一種低風阻汽車后保險杠的數值模擬

陳濤，黃領，魏家星，吳澤勛，郝慶全

?

一種低風阻汽車后保險杠的數值模擬

陳濤，黃領，魏家星，吳澤勛，郝慶全

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，浙江 杭州 311225）

為解決汽車沒有底盤后部護板情況下風阻較高問題設計了一種可降低風阻的后保險杠。計算了兩種離地間隙下兩種保險杠的流場，并分析了低風阻后保險杠比原后保險杠風阻低的原因。兩種離地間隙下低風阻后保險杠相比原后保險杠可顯著降低風阻。

汽車；風阻；后保險杠

前言

為降低汽車風阻系數，汽車底部應盡量平順，加底部護板[1-2]。但加底部護板在降低風阻的同時也會增加成本。其中以后懸架護板及底盤后部護板結構最為復雜，大多數汽車出于成本考慮都沒有安裝這兩種護板。為在沒有后懸架護板及底盤后護板的情況下降低風阻，改進了原后保險杠造型，設計了一種低風阻后保險杠。對這種低風阻后保險杠進行了數值計算，并在兩個后保離地間隙下與原后保險杠進行了比較。計算表明在沒有后懸架及底盤后部護板的情況下這種低風阻后保險杠能顯著降低風阻。

1 網格及計算模型

1.1 汽車模型及網格

如圖1所示，計算模型有發動機艙下護板，沒有后懸架護板及底盤后護板。為保證計算精度，車身外形表面進行了細致的網格劃分。而發動機艙內部及底部零件，進行了適度簡化。

圖1 車身及底盤數模

如圖2所示，計算域長50m，寬20m，高12m。采用多層加密域，第一層加密域網格尺寸16mm，后視鏡及后擾流板處局部加密至8mm。在車身表面劃分5層邊界層網格，第一層厚度1mm。

圖2 體網格Y=0截面示意圖

1.2 物理模型及邊界條件

采用計算流體力學軟件STAR-CCM+進行CFD計算。因為汽車空氣動力學屬于低速空氣動力學，流場設置為三維不可壓縮等溫流場[3]。穩態計算。考慮渦流因素影響和低雷諾數效應，采用Realizable k-ε湍流模型[4]。此模型引入旋轉和曲率有關內容，在汽車風阻計算中有較好收斂性和精度[5]。

機艙內散熱器元件采用多孔介質模型，多孔介質模型的慣性阻力系數和粘性阻力系數根據試驗值擬合。

邊界條件采用速度入口，壓力出口。入口風速100km/h，壓力出口壓力為標準大氣壓。

流場地面、兩側及上壁面均設置為滑移壁面。車身及各零部件設置為非滑移壁面。

2 后保險杠造型

低風阻后保相對于原后保，區別在于后保險杠前端增加了導流曲面。

（a）原后保 （b）低風阻后保

3 計算工況

汽車后保險杠位置高低往往要從兩方面加以考慮。一個是離地間隙和離去角，一個是對底盤零件的有效遮擋保證美觀要求。對于汽車風阻來說，一般后保離地間隙越高風阻越小。但受有效遮擋底盤保護零件及美觀要求的限制，后保離地間隙高度不能過高。離地間隙也會影響低風阻后保的降風阻效果，因此在兩種不同的后保離地間隙對低風阻后保和原后保進行對比計算，離地間隙分別為130mm和189mm。

4 計算結果及分析

設計后保險杠前端導流曲面的目的，一是遮擋一部分沖擊氣流，減少對后保內部的沖擊，降低后保內部壓強。二是導流曲面氣流加速，壓強降低，在導流曲面產生負壓。三是使下保表面附近氣流速度更高，改善車尾處流場結構，減少流動損失，增加尾部背壓。從后面得計算結果及流場分析看，設計目旳得到充分實現，風阻顯著降低。

