某車型空氣動力學性能優化設計研究

齊凱

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某車型空氣動力學性能優化設計研究

齊凱

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章根據整車廠開發項目過程中，對整車空氣動力學性能進行仿真優化。針對造型面的空氣動力學優化的貢獻最大，其次是空氣動力學套件。其中，散熱器導風板不但降低了整車空氣阻力，而且增加了散熱系統的進氣量，整車的動力性經濟性得到提升。整車廠在新產品研發過程中，將高度重視CFD仿真的性能優化工作，最大程度為項目降低開發成本，提高整車性能。

空氣動力學；仿真優化；空氣阻力；整車性能

前言

隨著油耗法規的加嚴，各個主機廠紛紛投入大量的資源和精力發展降低油耗技術。面臨既要滿足生產成本，又要性能達標這雙重壓力，使得主機廠各顯神通，大力發展發動機技術、電力系統優化設計、車輛輕量化技術等等。空氣動力學性能是汽車最重要參數之一，它對汽車的動力性、經濟性和操縱穩定性起著重要作用。研究表明當空氣動力學性能提升10%，百公里耗油降低0.5升，大大降低了整車的油耗。致使各大汽車廠高度重視空氣動力學性能開發，建立高性能仿真平臺，提高空氣動力學計算精度，并耗費大量精力進行空氣動力學方案可行性研究工作，目的要把整車空氣動力學設計到極致，最大限度提升產品競爭力。本文考慮到了空氣動力學性能的重要性，闡述了對空氣動力學性能開發，特此進行了整車空氣動力學性能優化設計研究。

1 物理模型

1.1 物流湍流模型

汽車的外流場氣動特性模型采用定常、等溫、不可壓縮流體、湍流模型來計算整車的三維空氣動力學流場。本論文采用的是標準k-模型。其模型主要求解湍流動能k方程和湍流耗散率輸運方程。標準的k-模型的方程如下：

湍流動能方程k方程：

耗散方程為：

其中：1ε、2ε、3ε、為經驗常數，分別為1.44、1.92和0.09；

kσ為湍動能k和耗散率對應的Prandt1數，k=1.0，σ=1.3；

k、S為用戶定義源項，可根據不同情況而定；

μ為湍流渦粘系數；G為由于浮力而引起的湍動能k的產生項；

G為由于速度梯度引起的應力源項；Y為可壓湍流中脈動擴張項。

1.2 邊界條件

根據仿真分析經驗，結合試驗風洞邊界條件。空氣動力學的邊界條件如表1所示。

表1 仿真邊界條件設置

為了減少仿真模型的網格數量，散熱器、冷凝器和中冷器芯體的復雜結構采用多孔介質進行簡化處理，通過散熱系統各自的速度與壓力損失試驗曲線可以得到速度與壓降的關系曲線，進而得到粘性阻力系數和慣性阻力系數，間接反映散熱單體的物理特性。其散熱曲線如圖1所示。

2 模型建立及方案確定

2.1 幾何模型設計分析

為了提升仿真結果的計算精度，建立1:1仿真模型，建立詳細的模型信息，除小于5mm的管路外，對后視鏡、雨刮、底盤、格柵、門把手等零部件進行細化處理，目的是為了提升整車空氣動力學計算精度。建立的整車空氣動力學仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車空氣動力學仿真模型

2.2 造型優化方案

圖3 優化前后造型面對比（正斜視圖）

圖4 前端局部放大圖

圖5 優化前后造型面對比（后斜視圖）

圖6 尾部局部放大

造型的變化對整車風阻優化影響較大，最經濟、最合理的優化空氣動力學性能就是對造型面的優化。但是造型面的優化要考慮造型設計工程的可行性及美學效果，只有即滿足造型美學又滿足工程學的雙重要求時，才能進行造型面的優化。本論文根據B面造型面進行造型優化方案制定。最后形成的兩版造型面對比，如圖3、4、5、6所示。整車前端造型主要變更地為前臉前端向下，前風擋與發動機艙蓋的角度較少，這樣的設計在一定程度上，使得通過汽車前端的氣流能較為平順的通過，這對降低風阻有益。整車尾部向后凸出，從整體趨勢上看，增加了整車的長度，同時適當增加了后風擋玻璃與行李箱之間的角度。由于整車前端和尾部的適當調整，四門略有調整，但變化量不大。除了造型方面的改動外，增加了前輪導風板和發動機艙散熱器器導風板，如圖7所示。散熱器的導風板不但起到增加散熱系統進氣量的目標，而且在一定程度上起到改善發艙內流場的作用，對發艙熱管理和空氣動力學性能都有好處。因為旋轉件的流場相對復雜，通過增加前輪導風板可以減少氣流對旋轉車輪的沖擊，起到平順車輪附近流場的作用。

