某型SUV氣動性能優(yōu)化與驗證

彭麗娟，袁俠義，陳志夫，湯柱良，陳 林，王超逸

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

前言

1 模型搭建

汽車空氣動力學(xué)是一門研究汽車運動時與空氣之間相互作用規(guī)律的科學(xué)，空氣動力學(xué)特性直接影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性[1-3]。

車速為60km/h時，氣動阻力約占整車阻力的50%，隨著速度增加，氣動阻力占比越大，越輕量化的汽車，風(fēng)阻占整車阻力的比例也更高，通過汽車空氣動力學(xué)研究來提高行駛穩(wěn)定性。降低氣動噪聲，降低汽車氣動阻力，不僅可改善燃油經(jīng)濟(jì)性，且還可提高汽車動力學(xué)性能。在空氣動力學(xué)設(shè)計中，降低整車的氣動阻力是關(guān)鍵[4-5]。因此，基于CFD技術(shù)的空氣動力學(xué)優(yōu)化和風(fēng)洞試驗驗證對提升整車空氣動力學(xué)性能、降低油耗具有重要意義。

1.1 基本方程

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)

在汽車空氣動力學(xué)領(lǐng)域，一般認(rèn)為流體的密度在運動過程中不變，即ρ=常數(shù)，稱為不可壓縮流體，其連續(xù)方程為

(2)動量守恒方程

式中：v為平均速度；vi為平均速度分量；xi為坐標(biāo)分量。

1.2 網(wǎng)格模型

外造型面設(shè)計階段采用簡單底盤模型進(jìn)行分析，計算域長55m，寬14m，高10m，對車身、下車體和輪胎進(jìn)行分塊處理，對A柱、后視鏡、發(fā)動機(jī)罩前端、前翼子板側(cè)面、后擾流板、D柱和尾燈等分離區(qū)域網(wǎng)格加密；車身周圍的空氣域采用較密的網(wǎng)格，往外逐層變疏[6]，計算模型如圖1所示。

圖1 簡單底盤分塊模型

整車附件采用整車模型進(jìn)行優(yōu)化分析，同樣對整車進(jìn)行分塊處理，計算域網(wǎng)格尺寸與簡單底盤模型相同，模型如圖2和圖3所示。

圖2 整車分塊模型

圖3 計算域網(wǎng)格

1.3 物理模型與計算工況

假定為穩(wěn)態(tài)常密度問題，選用分離式算法，汽車外部擾流充滿分離、再附著和漩渦等復(fù)雜的流動現(xiàn)象，選擇k-ε湍流模型[7-9]，進(jìn)行流動模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、管道內(nèi)流和帶有分離的流動[10]。邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

2 優(yōu)化分析

2.1 外造型面對氣動阻力系數(shù)影響分析

造型和總布置的關(guān)鍵尺寸基本決定了整車的風(fēng)阻系數(shù)水平，因此在主題選擇前須對空氣動力學(xué)性能影響較大的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制。采用網(wǎng)格變形優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合CFD軟件，分析上一代車型模型外造型的變化對氣動阻力系數(shù)的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 外造型面對阻力系數(shù)的影響

2.2 外造型面氣動阻力分析與優(yōu)化

第一版CAS數(shù)據(jù)整車氣動阻力系數(shù)較大，為0.407，分析結(jié)果如圖4所示，可以看出發(fā)動機(jī)罩前端、前大燈側(cè)緣與前保險杠轉(zhuǎn)角區(qū)域、A柱和前輪側(cè)面氣流流速很大，形成分離，尾部由于無上擾流板，與經(jīng)行李架末端和D柱的共同作用，在尾部有兩個較強的渦。結(jié)合該版模型數(shù)據(jù)和表2的分析結(jié)果提出優(yōu)化方案，制定性能目標(biāo)控制開發(fā)策略。氣動性能優(yōu)化分造型面和氣動附件兩個階段。

