某SUV車(chē)底氣動(dòng)附件的仿真與試驗(yàn)研究

郭軍朝，史建鵬，陳 贛，朱永勝，陳世旺

(東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心,武漢 430058)

2016083

某SUV車(chē)底氣動(dòng)附件的仿真與試驗(yàn)研究

郭軍朝，史建鵬，陳 贛，朱永勝，陳世旺

(東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心,武漢 430058)

在汽車(chē)主造型凍結(jié)后，進(jìn)一步改善整車(chē)風(fēng)阻特性的主要途徑是在車(chē)底增加氣動(dòng)附件。本文中運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真和試驗(yàn)技術(shù)分析了某SUV車(chē)型在車(chē)底不同狀態(tài)下的風(fēng)阻特性。結(jié)果表明，車(chē)底布置氣動(dòng)附件不但能降低整車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)，而且能降低整車(chē)高速行駛時(shí)的升力。另外，文中還通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，研究了SUV車(chē)型在來(lái)流風(fēng)速為120km/h時(shí)的氣動(dòng)六分力特性。

SUV；氣動(dòng)附件；氣動(dòng)特性

前言

隨著生活節(jié)奏越來(lái)越快，汽車(chē)的行駛速度也日益提高，降低汽車(chē)的燃油消耗也愈加迫切。對(duì)于大排量的SUV車(chē)型而言，為降低其高速行駛時(shí)的油耗，改善其外氣動(dòng)特性是有效的方法之一[1]。氣動(dòng)特性不僅影響著整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，而且影響著車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。在車(chē)輛主體造型凍結(jié)的前提下，通過(guò)優(yōu)化車(chē)輛底部結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低整車(chē)風(fēng)阻特性顯得尤為重要[2]。文獻(xiàn)[3]中雖然研究了車(chē)底不同結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)阻的影響，但它僅限于比例模型階段風(fēng)阻特性的研究，沒(méi)有從實(shí)車(chē)角度開(kāi)展氣動(dòng)特性的仿真和試驗(yàn)研究，因此對(duì)認(rèn)識(shí)實(shí)車(chē)的氣動(dòng)特性具有一定的局限性。文獻(xiàn)[4]中開(kāi)展了SUV車(chē)型在高速行駛時(shí)側(cè)風(fēng)對(duì)整車(chē)操穩(wěn)特性影響的研究，但它未考慮車(chē)底附件對(duì)實(shí)車(chē)氣動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[5]中將1∶1的油泥模型車(chē)底區(qū)域處理成平面(flat floor)的形式，研究了特斯拉造型未凍結(jié)前的風(fēng)阻和升力特性。

本文中以東風(fēng)某款SUV車(chē)型為研究對(duì)象，以降低實(shí)車(chē)風(fēng)阻系數(shù)Cd為目標(biāo)，最終通過(guò)運(yùn)用虛擬風(fēng)洞仿真和物理風(fēng)洞試驗(yàn)兩種方法達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體方式是在車(chē)底增加氣動(dòng)附件，它不但降低了SUV車(chē)型Cd值，也改善了實(shí)車(chē)高速行駛時(shí)的升力特性。同時(shí)，進(jìn)行SUV初始狀態(tài)Cd值的仿真和風(fēng)速為120km/h時(shí)氣動(dòng)六分力特性的試驗(yàn)。這些工作對(duì)今后車(chē)型的氣動(dòng)開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 不同車(chē)底護(hù)板布置狀態(tài)

1.1 不同車(chē)底的狀態(tài)

為比較車(chē)底護(hù)板對(duì)實(shí)車(chē)風(fēng)阻特性的貢獻(xiàn)，設(shè)置了5種不同車(chē)底結(jié)構(gòu)，如圖1所示，對(duì)前4種狀態(tài)均開(kāi)展了實(shí)車(chē)仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)。

圖1 不同車(chē)底護(hù)板布置狀態(tài)

1.2 風(fēng)阻系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

運(yùn)用仿真和試驗(yàn)方法比較了前述5種狀態(tài)下的風(fēng)阻系數(shù)，結(jié)果如表1所示。為突出車(chē)底不同狀態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)特性的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以車(chē)底護(hù)板初始狀態(tài)(b)為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。

