某SUV車底氣動附件的仿真與試驗研究

郭軍朝，史建鵬，陳 贛，朱永勝，陳世旺

(東風汽車公司技術中心,武漢 430058)

2016083

某SUV車底氣動附件的仿真與試驗研究

郭軍朝，史建鵬，陳 贛，朱永勝，陳世旺

(東風汽車公司技術中心,武漢 430058)

在汽車主造型凍結后，進一步改善整車風阻特性的主要途徑是在車底增加氣動附件。本文中運用計算流體動力學仿真和試驗技術分析了某SUV車型在車底不同狀態下的風阻特性。結果表明，車底布置氣動附件不但能降低整車的氣動阻力系數，而且能降低整車高速行駛時的升力。另外，文中還通過試驗數據分析，研究了SUV車型在來流風速為120km/h時的氣動六分力特性。

SUV；氣動附件；氣動特性

前言

隨著生活節奏越來越快，汽車的行駛速度也日益提高，降低汽車的燃油消耗也愈加迫切。對于大排量的SUV車型而言，為降低其高速行駛時的油耗，改善其外氣動特性是有效的方法之一[1]。氣動特性不僅影響著整車的動力性、經濟性，而且影響著車輛的操縱穩定性。在車輛主體造型凍結的前提下，通過優化車輛底部結構進而降低整車風阻特性顯得尤為重要[2]。文獻[3]中雖然研究了車底不同結構對風阻的影響，但它僅限于比例模型階段風阻特性的研究，沒有從實車角度開展氣動特性的仿真和試驗研究，因此對認識實車的氣動特性具有一定的局限性。文獻[4]中開展了SUV車型在高速行駛時側風對整車操穩特性影響的研究，但它未考慮車底附件對實車氣動特性的影響。文獻[5]中將1∶1的油泥模型車底區域處理成平面(flat floor)的形式，研究了特斯拉造型未凍結前的風阻和升力特性。

本文中以東風某款SUV車型為研究對象，以降低實車風阻系數Cd為目標，最終通過運用虛擬風洞仿真和物理風洞試驗兩種方法達到了設計目標。具體方式是在車底增加氣動附件，它不但降低了SUV車型Cd值，也改善了實車高速行駛時的升力特性。同時，進行SUV初始狀態Cd值的仿真和風速為120km/h時氣動六分力特性的試驗。這些工作對今后車型的氣動開發具有指導意義。

1 不同車底護板布置狀態

1.1 不同車底的狀態

為比較車底護板對實車風阻特性的貢獻，設置了5種不同車底結構，如圖1所示，對前4種狀態均開展了實車仿真和風洞試驗。

圖1 不同車底護板布置狀態

1.2 風阻系數仿真與試驗結果的對比

運用仿真和試驗方法比較了前述5種狀態下的風阻系數，結果如表1所示。為突出車底不同狀態結構對氣動特性的影響，試驗數據以車底護板初始狀態(b)為基準進行歸一化處理。

表1 SUV不同車底狀態對Cd值的影響

從流場角度分析，格柵全封閉后，前方來流進入到機艙內的內流阻力變小，從而降低了整車在X軸正向受到的阻力[6]。機艙內流阻力對實車風阻的貢獻為0.02。

同理可得，油箱前護板相對實車對Cd值的貢獻比例增加了0.02，達到了7個counts。無發動機下護板狀態相對無油箱前護板狀態，Cd值的貢獻歸一化后為0.04，達到了16個counts。由此定量分析可得，發動機下護板更有利于降低Cd，并且發動機下護板和油箱前護板兩者降低Cd值歸一化后為0.06，達到23個counts。兩者對降低SUV風阻的影響不能忽略[7]。

