比亞迪漢空氣動力學開發

羅秋麗，張風利，張榮榮，魏曉沖，李 兵，彭 倩

（比亞迪汽車工業有限公司，廣東，深圳 518118）

漢是比亞迪基于全新純電動車平臺開發的高端旗艦轎車，采用全新“Dragon face”造型設計語言，配備“多合一”集成式電驅動系統和創新性的“刀片電池”，是比亞迪新一代純電動車型的杰出代表。漢將續駛里程作為該車型的核心性能，而降低風阻是提升續駛里程的主要途徑之一。根據動力經濟性計算，該車型風阻系數每降低10 count，NEDC工況續駛里程可提升約8 km。因此，該車型特別重視空氣動力學開發，風阻系數目標瞄準世界頂級量產轎車。

1 開發方法及策略

1.1 造型與空氣動力學的協同設計

比亞迪全新“Dragon Face”的造型風格在漢車型上首次設計應用，如圖2所示，設計師們對造型美學有著非常苛刻的要求，在確立新的造型風格的過程中反復修改調整，造型方案迭代速度很快，這也給風阻開發帶來嚴峻的挑戰。因此，漢開發出一套與造型設計緊密融合的風阻開發流程，如圖3所示。

圖1 采用上一代“Dragon face”造型語言的秦pro和唐

圖2 采用全新”Dragon Face”造型語言的比亞迪漢

圖3 漢的空氣動力學開發過程

在風阻目標定義階段，即和造型團隊討論確認該車型的低風阻設計策略，然后對造型形體進行大尺度的全局優化，定義出對風阻影響較大的關鍵尺寸，如圖4所示，對這些關鍵尺寸進行重點管控，后續的造型方案調整盡量不改變它們。在造型方案選定之后，再對外造型的局部設計特征進行風阻優化。最后再對導流板、輪輞、門把手、外后視鏡等附件進行詳細設計及風阻優化。從而實現在造型方案不斷調整過程中低風阻方案的延續性。

圖4 部分關鍵角度

1.2 開發工具

CFD仿真對設計迭代的響應速度快，流場可視化更全面直觀，便于解析流動現象及風阻形成的機理，因此被大量應用于新車型的空氣動力學開發中。漢的風阻開發前期，空氣動力學團隊在已有的風洞試驗基礎上，進行了大量仿真對標研究，包括仿真軟件、建模方法和湍流模型的差異對仿真精度的影響[1-2]，以確定該車型風阻開發所使用的仿真規范。在本文所有的仿真研究中，RANS與DES方法基于Star CCM+軟件，LBM方法基于Powerflow軟件。

2 仿真方法

當前汽車CFD風阻仿真廣泛應用的方法有RANS、DES、LES及LBM等，前人已經基于這些方法做了大量仿真與試驗對標的工作[1,3-7]。在漢的風阻開發前期，空氣動力學團隊重點針對RANS方法與LBM方法進行了對標研究。圖5是采用這兩種方法對比亞迪某款乘用車的不同狀態進行風洞試驗仿真對標的結果。本文中的CD仿真和試驗數據均作了歸一化的處理。

分析結果顯示，基于LBM的方法，整車風阻仿真精度更接近試驗結果，誤差均在2%以內；基于RANS方法，整車最大誤差達到4%。

圖5 某車型仿真結果與試驗結果對比

由圖6可知，兩種仿真方法對不同狀態ΔCD的變化趨勢預測與試驗結果是一致的。LBM方法對前艙進氣損失的仿真精度略低，但對輪輞風阻貢獻量的仿真精度要明顯高于RANS方法。這與兩種方法對車輪模擬的方式不同有關，LBM方法中借助于動網格技術使車輪輪輞真實旋轉，并可對輪胎花紋進行精細建模，模擬胎面花紋旋轉和輪胎接觸地面后的變形對風阻的影響[1,7]，在進行車輪降風阻設計時有較大優勢。在RANS方法中，采用動網格的建模和計算代價非常大，車輪通常無法真實旋轉，而主要采用旋轉壁面和旋轉參考坐標系的方法來近似模擬車輪的旋轉效應，對車輪風阻的模擬精度較低。