表1 SUV不同車(chē)底狀態(tài)對(duì)Cd值的影響

從流場(chǎng)角度分析，格柵全封閉后，前方來(lái)流進(jìn)入到機(jī)艙內(nèi)的內(nèi)流阻力變小，從而降低了整車(chē)在X軸正向受到的阻力[6]。機(jī)艙內(nèi)流阻力對(duì)實(shí)車(chē)風(fēng)阻的貢獻(xiàn)為0.02。

同理可得，油箱前護(hù)板相對(duì)實(shí)車(chē)對(duì)Cd值的貢獻(xiàn)比例增加了0.02，達(dá)到了7個(gè)counts。無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板狀態(tài)相對(duì)無(wú)油箱前護(hù)板狀態(tài)，Cd值的貢獻(xiàn)歸一化后為0.04，達(dá)到了16個(gè)counts。由此定量分析可得，發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板更有利于降低Cd，并且發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板和油箱前護(hù)板兩者降低Cd值歸一化后為0.06，達(dá)到23個(gè)counts。兩者對(duì)降低SUV風(fēng)阻的影響不能忽略[7]。

同理可得，在SUV進(jìn)氣格柵、車(chē)底護(hù)板不同狀態(tài)下，其風(fēng)阻系數(shù)不同。前進(jìn)氣格柵封閉狀態(tài)相對(duì)實(shí)車(chē)狀態(tài)，Cd值比例減小了0.052。

1.3 風(fēng)阻系數(shù)分解

為了研究整車(chē)各主要零件對(duì)整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)，對(duì)圖1(b)初始狀態(tài)的整車(chē)進(jìn)行風(fēng)阻系數(shù)的仿真分解工作，而這種分析彌補(bǔ)了風(fēng)洞試驗(yàn)的不足。在流體仿真軟件star—ccm+中的后處理輸出報(bào)告功能里可以捕捉實(shí)車(chē)的各主要部件對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)，如表2所示。

表2中主體造型的風(fēng)阻系數(shù)為0.199，對(duì)整車(chē)貢獻(xiàn)量最大。風(fēng)阻系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-2的部件有上格柵、輪胎、前懸系統(tǒng)、下格柵、后懸系統(tǒng)、后視鏡、輪輞和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱器上下水室與周邊管路。風(fēng)阻系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-3的部件有缸體、前保下護(hù)板、前大燈、變速器、油底殼、冷凝器周?chē)Ъ堋l(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板、空濾、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩、油箱前護(hù)板、排氣管等。其它部件風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)數(shù)量級(jí)為10-4。

2 實(shí)車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)

對(duì)初始狀態(tài)的SUV整車(chē)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，如圖2所示。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，汽車(chē)空氣動(dòng)力坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在車(chē)輛縱向?qū)ΨQ(chēng)面與地面的交線上，前后軸中點(diǎn)處。規(guī)定3個(gè)力和3個(gè)力矩方向如圖3所示，整車(chē)在來(lái)流風(fēng)速作用下所受到的3個(gè)力(氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力和氣動(dòng)側(cè)向力)和3個(gè)力矩(縱傾力矩、側(cè)傾力矩和偏航力矩)統(tǒng)稱(chēng)為6分力，6分力的數(shù)值就是氣動(dòng)力合力在這個(gè)坐標(biāo)系上的分解。其中，偏航角β是指自由來(lái)流方向與車(chē)身縱軸X的夾角，車(chē)頭右擺為正，空氣動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系各符號(hào)如表3所示。

圖2 SUV風(fēng)洞試驗(yàn)

圖3 SUV風(fēng)洞試驗(yàn)坐標(biāo)系

符號(hào)含義符號(hào)含義FX氣動(dòng)阻力Cd風(fēng)阻系數(shù)FY氣動(dòng)側(cè)向力CS側(cè)向力系數(shù)FZ氣動(dòng)升力CL升力系數(shù)MRM側(cè)傾力矩CRM側(cè)傾力矩系數(shù)MPM俯仰力矩CPM俯仰力矩系數(shù)MYM偏航力矩CYM偏航力矩系數(shù)

