部氣動附件的設計提供參考。

2 整車CFD建模

本文利用流體分析軟件STAR-CCM+，搭建了某SUV整車詳細CFD仿真模型，如圖1所示。

圖1 整車CFD模型Fig. 1 CFD model of the whole vehicle

由于本文主要研究的是車體底部流場，為提高計算效率，并未考慮發動機艙內流場對整車氣動性能的影響，即未建立發艙內部詳細結構的CFD模型。為盡可能降低計算過程中風洞阻塞效應對結果的影響，必須保證足夠大的風洞尺寸，如圖2所示。其中，為使風洞阻塞效應降至最低，根據經驗，風洞的尺寸定義為：

長×寬×高=12L×10W×6H

其中： L—車長；W—車寬；H—車高。

圖2 風洞尺寸Fig. 2 Digital wind tunnel size

2.1 物理模型和假設

(1)湍流模型采用基于k-ω模型的SST(剪切應力輸運)模型。

(2)本文中，汽車速度設定為120km/h，遠低于聲速，因此計算中假定氣體是不可壓縮的[4]。

(3)氣體具有粘性，這是產生氣動阻力的根源。本次研究中，通過在車體近壁面添加多層邊界層單元，模擬氣體粘性產生的剪切應力對整車氣動阻力的影響。

(4)物理模型采用基于流體質點微元的拉格朗日法，數學模型使用三維不可壓縮雷諾平均N-S(納維-斯托克斯)控制方程。

2.2 氣動阻力系數定義

D—阻力；ρ—空氣密度；v∞—風速(車速)；A—迎面投影面積；—動壓

P—氣流中汽車表面的壓力；p∞—無窮遠處參考點壓力，基準靜壓；v—當地氣流流速

2.3 邊界條件設定

見表1。

表1 初始、邊界條件設定Tab. 1 Boundary conditions setting

3 氣動阻力特性分析

3.1 整車氣動阻力分析

整車各部位氣動阻力分布如圖3所示(根據CFD計算得出)，從圖中可以看出，車體前部、尾部和底部是主要的阻力源，分別占到了整車氣動阻力的34%，16%和29%。其中，底部阻力主要是由于底部結構不平整，以及底部凸出部件(排氣管、油箱、懸架等)對氣流的阻擋引起的。研究和試驗結果均表明，在不平整的底部結構基礎上，通過增加必要的導流結構，合理的組織氣流，可起到改善底部流場的效果，有效降低整車的氣動阻力。

圖3 整車氣動阻力分布Fig. 3 Cd Distribution of the whole vehicle

圖4 阻流板結構示意圖Fig. 4 Structure of the front damp panel

3.2 前阻流板對整車氣動性能的影響

試驗表明，當強氣流吹襲到車前部的阻流板上時，在其迎風面上將產生正壓力，而在尾流部位將出現渦流，形成負壓力。阻力作用于阻流板本身，但在大多數情況下，作用在阻流板上的正負壓力的絕對值越大，則阻流板對減小阻力愈有效。換言之，雖然阻流板構成一部分新的阻力，但它仍可減小全車總的阻力。這是由于安裝阻流板使車輛周圍的氣流得到改善，整車阻力的減小遠超過阻流板本身所增加的阻力。一個有效的阻流板，應能使整車阻力的減小大于其本身所產生的阻力。即[5]

Da＜D0-D (3)

式中：Da——阻流板本身的阻力

D0——無阻流板時整車的阻力

D——有阻流板時整車的阻力

本文在原整車模型的基礎上，在前保險杠下方增加一阻流板，并分析其對整車氣動性能的影響，阻流板的結構如圖4所示。

分析結果表明，當在汽車前保險杠下方添加一個阻流板(阻流板高度為40mm)時，整車風阻系數下降了不到0.5%。可見，本文中增加前阻流板，并未帶來預期的明顯效果，風阻系數變化不大。原因在于，本文并未考慮機艙內流的影響，而實際上，添加前阻風板，主要是改善對前車體底部的壓力分布，而前車體底部的壓力分布又直接受機艙內流出氣流的影響。

