汽車百葉窗的迎風(fēng)面優(yōu)化設(shè)計

唐杰　潘欣欣　羅鷹

摘 要：為了提高汽車的燃油經(jīng)濟性，降低汽車在行駛過程中的風(fēng)阻。采用風(fēng)阻系數(shù)的概念表述空氣阻力的五個部分，風(fēng)阻系數(shù)越低，則百葉窗所承受的空氣阻力越低，當(dāng)車速高時，風(fēng)阻系數(shù)對空氣阻力的絕對值的影響更大。研究了汽車百葉窗的幾何分析和流動分析，將兩種分析方法相配合，確定了對百葉窗的迎風(fēng)面進行優(yōu)化改進，使用FLUENT軟件對百葉窗進行流體分析，百葉窗頂點位置應(yīng)選取離散熱器表面垂直距離25mm處為最優(yōu)解，得出最佳迎風(fēng)曲面。

關(guān)鍵詞：汽車百葉窗 空氣阻力 迎風(fēng)曲面 FLUENT流體分析

Optimal Design of Windward Side of Automobile Shutters

Tang Jie Pan Xinxin Luo Ying

Abstract：In order to improve the fuel economy of the car， and reduce the wind resistance of the car during driving， the concept of drag coefficient is used to express the five parts of air resistance. The lower the drag coefficient， the lower the air resistance of the blinds is. When the vehicle speed is high， the drag coefficient has a greater impact on the absolute value of air resistance. The geometric analysis and flow analysis of automobile blinds are studied. The two analysis methods are combined to determine the optimization and improvement of the windward side of the blinds. The FLUENT software is used to analyze the flow of the blinds. The vertex position of the blinds should be selected when the vertical distance from the radiator to the surface? is25mm， which is the optimal solution， and the best windward surface is obtained.

Key words：car blinds， air resistance， windward surface， FLUENT fluid analysis

1 汽車百葉窗的定義

汽車百葉窗是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的一個裝置，一般安裝在汽車散熱器與進氣格柵之間，由百葉窗葉片、直流電機、傳動機構(gòu)等構(gòu)成，根據(jù)發(fā)動機的散熱器冷卻液溫度控制葉片轉(zhuǎn)動進行開合。汽車發(fā)動機艙內(nèi)溫度較低（尤其是北方和寒冷的冬天），發(fā)動機剛啟動及熱車階段還未達到最佳工況溫度。此時百葉窗應(yīng)該全閉合，減少發(fā)動機艙內(nèi)的進風(fēng)量，對發(fā)動機艙起到保溫的效果。當(dāng)散熱器出水口溫度傳感器檢測到的溫度達到85℃時，發(fā)動機艙內(nèi)的風(fēng)扇開始運作，將車外的冷空氣吸入發(fā)動機艙內(nèi)，吹到散熱器上。為了使散熱器能達到最佳的散熱效果，當(dāng)風(fēng)扇開啟時，百葉窗必須全部打開，這樣才能使發(fā)動機艙內(nèi)的進氣量足夠充分。

汽車發(fā)動機停車熄火后發(fā)動機艙內(nèi)的溫度仍然較高，延時關(guān)閉百葉窗，可以使發(fā)動機艙內(nèi)的溫度下降更快，避免高溫對發(fā)動機艙內(nèi)的零件壽命產(chǎn)生影響。并且汽車在露天停放時，百葉窗的關(guān)閉可以減小灰塵和雜物對散熱器的侵害。

百葉窗的開啟和關(guān)閉從而使發(fā)動機更快達到最佳工況溫度，減少燃油的消耗，提高汽車的燃油經(jīng)濟性。車身空氣動力學(xué)特性的優(yōu)化可以顯著減小汽車行駛時的空氣阻力，是節(jié)省能源和減少能源消耗的重要措施之一。對汽車百葉窗的迎風(fēng)面進行降風(fēng)阻的設(shè)計，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，減小汽車在百葉窗關(guān)閉時受到的風(fēng)阻。從而降低燃油消耗。

2 氣動阻力的影響

氣動阻力與車速的關(guān)系圖1顯示了阻力與車速之間的關(guān)系。實線和虛線分別表示百葉窗在打開和關(guān)閉狀態(tài)下的空氣阻力。從圖中可以看到，氣動阻力與車速的平方成正比，車輛的速度越高，氣動阻力就越大。