同理可得，在SUV進氣格柵、車底護板不同狀態下，其風阻系數不同。前進氣格柵封閉狀態相對實車狀態，Cd值比例減小了0.052。

1.3 風阻系數分解

為了研究整車各主要零件對整車風阻系數的貢獻，對圖1(b)初始狀態的整車進行風阻系數的仿真分解工作，而這種分析彌補了風洞試驗的不足。在流體仿真軟件star—ccm+中的后處理輸出報告功能里可以捕捉實車的各主要部件對風阻系數的貢獻，如表2所示。

表2中主體造型的風阻系數為0.199，對整車貢獻量最大。風阻系數數量級為10-2的部件有上格柵、輪胎、前懸系統、下格柵、后懸系統、后視鏡、輪輞和發動機艙內的散熱器上下水室與周邊管路。風阻系數數量級為10-3的部件有缸體、前保下護板、前大燈、變速器、油底殼、冷凝器周圍支架、發動機罩內板、空濾、發動機機罩、油箱前護板、排氣管等。其它部件風阻系數的貢獻數量級為10-4。

2 實車風洞試驗

對初始狀態的SUV整車進行風洞試驗，如圖2所示。根據工程經驗，汽車空氣動力坐標系原點設在車輛縱向對稱面與地面的交線上，前后軸中點處。規定3個力和3個力矩方向如圖3所示，整車在來流風速作用下所受到的3個力(氣動阻力、氣動升力和氣動側向力)和3個力矩(縱傾力矩、側傾力矩和偏航力矩)統稱為6分力，6分力的數值就是氣動力合力在這個坐標系上的分解。其中，偏航角β是指自由來流方向與車身縱軸X的夾角，車頭右擺為正，空氣動力學坐標系各符號如表3所示。

圖2 SUV風洞試驗

圖3 SUV風洞試驗坐標系

符號含義符號含義FX氣動阻力Cd風阻系數FY氣動側向力CS側向力系數FZ氣動升力CL升力系數MRM側傾力矩CRM側傾力矩系數MPM俯仰力矩CPM俯仰力矩系數MYM偏航力矩CYM偏航力矩系數

3 SUV車型氣動特性研究

以東風某款SUV整車為對象進行試驗，試驗數據以車底護板初始狀態圖1(b)為基準做了歸一化處理。

3.1 氣動側向力特性

在120km/h來流風速時，SUV車底不同狀態下側向力系數歸一化后的比較如表4所示。

表4 車底不同狀態下對氣動側向力特性的影響

分析表4數據可得，實車狀態和去除油箱護板狀態下，整車受到側向力的合力是指向Y軸正方向；去除油箱和發動機兩塊板子狀態下，側向力合力是指向Y軸負方向。從受力角度分析，整車在實車、去除油箱護板和去除油箱與發動機下護板3種狀態下受到的側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軸負向。

3.2 氣動升力特性

120km/h來流風速時，SUV車型在前格柵、下護板不同狀態時的氣動升力系數歸一化后的比較如表5所示。

表5 車底不同狀態對氣動升力特性的影響

分析表5升力系數可得，總的升力系數等于前后軸的升力系數之和。從實車狀態，到去除油箱前下護板狀態、去除發動機下護板和油箱前護板狀態，升力系數歸一化后依次增加了0.127，0.230。

上下格柵全封閉時，升力系數歸一化后，從實車的1，減小到0.548，減小了45.23%，也即格柵全封閉后，不但降低了整車在高速下的風阻，而且也降低了整車在高速行駛時受到的升力。

從流場角度分析可得，從實車狀態、去除油箱下護板和去除油箱與發動機下護板3種狀態，前軸底部所受到的靜壓基本不變，而后軸底部流場在護板的作用下，靜壓依次增大，因而后軸受到的升力逐次增大。

3.3 氣動側傾特性

車底增加護板使氣流經過時，外翻到左右側圍區域的氣流會受到影響[8]。120km/h來流風速時，SUV車型在前格柵、下護板不同狀態時的氣動側傾系數歸一化后的比較，如表6所示。