圖7 額外增加的優化方案

3 結果分析

整車的風阻系數計算曲線，如圖8所示。當整個計算的載荷步大約為1400步時，計算結果趨于穩定。為了進一步提高計算穩定性，在相對穩定的基礎上再運行1000載荷步，使得計算結果穩定。

圖8 整車風阻系數迭代曲線圖

整車空氣動力學計算結果，如表1所示。優化后的風阻系數為0.291，降低了34counts。主要造型優化貢獻了20counts，前輪導流板貢獻了5counts，散熱器導風板貢獻了9counts。可見，造型優化為空氣動力學優化的主要手段。前期設計過程中，通過合理設計具備優秀空氣動力學性能的造型，對整車的開發周期、整車動力性經濟性能、整車的操控穩定性都有巨大的貢獻。對于主機廠來說，不用增加成本，直接見功效，在日益競爭激烈的市場大環境下，是非常必要的。通過增加散熱系統的前端導流板，散熱系統的進氣量明顯增加，如表2所示，散熱器的進氣量增加有助于發動機的熱效率，進而增加發動機的動力性經濟性；冷凝器進氣量增加，有助于減少空調的工作負荷，節能環保；中冷器的進風量增加，帶有了大量的余熱，整車的做功效率明顯提升。可見，增加散熱器導風板是非常必要的優化手段。

表1 整車空氣動力學性能表

表2 高速工況機艙進風量表

整車的壓力系數分布和整車壓力分布云圖所表達的含義是一致的，都是展示了整車的壓力分布特點。圖9為整車壓力系數分布云圖，從圖中可以得知，整車的前臉壓力較大，牌照板附近的區域為高壓區，在后視鏡殼體的凸起位置存在明顯的高壓區，此處的流場變化較為強烈，適當的優化此處流場可以顯著提升空氣動力學及風噪聲性能。

圖9 整車壓力系數分布云圖

車輪附近的壓力系數分布，如圖10所示。從原模型的仿真結果可以看出，旋轉車輪的迎風面所受較大的風載荷沖擊。相比非旋轉零部件的流場，旋轉零部件的流場更加復雜，而且影響風阻系數較為明顯。暴露在流場的旋轉區域越大，風阻就越大。通過增加前輪導風板，可以有效的減少車輪迎風面的壓力區域。旋轉車輪暴露在流場內的區域減少，在一定程度上，起到降低整車風阻的目的。

圖10 車輪附近壓力系數分布云圖

整車背部壓力越大，整車前后壓差越小，進而阻力越小。對比兩版整車背部壓力云圖，優化后的結果在圖中標出區域好于原模型。

兩版數據在Y=0對稱面速度云圖分布狀態相近，優化后的尾部低速區域范圍略小。這對整車的空氣動力學性能有好處，另外由于氣流速度增加，氣流在車尾部停留的時間減少，對降低尾部污染物有利，如圖12所示。

圖12 Y=0對稱面速度云圖

圖13 ISO面的速度分布云圖（側視圖）

原模型 優化后

通過圖13，14，觀察ISO面（Total Pressure=0氣流分離面）速度分布情況，發現由于增加前輪導流板，汽車前輪附近的ISO等壓面抬高，包含了整個前輪；經過后輪后的等壓面明顯減小，尾部氣流由于削弱了后輪雜亂流場的影響，尾部的速度低速區遠離車體，其氣流分布趨于合理，優化后的結果在圖中標出區域好于原模型，尾渦明顯偏小。造型的優化和空氣動力學套件的整體組合優化結果，使得整車的流場分布發生變化。

4 結論

通過開發車型的仿真優化分析，可以得到以下結論：

（1）通過造型優化，整車風阻降低20counts，效果明顯。

（2）增加散熱系統導風板，整車的空氣動力學性能提升，風阻系數降低9counts，同時，散熱系統的效率提升，進而提升了整車動力性經濟性，建議此空氣動力學套件進行平臺化。

（3）通過仿真分析，可以分析較為詳細的速度流場、壓力場，規避了空氣動力學風洞試驗的弊端。

（4）通過仿真分析，可以提升整車的開發效率，降低開發成本，值得整車廠大力發展。

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Study on aerodynamic performance optimization design of a certain vehicle model

Qi Kai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

According to the development of the vehicle, the aerodynamic performance of the vehicle is simulated and optimized. The most important contribution to aerodynamic optimization is the aerodynamic styling. Among them, the radiator air guide plate not only reduces the air resistance of the vehicle, but also increases the intake volume of the heat dissipation system, and the dynamic economy of the vehicle is improved. In the process of developing new products, the vehicle factory will attach great importance to the performance optimization of CFD simulation, and minimize the development cost of the project and improve the performance of the vehicle.

Aerodynamics; Simulation optimization; Air resistance; Vehicle performance

A

1671-7988(2019)03-85-04

U464

A

1671-7988(2019)03-85-04

U464

齊凱，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.025