圖4 第一版數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

(1)發(fā)動機(jī)罩優(yōu)化 降低發(fā)動機(jī)罩前端高度(位置A)，可減小前臉正壓區(qū)域面積；抬高發(fā)動機(jī)罩末端高度(位置B)，可增加發(fā)動機(jī)罩與前風(fēng)窗的夾角，減少風(fēng)窗處的正壓力，優(yōu)化示意見圖5。通過優(yōu)化后，發(fā)動機(jī)罩的過渡區(qū)域氣流分離得到改善，如圖6所示。

圖5 優(yōu)化建議

圖6 車頭優(yōu)化對比

(2)后擾流板優(yōu)化 根據(jù)圖4(b)的結(jié)果可以看出，尾部缺乏后擾流板導(dǎo)致尾部形成了明顯的漩渦，在該區(qū)域增加擾流板可延緩氣流的分離，同時對擾流板的長度和高度進(jìn)行了優(yōu)化，如圖7所示。

圖7 擾流板優(yōu)化示意圖

圖8為尾部速度云圖?？梢钥闯?，增加擾流板后，后風(fēng)窗的兩個低壓區(qū)得到明顯改善，增加了尾部壓力，從而降低了整車阻力。

圖8 尾部速度云圖

對擾流板高度與長度進(jìn)行優(yōu)化后，尾部氣流得到明顯改善，尾部速度和壓力云圖如圖9所示。由圖可見，與原始模型相比，優(yōu)化模型上下尾渦更平衡，提高了背部壓力，改善了上端氣流下洗嚴(yán)重的問題，減小了尾部負(fù)壓區(qū)，從而減少了氣動阻力。

圖9 尾部速度、壓力云圖

(3)D柱優(yōu)化 經(jīng)過分析，尾部氣流在后風(fēng)窗區(qū)域流速較快匯聚到尾部，導(dǎo)致尾部區(qū)域氣流混亂，增加后風(fēng)窗擾流筋后，有效改善局部負(fù)壓，提高尾部壓力。同時也對D柱擾流前后位置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化尾部壓力明顯改善，如圖10所示。

圖10 D柱形面優(yōu)化

(4)尾燈優(yōu)化 尾燈部位同D柱區(qū)域一樣過渡弧度較大，導(dǎo)致阻力增大。為進(jìn)一步增加尾部壓力，通過減小尾部收縮角，并在尾燈增加擾流筋的方式來提高局部壓力，如圖11所示，優(yōu)化后尾燈區(qū)域局部壓力增加，從而提高尾部壓力，降低整車阻力。

圖11 尾燈優(yōu)化

(5)前保險杠、側(cè)圍優(yōu)化 前保險杠、側(cè)圍優(yōu)化見圖12。通過前大燈、發(fā)動機(jī)罩、前保險杠轉(zhuǎn)角光順改型，減少氣流向兩側(cè)分離；通過降低前保險杠高度來減少底部氣流，前擋泥罩后側(cè)正壓區(qū)明顯減??；側(cè)裙外擴(kuò)，增加對后輪的覆蓋，降低氣流對后輪的沖擊，以減小氣動阻力，也能有效降低氣動噪聲。

圖12 前保險杠、側(cè)圍優(yōu)化

同時還對格柵飾條截面、A柱與前風(fēng)窗的斷差、后視鏡三角窗與側(cè)窗的斷差等細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，外造型面優(yōu)化后，簡單底盤模型的氣動阻力系數(shù)共降低了0.035，阻力優(yōu)化貢獻(xiàn)較大的部件如表3所示。

2.3 整車模型氣動附件分析與優(yōu)化工作

建立整車CFD分析模型，對整車的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行計算分析，并通過仿真手段優(yōu)化空氣動力學(xué)性能，主要是通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部流動和底部氣流流動。