表6 車底不同狀態對側傾特性的影響

參考氣動坐標系，分析側傾力矩系數可得實車初始狀態相對來流方向，有順時針翻轉的可能性。去掉油箱護板后，側傾力矩系數為0，車輛無翻轉的傾向。去掉油箱、發動機兩塊下護板后，相對來流實車受到逆時針反轉的力矩。

3.4 氣動縱傾特性

120km/h來流風速時，SUV車型在前格柵、下護板不同狀態時的氣動縱傾系數歸一化后的比較，如表7所示。

車底護板會改變車底的流場，進而影響汽車前后軸所受到的升力[9]。參考氣動坐標系，整車在實車初始狀態、去除油箱護板和去除油箱與發動機護板3狀態下，整車受到的繞Y軸的俯仰力矩依次逐漸減小，這與4.3節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 車底不同狀態對縱傾特性的影響

3.5 氣動偏航特性

氣動偏航特性是研究汽車在高速行駛時，在運動空氣作用下實車在水平面發生左右偏擺運動的可能性。偏擺的產生與前后受到的升力，左右車身側圍受到的側向力都有關系[10]。120km/h來流風速時，SUV車型在前格柵、下護板不同狀態時的氣動偏航系數歸一化的比較，如表8所示。

表8 車底不同狀態對偏航特性的影響

參考坐標系，整車在初始狀態、去掉油箱前護板、去掉油箱和發動機護板3狀態下，車輛受到的偏航力矩越來越大，繞Z軸正向偏擺的趨勢逐漸增強。格柵全封時，整車也具有繞Z軸正向偏擺的定性跡象。

4 結論

本文是以東風某款SUV車型為研究對象，以降低整車的風阻特性為研究目標，從仿真和試驗兩個角度研究了車底不同氣動附件布置狀態對實車氣動特性的影響。同時，運用仿真方法對實車風阻系數進行分解，進而研究了主要部件對風阻的貢獻。

(1) 車底增加氣動附件有利于降低實車的風阻系數。例如，增加油箱前護板、發動機下護板使得整車Cd值降低了0.013。

(2) 車底增加氣動附件使得車底流場更加流暢，使得流速增加，車底受到的靜壓減小，從而降低了實車在高速行駛時受到的升力。

(3) 定量研究汽車前臉進氣格柵全封閉時風阻系數的變化進氣格柵全封閉時，風阻系數降低了0.02。

(4) 從定性角度分析，油箱前護板、發動機下護板的安裝減小了整車的側傾與偏航特性，改善了整車的俯仰特性。

(5) 仿真分解主要區域對風阻的貢獻，可得表2中前22個部件的影響在將來車型開發中應重點關注。

[1] 郭軍朝,谷正氣,孟慶超.基本湍流模型在轎車底部流場的仿真分析[J].計算機仿真,2007,24(4):258-261.

[2] 徐鵬,李春花.某SUV車型底部氣動附件的開發與研究[J].汽車技術,2014(7):14-17.

[3] 袁志群,谷正氣,等.汽車底部結構對氣動特性影響的數值仿真與實驗研究[J].系統仿真學報,2010,22(8):1832-1841.

[4] 洪四華.高速行駛SUV側風氣動特性研究[J].汽車技術,2007(11):31-33.

[5] PALIN R, JOHNSTON V, et al. The Aerodynamic Development of the Tesla Model S-Part 1: Overview[C]. SAE Paper 2012-01-0177.

[6] 劉希東.某SUV車動力艙內流動分析[C].2009年CDAJ-China論文集:56-60.

[7] 陳振明.改善汽車空氣動力學性能的措施[J].公路與汽運,2007(5):4-6.

[8] 杜春英.汽車底盤護板的空氣動力特性探討[J].汽車實用技術,2013(10):10-14.

[9] 王靖宇,賴晨光.汽車底部外形對氣動特性的影響[J].中國公路學報,2008,21(2):111-115.

[10] HUMINIC A, GABRIELA H. CFD Study Concerning the Influence of the Underbody Components on Total Drag for a SUV[C]. SAE Paper 2009-01-1157.

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。