3 SUV車(chē)型氣動(dòng)特性研究

以東風(fēng)某款SUV整車(chē)為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以車(chē)底護(hù)板初始狀態(tài)圖1(b)為基準(zhǔn)做了歸一化處理。

3.1 氣動(dòng)側(cè)向力特性

在120km/h來(lái)流風(fēng)速時(shí)，SUV車(chē)底不同狀態(tài)下側(cè)向力系數(shù)歸一化后的比較如表4所示。

表4 車(chē)底不同狀態(tài)下對(duì)氣動(dòng)側(cè)向力特性的影響

分析表4數(shù)據(jù)可得，實(shí)車(chē)狀態(tài)和去除油箱護(hù)板狀態(tài)下，整車(chē)受到側(cè)向力的合力是指向Y軸正方向；去除油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)兩塊板子狀態(tài)下，側(cè)向力合力是指向Y軸負(fù)方向。從受力角度分析，整車(chē)在實(shí)車(chē)、去除油箱護(hù)板和去除油箱與發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板3種狀態(tài)下受到的側(cè)向力歸一化后依次減小，并且力的方向從指向Y軸正向到指向Y軸負(fù)向。

3.2 氣動(dòng)升力特性

120km/h來(lái)流風(fēng)速時(shí)，SUV車(chē)型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時(shí)的氣動(dòng)升力系數(shù)歸一化后的比較如表5所示。

表5 車(chē)底不同狀態(tài)對(duì)氣動(dòng)升力特性的影響

分析表5升力系數(shù)可得，總的升力系數(shù)等于前后軸的升力系數(shù)之和。從實(shí)車(chē)狀態(tài)，到去除油箱前下護(hù)板狀態(tài)、去除發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板和油箱前護(hù)板狀態(tài)，升力系數(shù)歸一化后依次增加了0.127，0.230。

上下格柵全封閉時(shí)，升力系數(shù)歸一化后，從實(shí)車(chē)的1，減小到0.548，減小了45.23%，也即格柵全封閉后，不但降低了整車(chē)在高速下的風(fēng)阻，而且也降低了整車(chē)在高速行駛時(shí)受到的升力。

從流場(chǎng)角度分析可得，從實(shí)車(chē)狀態(tài)、去除油箱下護(hù)板和去除油箱與發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板3種狀態(tài)，前軸底部所受到的靜壓基本不變，而后軸底部流場(chǎng)在護(hù)板的作用下，靜壓依次增大，因而后軸受到的升力逐次增大。

3.3 氣動(dòng)側(cè)傾特性

車(chē)底增加護(hù)板使氣流經(jīng)過(guò)時(shí)，外翻到左右側(cè)圍區(qū)域的氣流會(huì)受到影響[8]。120km/h來(lái)流風(fēng)速時(shí)，SUV車(chē)型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時(shí)的氣動(dòng)側(cè)傾系數(shù)歸一化后的比較，如表6所示。

表6 車(chē)底不同狀態(tài)對(duì)側(cè)傾特性的影響

參考?xì)鈩?dòng)坐標(biāo)系，分析側(cè)傾力矩系數(shù)可得實(shí)車(chē)初始狀態(tài)相對(duì)來(lái)流方向，有順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)的可能性。去掉油箱護(hù)板后，側(cè)傾力矩系數(shù)為0，車(chē)輛無(wú)翻轉(zhuǎn)的傾向。去掉油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)兩塊下護(hù)板后，相對(duì)來(lái)流實(shí)車(chē)受到逆時(shí)針?lè)崔D(zhuǎn)的力矩。

3.4 氣動(dòng)縱傾特性

120km/h來(lái)流風(fēng)速時(shí)，SUV車(chē)型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時(shí)的氣動(dòng)縱傾系數(shù)歸一化后的比較，如表7所示。