表3 各區(qū)域優(yōu)化值

(1)上導(dǎo)流罩 在封閉格柵兩側(cè)的基礎(chǔ)上增加前端模塊導(dǎo)流罩，提高格柵與冷卻模塊之間的密封性，減少氣流漏流，增加了冷卻風(fēng)量，提高了冷卻性能[11-12]。同時，梳理了進(jìn)入前端冷卻模塊的氣流，減小了紊流，提高了空氣動力學(xué)性能，結(jié)果如圖13所示。優(yōu)化后整車阻力系數(shù)下降0.004。

圖13 加裝上導(dǎo)流罩的效果

(2)下護(hù)板優(yōu)化 下護(hù)板優(yōu)化結(jié)果如圖14所示，可看出優(yōu)化后底部氣流更光順。

(3)前后輪氣壩 增加前后輪氣壩能有效阻擋直接沖擊在前后輪的氣流，降低阻力，氣壩優(yōu)化前后對比如圖15所示?？煽闯鲚喬^(qū)域的正壓區(qū)明顯減小。

圖14 下護(hù)板優(yōu)化前后對比

圖15 增加氣壩的效果

(4)備胎罩 尾部平整度設(shè)計也是改善整車空氣動力學(xué)性能的途徑，因此在備胎表面覆蓋備胎罩，與前部護(hù)板搭配，優(yōu)化前后對比如圖16所示?？煽闯鲈黾觽涮フ趾?，后風(fēng)窗壓力稍有提升。

圖16 備胎罩優(yōu)化前后對比

同時關(guān)注下車體平整設(shè)計，對前后擋泥板進(jìn)行密封設(shè)計，對輪輞開口進(jìn)行優(yōu)化，最終氣動附件的優(yōu)化使氣動阻力系數(shù)降低了0.025，氣動附件優(yōu)化的貢獻(xiàn)如表4所示。

表4 氣動附件優(yōu)化

各部位優(yōu)化前后氣動阻力系數(shù)的對比如圖17所示。

圖17 各部位優(yōu)化前后氣動阻力系數(shù)的對比

因?qū)Ω駯艃蓚?cè)進(jìn)行了封閉優(yōu)化，且優(yōu)化前無附件，車頭部分和氣動附件優(yōu)化后阻力占比增加較多，但增加附件后，車尾、機(jī)艙、下車體和前后輪均有不同程度的降低。

由上面優(yōu)化仿真結(jié)果可知，模型原始狀態(tài)的氣動阻力系數(shù)為0.407，外造型面和氣動附件的優(yōu)化，分別使阻力系數(shù)減小了0.035和0.025，也即經(jīng)兩個階段的優(yōu)化后，氣動阻力系數(shù)降低至0.347，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，該模型達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)。

3 試驗驗證與進(jìn)一步優(yōu)化的探討

為驗證上述優(yōu)化仿真的結(jié)果，在風(fēng)速為120km/h的工況下進(jìn)行風(fēng)洞試驗，風(fēng)洞樣車試驗現(xiàn)場如圖18所示。

試驗結(jié)果可知，氣動阻力系數(shù)為0.34，仿真誤差僅為2.06%，說明模型具有足夠的精度。

圖18 該項目風(fēng)洞試驗

在模型達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對進(jìn)一步優(yōu)化的潛力進(jìn)行了探討，仿真結(jié)果表明，采用主動格柵和附件的進(jìn)一步優(yōu)化，可使阻力系數(shù)分別再降至0.328和0.32，對應(yīng)的試驗值為0.322和0.318。

4 結(jié)論

采用網(wǎng)格變形技術(shù)，結(jié)合CFD仿真，分析了造型面對氣動阻力系數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上經(jīng)造型和氣動附件優(yōu)化，整車阻力系數(shù)仿真值約降低0.06，最終該車型風(fēng)洞試驗氣動阻力系數(shù)為0.34，達(dá)到了同級車型的優(yōu)秀水平。

通過試驗驗證，主要工況的仿真誤差在3%以內(nèi)，為后續(xù)其它車型的開發(fā)積累經(jīng)驗。