2.1 轎車行駛阻力的研究

正常行駛的轎車總驅(qū)動阻力如下：

在公式中：滾動阻力;是空氣阻力;是坡度阻力;是加速阻力。空氣阻力是車輛行駛時，作用在車輛上的力的一部分合力[1]。根據(jù)每個力分量的作用機理，空氣阻力主要組成如下：

（1）壓力阻力：汽車前端的氣流速度小于后端。根據(jù)流體力學(xué)方程式，前部的壓力大于后部的壓力，當(dāng)空氣流過車輛時，車輛前后之間形成壓差，即壓差阻力。阻力的這一部分與車輛的整體形狀密切相關(guān)，這也稱為形狀阻力。

（2）摩擦阻力：根據(jù)空氣動力學(xué)研究，粘附在物體表面的空氣薄層（附面層）的流動與外層不同。覆蓋層在空氣的微層之間具有切向力。由于空氣是粘性的，因此在空氣與車身表面以及每一層空氣之間產(chǎn)生摩擦力。這些摩擦力在汽車行駛方向上，在車身表面上產(chǎn)生的切向力的合力為摩擦阻力。

（3）干擾阻力：在汽車空氣動力學(xué)中，由于車輛速度有限，通常不考慮空氣壓縮，但是空氣粘度不能忽略。由于空氣的粘性，在從車輛表面突出的零件的表面上會出現(xiàn)分離現(xiàn)象和渦流。分離現(xiàn)象和渦流會消耗能量并產(chǎn)生抗干擾性。

（4）內(nèi)部阻力：為了滿足機艙冷卻和通風(fēng)的傳輸要求，必須將空氣流導(dǎo)入機艙。這部分氣流在車輛運動方向上的分量稱為內(nèi)部阻力。

（5）誘導(dǎo)阻力：車輛頂部和底部的形狀不同，并且風(fēng)速也不同，從而導(dǎo)致爬升的壓力差，產(chǎn)生升力，誘導(dǎo)阻力主要與升力有關(guān)。

空氣阻力由阻力的五個部分組成。每種阻力形成的機制都很復(fù)雜，在計算空氣阻力時，有必要使用模型來表達它。因此，引入了風(fēng)阻系數(shù)的概念。將空氣阻力表示為：

空氣阻力對機動車的燃油消耗有重大影響。一般經(jīng)驗值是在200km/h時空氣阻力為運動阻力的85%。較低的空氣阻力降低了燃油消耗，并提高了車速和加速度。因此減小空氣阻力需要減小空氣阻力系數(shù)。

2.2 百葉窗的風(fēng)阻研究

汽車在行駛過程中，百葉窗的運動阻力大部分是由于壓力阻力造成的。壓力阻力由形狀阻力、抗干擾性、內(nèi)部循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力組成。其中，由氣流通過機艙內(nèi)部引起的內(nèi)部循環(huán)阻力約為總運動阻力的9%。以普通乘用車為例，當(dāng)車速為90km/h時，克服行駛阻力的油耗約為總油耗的25%。當(dāng)車速從90km/h加速到110km/h時，行駛阻力增加約40%，燃油消耗增加約10%至15%。

空氣阻力計算公式為：

得空氣阻力功率為：

空氣阻力系數(shù)：

風(fēng)阻系數(shù)越低，則百葉窗所承受的空氣阻力越低，并且當(dāng)車速較高時，風(fēng)阻系數(shù)對空氣阻力的絕對值的影響更大。如果百葉窗的形狀保持不變，則風(fēng)阻系數(shù)是固定值，并且不會隨著車速的變化而變化，風(fēng)阻系數(shù)是通過實驗測試獲得的。

2.3 降風(fēng)阻的設(shè)計方法

降風(fēng)阻設(shè)計的方法是多部門、多學(xué)科協(xié)作建立起來的[2]，如下所示：

（1）幾何分析：從形狀入手，通過橫向?qū)Ρ群蜌鈩痈拍畹幕痉治觯_定造型氣動優(yōu)化設(shè)計的趨勢性方向，如尺寸比例、面的角度、邊的弧度、局部細節(jié)等。