4.1 計算結果

下表是后保離地間隙130mm和189mm時低風阻后保和原后保的整車風阻系數。在兩種離地間隙下低風阻后保的風阻系數相對于原后保有明顯降低。

表1 風阻系數分析結果

4.2 后保離地間隙130mm流場分析

圖4為后保離地間隙130mm時的壓強云圖。從圖4中可以看到，低風阻后保內部壓強低于原后保。前端導流面壓力為負壓。

圖4 后保離地間隙130mm壓強云圖

如圖4、圖5所示，低風阻后保下表面空氣速度較快，改善尾渦結構，減少流動損失。低風阻后保汽車尾部背壓高于原后保汽車尾部背壓。

圖5 后保離地間隙130mm速度云圖及卷積圖

4.3 后保離地間隙189mm流場分析

對比圖7和圖5，可以看到離地間隙189mm時，后保內部受到的氣流沖擊速度較小。所以無論低風阻后保還是原后保，內部壓強都小于離地間隙130mm時，如圖6和圖4所示，風阻系數也更低（表1）。

圖6 后保離地間隙189mm壓強云圖

圖7 后保離地間隙189mm速度云圖及卷積圖

如圖6所示，離地間隙130mm時，低風阻后保的內部壓強同樣小于原后保，前端導流面壓力同樣為負壓。如圖6、圖7所示，低風阻后保的下表面附近空氣流速同樣高于原后保，改善了尾渦結構，從而減少流動損失，使低風阻后保尾部背壓同樣高于原后保。說明后保離地間隙更高時，低風阻后保同樣有降低風阻的作用。但在后保附近風速較高時，低風阻后保前端導流面遮擋部分沖擊氣流減少后保內部壓強的所用更明顯，所以后保位置越低時低風阻后保的降阻效果越大。

5 結論

本文提出的低風阻后保，可以在沒有后懸架護板和底盤后護板、不增加成本的基礎上降低風阻。后保離地間隙增加可降低風阻，但出于遮擋后部底盤要求，后保離地間隙不同車型有一定要求，不能不受限制增加。在后保離地間隙較大和后保離地間隙較小的情況下，低風阻后保都能顯著降低風阻，但后保險杠離地間隙越低時降阻效果越明顯。目前汽車市場上絕大多數車型都沒有后懸架護板和底盤后護板，采用本文中的低風阻后保將起到降低風阻，降低油耗，節能減排的作用。

[1] 劉雅坤,丁建軍.超低風阻系數是怎樣煉成的[J].世界汽車,2013(4): 42-45.

[2] 杜春英,康獻民,游志偉等.汽車底盤護板的空氣動力學特性探討[J].汽車實用技術, 2013(10): 10-14.

[3] 谷正氣.汽車空氣動力學[M].北京:人民交通出版社, 2005: 80-115.

[4] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004:80- 115.

[5] 梁建永,梁軍,范士杰等.轎車外流場CFD分析中常用k-ε湍流模型的對比[J].汽車工程, 2008, 30(10): 847-852.

Numerical Simulation of a Kind of Car Rear Bumper with Low Wind Resistance

Chen Tao, Huang Ling, Wei Jiaxing, Wu Zexun, Hao Qingquan

( Zhejiang Ji Zhi New Energy Automotive Technology CO., LTD, Zhejiang Hangzhou 311225 )

A kind of a car rear bumper with low wind resistance is designed to solve the problem that the drag coefficient of a car without back chassis board is high. The flow fields of the rear bumper with low wind resistance and the original rear bumper are got by numerical computations in two rear bumper ground clearances and the reason of the wind resistance of the low wind resistance bumper is lower than the original one in analyzed. The drag coefficient reduce obviously in two ground clearance.

Car; Wind Resistance; Rear Bumper

B

1671-7988(2019)03-98-03

U461.1

B

1671-7988(2019)03-98-03

U461.1

陳濤，（1977.11-）博士，就職于浙江吉智新能源汽車科技有限公司，研究方向為汽車CFD。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.030