增加車體前部阻流板的實際效果與汽車底部結構，甚至汽車造型都有密切的關系。因此，對于不同車型，在前車體底部增加阻風板，其形狀和位置都必須經過大量優化(仿真分析和風洞試驗)，最終才能得到適合本車型的最佳結構和布置方案。

3.2.1 汽車底部的流場結構變化

從圖5可以看出，添加阻流板后，在阻流板后區域形成負壓區。但由于本模型中，機艙下護板位置偏低，氣流經過阻流板后，又再次受到機艙下護板的阻擋。因此，阻流板對整車底部壓力系數的影響僅限于前機艙底部區域，而在中部和后部，壓力系數變化較小。加上阻流板自身帶來的阻力，使得最終整車阻力系數下降的幅度不大。

3.2.2 車體側面的流動分離變化

由圖6可以看出，添加前阻流板后，前輪罩外側的氣流流速增大，流動分離相對減弱，整車氣流狀態總體要比添加前阻流板之前有所改善。預計在引入機艙內流場對整車氣動阻力的影響后，這個效果會更明顯一些。3.3 車輪前、后阻風板對整車氣動性能的影響

圖5 車體底部壓力分布(Cp)Fig. 5 Cpdistribution of underbody

3.3.1 優化結果分析

車輪的幾何外形對車輪后部流場影響更大，其結果是車輪的表面壓力系數和渦流都有顯著的變化[6]。

計算結果表明，在前后車輪前部增加阻風板，可在整車迎風面積基本保持不變的情況下，顯著降低整車的氣動阻力系數，最終使得整車氣動阻力降低16個count,下降幅度達到4.1%，如表2所示。可見車輪阻風板對降低整車氣動阻力起到了非常重要的作用。

表2 優化前后對比分析Tab. 2 Comparison of Cdresult

3.3.2 輪罩附近區域和車體底部流動能量損失減弱

由車體底部流動的那個能量損失分布圖(圖7)可以看出，在前后車輪前面添加阻風板后，車身輪罩附近和前、后車體底部的流場均有所改善，車體底部和輪罩外側的流動能量損失明顯減弱，流動更為順暢，整車阻力系數總體下降顯著。

3.3.3 車輪附近流動狀態變化分析

在前車輪前部增加阻風板后，車輪前部氣流流速降低，氣流在前車輪上正前方形成的滯止壓力也隨之下降，使得由車輪本身引起的氣動阻力有所降低，如圖8、圖9所示。

圖7 車體底部流動能量損失分布(ISO=0)Fig. 7 Energy loss of underbody(ISO=0)

圖8 車輪前部空氣流速Fig. 8 Air velocity around front wheels

圖9 車輪表面壓力變化(Cp)Fig. 9 Cpchanging of wheel surface

3.3.4 輪罩區域壓力變化

根據以上分析結果，車輪前部增加阻風板降低了氣流對車輪的沖擊，使得輪胎表面正前部區域的壓力下降，風阻降低。與此同時，氣流對前、后輪罩的沖擊也相應減弱，使得整個前后車輪附近的壓力水平總體下降，阻力也相應減小，如圖10所示。

從計算結果，可以得出如下結論：車輪前部阻風板不僅可以減小氣流對旋轉輪胎的直接沖擊，同時，還可改善輪罩內側和外側，以及前車體底面的流場分布。合理的設計車輪前阻風板，可以以較低的成本，獲得顯著改善整車氣動性能的效果。

3.4 車體底部導風板對整車氣動性能的影響

車體底部導風板對改善整車氣動性能具有重要作用。通常情況下，汽車地板和底盤多數沿用已有車型平臺，因此，一旦車型平臺確定，其地板結構和底盤等也基本確定。如果地板和底盤的平整性差，很難通過修改地板和底盤的鈑金和結構設計來改進。這時候，通常需要在底部增加導風板，通過合理的梳理氣流，可在底部平整性較差的情況下，也能達到接近平整底面所具有的氣動性能。