圖6 某車型不同方案ΔCD貢獻量對比

圖7是在某車型Y=0中心截面上的表面壓力測點的仿真值與試驗值的對比圖，圖中的紅點表示壓力測點的位置。由于車身外表面比較光滑，分離區較少，不同方法對貼體流動的模擬精度差別不大。其中在左側第7個點仿真值與試驗值差異較大，這是由于該點正處于流水槽后的風擋表面，氣流在前艙蓋分離后在此位置附近再附著，壓力梯度較大，試驗測點的位置偏差會導致較大的壓力差異。

圖7 表面壓力測點仿真與試驗對比

綜上，采用LBM方法和RANS方法進行風阻仿真均能獲得較高精度，但LBM方法精度更高。尤其對于車輪區域，LBM方法由于能模擬真實車輪旋轉，對車輪附近的流場模擬更精確，這對低風阻輪輞的開發非常重要。但RANS方法也有自己的優勢，它的計算速度更快，計算成本更低，因此漢的風阻開發同時采用了RANS方法與LBM方法。

3 風阻開發過程

為實現超低的風阻目標，漢在開發初期便定義了低風阻的設計策略，明確了以下設計原則：

（1）外造型采用“前圓（頭）后方（尾）”的風格。

（2）盡可能減少正壓區面積。

（3）提高車體后部的壓力恢復，增加車尾背壓。

（4）減少氣流在車身表面的分離和內流損失。這些理念都與造型設計師、產品工程師提前進行了深入探討，對各種設計實現方式進行優化驗證，空氣動力學性能與造型設計、產品設計、項目決策方達成了高度的融合。

3.1 空氣動力學形體優化

良好的空氣動力學形體決定了車型風阻開發的最大潛力，由于涉及人機空間、總布置和造型姿態，在設計前期就需要被確定下來。Y=0截面和乘員艙上部的關鍵尺寸是主要的優化對象，開發團隊應用基于網格變形的技術（圖8）對外造型面進行快速修改和尋優，將有效的方案轉換為幾何文件，輸出給造型設計師，大大提升了優化的效率和空間。

圖8 基于網格的曲面變形技術

3.2 車頭

降低車頭高度，可以減少前臉的正壓區面積，對降低風阻有積極的意義，漢的車頭高度比最初方案降低了40 mm，風阻降低了5 count，如圖9所示。

圖9 車頭高度降低示意圖

前保險杠兩側的拐角位置是氣流管理的關鍵區域，設計師通常傾向于在此區域設計深坑、凸筋或飾條特征來增加車輛寬度方向的視覺效果，這給風阻設計帶來很大麻煩，此處的凹凸不平特征非常容易導致氣流分離，分離后氣流與下游車輪外側的紊亂氣流互相影響，使風阻大大增加。所以在此區域通常會設計空氣簾，將前保險杠迎風面的氣流引導到車輪外側，來補充車輪外側分離區的動量。經過與造型設計師的溝通和迭代優化，漢最終在不增加空氣簾的情況下，車輪外的氣流分離區域很小，局部風阻基本沒有增加，如圖10～11所示。新一代“Dragon face”的前臉圓潤平滑，與完全光滑的前臉相比，風阻系數僅增加5 count。

圖10 漢前保險杠側后方的流場速度云圖

圖11 漢與其它帶空氣簾的車型截面速度對比云圖（截面位置同圖10）

3.3 車尾

車輛前后的壓差阻力是整車風阻的主要組成部分，提升車尾部的背壓對降低壓差阻力非常重要。車尾后部的尾渦受渦流旋轉的離心作用，渦心位置的壓力較低，應使渦心的位置盡可能遠離車體，以提升車尾部背壓。一般來說，采用圓角形狀的尾部氣流受壁面科恩達效應（Coanda Effect）和尾渦區內的低壓作用影響，容易使尾部氣流沿圓角內卷，造成圓角的局部負壓，并使尾渦中心更靠近車體。而對有清晰的分離邊緣的車尾，氣流果斷分離，受主流區的慣性作用，氣流向尾渦中心區內卷的現象推遲，尾渦中心離車體更遠。另一方面，圓角形狀的車尾，在不同雷諾數下氣流的分離位置是不固定的，而對尖銳邊緣的車尾，分離位置相對固定，尾渦的形態和風阻系數更穩定[8]。因此，漢采用了具有清晰分離邊緣的“方尾”造型，車尾四周的氣流分離線清晰，獲得了穩定的尾渦結構以及更高的背壓。