（2）流動分析：分析車身周圍的氣流邊界層和流動分離，分析表面壓力分布趨勢，與幾何分析相配合，進一步確定造型氣動優(yōu)化設(shè)計的趨勢性方向。

本文通過對百葉窗的幾何分析和流動分析，將兩種分析方法相配合，進一步確定了對百葉窗的迎風(fēng)面進行優(yōu)化改進，從而降低汽車在行駛過程中的風(fēng)阻。

3 百葉窗CFD流體分析

3.1 百葉窗尺寸的選取

由于百葉窗是加裝在散熱器前的，所以本設(shè)計百葉窗尺寸以某款散熱器尺寸為參考數(shù)據(jù)。經(jīng)測量，該散熱器的散熱面長寬為550mm、270mm，散熱面前方可安裝百葉窗的寬度為50mm。如圖2為本設(shè)計的參考散熱器。

3.2 FLUENT軟件流體分析

CFD是流體力學(xué)和計算機科學(xué)相配合和融合的一門學(xué)科[6]。隨著計算機的高速發(fā)展，該方法成為產(chǎn)品開發(fā)中的一種有利手段。FLUENT是至今市面上比較流行的一款商用CFD軟件包，但凡跟流體以及熱傳遞等有關(guān)的工業(yè)，均可以使用這款軟件。本設(shè)計使用該款軟件對百葉窗進行流體分析，得出最佳迎風(fēng)曲面。將圖2-1所示的散熱器迎風(fēng)平面簡化為二維模型，如下圖3所示：

模擬汽車在行駛過程中的風(fēng)速為汽車的行駛速度，本設(shè)計將汽車的行駛速度定為60km/h，即汽車在城市道路的規(guī)定時速。汽車在行駛過程中，風(fēng)從左側(cè)進入，右側(cè)則為出風(fēng)，網(wǎng)格如下圖4所示。

將此網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT中進行設(shè)置并求解[8]，計算出的殘差曲線如下圖5所示：

從殘差曲線可以清楚得看出各項值在每次計算之后就會發(fā)生變化，直到殘差值低于設(shè)定的值之后，計算就收斂了。通過計算得出圖6速度云圖和圖7壓力云圖。

由于百葉窗前的空間距離只有50mm，所以本次仿真模擬距離分別設(shè)置了20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm，從這些數(shù)據(jù)找到規(guī)律，得到了下面的數(shù)據(jù)曲線圖8阻力系數(shù)和位置關(guān)系。

從上面結(jié)果可以看出，隨著距離變大，阻力系數(shù)逐漸減小，但是當(dāng)增大到一定值后再繼續(xù)增大，就會在結(jié)構(gòu)后方產(chǎn)生漩渦，造成阻力再次變大，圖9和圖10為25mm處漩渦圖。綜上所述百葉窗頂點位置應(yīng)選取離散熱器表面垂直距離25mm處為最優(yōu)解。

3.3 百葉窗外形尺寸

本設(shè)計汽車百葉窗迎風(fēng)曲面導(dǎo)軌采用滑輪式導(dǎo)軌，滑輪與導(dǎo)軌之間的摩擦力小，導(dǎo)軌的使用壽命久。已知弦長l=550mm，弦高h=25mm，設(shè)弧長為C，半徑為r，圓心角為a;

半徑r為：

圓心角a為：

弧長C：

4 結(jié)論

在百葉窗的外形方面，通過對汽車空氣動力學(xué)、流體力學(xué)的研究分析，確定了將百葉窗平面迎風(fēng)改成曲面迎風(fēng)的策略，減小汽車在行駛過程中的風(fēng)阻，建立模型并用Fluent軟件對該策略進行驗證分析，計算出百葉窗的最佳迎風(fēng)曲面當(dāng)弦長為550mm時，弦高為25mm，半徑為1525mm，圓心角為0.363弧度，弧長理論長度為553.575mm，實際加工取554mm。

基金項目：本論文為 2020 年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《汽車百葉窗的智能設(shè)計》的研究成果。 項目編號：202012056027Y。

參考文獻：

[1]余志生.汽車?yán)碚?第3版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]王洪正，李曉峰.空氣動力學(xué)在汽車造型設(shè)計中的研究與應(yīng)用[J].安徽科技，2019（11）：49-51.