平整的底部結構，使得氣流遇到的阻礙減少，使汽車底部氣流順利的通過[7]，整車阻力下降。

同時，底部流速增大，壓力下降，可以增加車身下壓力，這對于改善整車的升力特性，提升操縱穩定性，也是非常有利的。

3.4.1 優化結果分析

設計成功的底部導風板，還應綜合考慮其他多種因素，如結構剛度、強度、振動噪聲、熱害等。本文通過在前排座椅底部下方增加一合適的導風板(圖11)，使整車氣動阻力下降了1.5%，有效的改善了底部流動的平整性，如表3所示。

圖10 前后輪罩區域壓力系數變化(Cp)Fig. 10 Cpchanging around front and rear wheelhouse

圖11 底部導風板結構示意圖Fig.11 Structure of air deflector under the vehicle

表3 優化前后對比分析Tab. 3 Comparison of Cd

3.4.2 車體底部流動分析

原車由于底部結構不平整，存在很多凹凸不平的結構，在這些結構中間產生了較多的渦流，耗散掉大量流動能量。同時，底部凸出結構和部件，對氣流產生了阻礙作用，使得整車阻力進一步增大。

在底部增加導風板后，渦流明顯減弱，對汽車底部次生邊界層和尾部渦流也起到抑制作用[8]；導風板尾部的翹起，也使得氣流越過底部凸出部件(排氣管、油箱等)，底部流動更加順暢，進而減小底部的空氣阻力。

4 結論

汽車底部阻力占整車阻力的30%左右，是主要的阻力源，汽車底部的復雜流動對整車氣動性能具有很大的影響，但底部流場受地面效應和車輪旋轉效應的影響。本文通過在車體底部增加合適的導流板，合理的組織氣流，使氣流順暢的通過底部，使得整車氣動阻力在原車基礎上下降了6%，取得了較好的效果。通過研究，得出以下幾點結論：

(1)前保險杠下方添加阻流板，可有效改善整車的氣動阻力性能，但阻流板的形狀和位置，須經過大量仿真優化和試驗驗證，以最終確定所添加的阻流板是有效的。

圖12 底部左側導風板流速變化Fig.12 Air velocity changing of left underbody

圖13 底部右側導風板流速變化Fig.13 Air velocity changing of right underbody

(2)在前后車輪前部設計合理的阻風板，可有效改善車輪附近區域的流場，以較低的成本，顯著提高整車的氣動性能。

(3)車體底部導風板的設計原則應是使氣流平順的流過底部，將底部凹凸不平的結構覆蓋于導流板內，并減小底部凹凸不平的結構對氣流的阻滯和不良誘導，可以有效改善整車的氣動特性。

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Numerical Research on Influence of the Underbody Flow Structure of Automotive Aerodynamic Performance

LIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren
(Automotive Engineering Research Institute, China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China)

The flow structure under the car, which caused about 30% air resistance of the vehicle, has a significant influence on the vehicle's aerodynamic performance. A CFD(Computational Fluid Dynamics) method is used to do research on aerodynamic accessories' (including front damp panel, front wheel damp panels, rear wheel damp panels, and guiding panel under the middle of the car) influence on a SUV(Sport Utility Vehicle) at the speed of 120kph. The result showed that proper design of aerodynamic accessories under the vehicle could decrease the air resistance by nearly 6 percent.

SUV; CFD; aerodynamics; underbody flow; STAR-CCM+

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.05

中國汽車技術研究中心《SUV車型性能對標橫向課題》。作者簡介： 劉學龍(1983-), 男, 工程師, 碩士研究生。

劉學龍,閆曉曉，黃森仁．汽車底部流場對氣動阻力性能影響的研究[J]．新型工業化，2015，5(3)：35-41

: LIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren. Numerical research on influence of the underbody flow structure of automotive Aerodynamic performance [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 35?41.