車(chē)底護(hù)板會(huì)改變車(chē)底的流場(chǎng)，進(jìn)而影響汽車(chē)前后軸所受到的升力[9]。參考?xì)鈩?dòng)坐標(biāo)系，整車(chē)在實(shí)車(chē)初始狀態(tài)、去除油箱護(hù)板和去除油箱與發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板3狀態(tài)下，整車(chē)受到的繞Y軸的俯仰力矩依次逐漸減小，這與4.3節(jié)描述前軸受到升力不變，而后軸受到的升力依次減小相一致。

表7 車(chē)底不同狀態(tài)對(duì)縱傾特性的影響

3.5 氣動(dòng)偏航特性

氣動(dòng)偏航特性是研究汽車(chē)在高速行駛時(shí)，在運(yùn)動(dòng)空氣作用下實(shí)車(chē)在水平面發(fā)生左右偏擺運(yùn)動(dòng)的可能性。偏擺的產(chǎn)生與前后受到的升力，左右車(chē)身側(cè)圍受到的側(cè)向力都有關(guān)系[10]。120km/h來(lái)流風(fēng)速時(shí)，SUV車(chē)型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時(shí)的氣動(dòng)偏航系數(shù)歸一化的比較，如表8所示。

表8 車(chē)底不同狀態(tài)對(duì)偏航特性的影響

參考坐標(biāo)系，整車(chē)在初始狀態(tài)、去掉油箱前護(hù)板、去掉油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板3狀態(tài)下，車(chē)輛受到的偏航力矩越來(lái)越大，繞Z軸正向偏擺的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。格柵全封時(shí)，整車(chē)也具有繞Z軸正向偏擺的定性跡象。

4 結(jié)論

本文是以東風(fēng)某款SUV車(chē)型為研究對(duì)象，以降低整車(chē)的風(fēng)阻特性為研究目標(biāo)，從仿真和試驗(yàn)兩個(gè)角度研究了車(chē)底不同氣動(dòng)附件布置狀態(tài)對(duì)實(shí)車(chē)氣動(dòng)特性的影響。同時(shí)，運(yùn)用仿真方法對(duì)實(shí)車(chē)風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行分解，進(jìn)而研究了主要部件對(duì)風(fēng)阻的貢獻(xiàn)。

(1) 車(chē)底增加氣動(dòng)附件有利于降低實(shí)車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)。例如，增加油箱前護(hù)板、發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板使得整車(chē)Cd值降低了0.013。

(2) 車(chē)底增加氣動(dòng)附件使得車(chē)底流場(chǎng)更加流暢，使得流速增加，車(chē)底受到的靜壓減小，從而降低了實(shí)車(chē)在高速行駛時(shí)受到的升力。

(3) 定量研究汽車(chē)前臉進(jìn)氣格柵全封閉時(shí)風(fēng)阻系數(shù)的變化進(jìn)氣格柵全封閉時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)降低了0.02。

(4) 從定性角度分析，油箱前護(hù)板、發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板的安裝減小了整車(chē)的側(cè)傾與偏航特性，改善了整車(chē)的俯仰特性。

(5) 仿真分解主要區(qū)域?qū)︼L(fēng)阻的貢獻(xiàn)，可得表2中前22個(gè)部件的影響在將來(lái)車(chē)型開(kāi)發(fā)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

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Simulation and Experimental Study on the AerodynamicAccessories on the Underbody of a SUV

Guo Junchao, Shi Jianpeng, Chen Gan, Zhu Yongsheng & Chen Shiwang

TechnologyCenterofDongfengMotorCorporation,Wuhan430058

The main approach to the further improvement of vehicle aerodynamic drag characteristic after vehicle styling is frozen is adding aerodynamic accessories on underbody. In this paper, the drag characteristics of a SUV with different aerodynamic accessories are analyzed by both CFD simulation and experiments. The results show that the aerodynamic accessories on underbody can not only reduce the aerodynamic drag of vehicle, but also lower the lift force in high speed driving. In addition, the six-component aerodynamic characteristics of a SUV under a wind velocity of 120km/h are also studied by analyzing test data.

SUV; aerodynamic accessories; aerodynamic characteristics

原稿收到日期為2014年12月11日，修改稿收到日期為2015年2月4日。