圖13 漢尾部靜壓系數云圖

圖14 漢的中心截面尾渦流線圖

3.4 車底部

車底部的氣流受地面與車體的擠壓效應、旋轉車輪的擾動以及車底部不平度的相互作用，氣流管理難度非常大。車底部風阻開發要求盡可能減少氣流的動量損失，主要做到兩點：一是在縱向垂直截面上，氣流從前保險杠下部受到壓縮進入底部后，需要保持在車底表面附著，氣流一旦脫體極易沖擊地面，形成地面次生邊界層，造成極大的動量損失。二是在車底的水平截面上，氣流受到旋轉車輪的干擾，在車輪后形成較大的氣流分離區，擠壓車底氣流向中間集中，形成動量損失。為了解決這兩個問題，漢對車底部的電池包以及前后保險杠的相對高度和布置角度、前輪擾流板的高度和位置、各導流板的形狀角度等進行了大量的分析優化，來降低車底部氣流的動量損失。由圖15對比可知，最終方案前輪后的氣流分離得到明顯改善，車底部主流區的截面寬度增加。

圖15 漢車底流場水平截面的總壓云圖

圖16 前輪擾流板

3.5 前艙內流

前艙進氣導致的內流損失是整車風阻的重要組成部分，貢獻量可達到10～30 count。漢從三方面進行前艙氣流管理：一是在滿足整車熱管理需求的基礎上，盡可能減小前格柵的進氣面積，并設計了主動進氣格柵（Active Grille System，AGS），如圖17所示。在冷卻系統和空調系統不需要散熱的情況下，關閉AGS來降低風阻。風洞試驗表明，AGS在關閉狀態下的整車風阻系數比打開狀態降低了12 count；二是在前格柵到冷卻模塊之間做了良好的密封，使前格柵進入的冷卻氣流主要流向冷卻模塊，不向四周擴散，降低前艙內流阻力的同時，又可以提升冷卻效率；三是對前艙氣流的流出路徑進行管理。前艙氣流沿切向流出到主流區，比垂向流出更有利于降低風阻。采用全覆蓋的前艙下導流板后，前艙內的氣流主要流向車輪的輪腔，容易被卷入旋轉的車輪，增加動量損失。因此，漢在前艙下導流板上設計了4個出氣口，引導氣流沿底部切向流出，如圖18～19所示。同時在前輪腔的后壁面上增加了大倒角，引導進入輪腔內的氣流從此處流向底部，而非從輪眉流向側圍，如圖20～21所示。

圖17 漢的AGS

圖18 導流板出風口設計

圖19 氣流從前艙下導流板出風口流出的流線圖

圖20 輪腔后側的大倒角

圖21 氣流從輪腔后側的大倒角向后流出的流線圖

3.6 低風阻輪輞

旋轉車輪本身的風阻及其所導致的其它部位的風阻增加量占整車風阻的1/4 ，而漢要求0～100 km/h的加速時間達到3.9 s，需采用更寬的輪胎保證抓地力，這也增加了風阻開發難度，因此，漢在空氣動力學輪輞的開發方面投入了大量精力。基于對多款輪輞造型方案的仿真分析及優化，漢開發的空氣動力學輪輞風阻系數比全封閉狀態僅增加4 count。對另一款普通輪輞也進行了風阻優化，優化后的輪輞比全密封狀態風阻增加7 count。如圖23所示，普通輪輞與空氣動力學輪輞、全封閉輪輞的輪外側總壓損失相當，均達到了較好的減阻效果。

圖22 最終輪輞方案及輪輞全封閉示意圖

圖23 普通輪輞、空氣動力學輪輞及全封閉輪輞X向截面總壓圖

4 風洞仿真試驗對標

漢在上海地面交通工具風洞中心完成了實車風洞試驗，風阻系數達到0.233，成功實現了既定風阻開發目標。空氣動力學團隊根據不同狀態的風洞試驗結果，進行了CFD仿真對標，并重點研究了DES方法的仿真精度。

圖24 漢風洞煙流試驗

DES模型是一種RANS/LES混合模型，它在壁面附近區域使用RANS模型，在湍流核心區采用LES模型，采用瞬態算法，對車輛尾流的模擬效果更好[9]。

表1是分別采用LBM與DES方法與風洞試驗的結果對比，可以看出采用LBM與DES都能夠得到較高精度的仿真結果，誤差絕大部分都在3%以內。

從不同方案的ΔCD值貢獻量來看，DES方法也展示出較好的仿真精度。其中對前艙內流損失的風阻貢獻量，LBM方法明顯小于試驗值，而DES方法明顯偏大，這部分仿真誤差可能主要與進氣格柵和冷卻系統周圍的建模精度有關，仍需進一步對標研究。對車底部導流板方案2的模擬，兩者均出現與試驗結果相反的趨勢，這可能與該導流板位于車底尾部有關。車底部流場模擬誤差較大（見下文），上游的流場模擬誤差沿流向積累，在車底尾部區域達到最大，流場的失真導致對導流板風阻貢獻量的計算出現偏差。

表1 漢不同方案的仿真與試驗CD值對標

圖25 不同方案ΔCD值貢獻量的風洞試驗對標結果

圖26 Y=-300 mm車身截面上的壓力測點對標

圖26中的紅點代表Y=-300 mm車身截面上的壓力測點位置，對比可知， LBM方法和DES方法都能得到比較好的模擬精度，風阻仿真誤差的關鍵主要在于下車體的流場模擬。為了進行車底部仿真對標，漢在Y=-300 mm位置的車體下底面的縱向布置了1列，橫向布置了4排測壓點，如圖27～28所示。

對比可知，DES與LBM方法的測點位置處的壓力曲線分布趨勢均與試驗結果一致，但壓力值有較大差異，除第一排點外，均為負壓且仿真值普遍偏小。造成這種偏差的原因有待研究，推測原因主要是對前保險杠前唇下部的氣流分離，以及前輪導致的氣流分離模擬不準確，使車底氣流受到過度擠壓，從而使主流區的截面寬度減小，主流區的流速比實際值要大，這也導致下游各點的流場仿真出現偏差。在較為平整的電池包底部仿真誤差較小，而當底部氣流再次受到后輪的擠壓后，仿真誤差再次加大。

圖27 底部表面壓力測點對標

圖28 底部表面壓力測點對標

圖29 尾部中心壓力測點對標

圖29是在Y=-300 mm處車背部表面上的壓力測點，對比可知，兩種仿真方法均存在一定誤差，但均能反映各測壓點的變化趨勢，LBM方法精度要高于DES方法。由于車背部的壓力取決于尾渦渦強和渦心位置，而尾渦渦強和渦心位置的模擬精度又取決于對車尾后緣分離點位置和風速的模擬精度，因此，車底部氣流和側圍氣流的模擬誤差應該是背壓仿真誤差的主要根源。

綜上，對光滑表面的貼體流動，CFD仿真精度均較高。而對車輪、車底部等區域導致的氣流分離的模擬，各種CFD的湍流模型均有一定偏差，這種仿真誤差會影響車輪及車底部導流板的開發決策，結合風洞試驗進行相關風阻開發仍然是必須的。

5 總結

本文詳細介紹了比亞迪漢的空氣動力學性能開發過程，對CFD風阻仿真精度進行了評估，然后分別從外造型形體和車頭、車尾、車底部、前艙內流、氣動輪輞等幾個區域介紹漢對低風阻開發的理解和設計實現方法。最后對漢進行了風洞試驗仿真對標，重點論證了DES方法的仿真精度，對標結果表明，采用DES方法的整車風阻系數仿真誤差可以達到3%以內，具備較大的應用潛力。同時也發現當前不同仿真方法對車輪和車底部的流場模擬精度仍存在一定誤差。后續車型仍需增加風洞試驗和仿真的循環驗證，并繼續研究提升車底部氣流仿真精度的方法。