多軸混合動力特種車輛空氣動力學特性分析與改進設計*

雷敏，魏朔，李超，閆惠東，張慶*

多軸混合動力特種車輛空氣動力學特性分析與改進設計*

雷敏1，魏朔2，李超2，閆惠東2，張慶1*

（1.中國農業大學 工學院，北京 100083；2.北京航天發射技術研究所，北京 100076）

建立某多軸混合動力特種車輛整車外流場仿真模型，采用計算流體力學方法分析整車外流場特性。根據分析結果對駕駛室進氣格柵、駕駛室與貨箱之間的上部連接、駕駛室下部進風口三個部位進行優化設計。在優化設計過程中，特別關注提升各車橋分布式驅動電機的散熱效果，并根據局部外流場特性確定車橋處的電機風扇朝向布置。結果表明，優化后的整車風阻系數降低了6.4%，各車橋均可通過底盤底部的氣流分支進行良好冷卻，確保滿足驅動電機的散熱需求。

混合動力；多軸特種車；計算流體力學；風阻系數；優化設計

1 概述

車輛混合動力驅動技術近年來快速發展，在乘用車及民用商用車領域取得了良好效果[1-3]。分布式混合動力驅動技術可以在增大特種車輛底盤布置空間，增強車輛起步加速能力及動力性的同時，還能夠滿足車輛在重載條件下對續駛里程和維修保障性的需求，因此在特種車輛領域也得到廣泛關注。

本文研究的多軸特種車輛采用串聯式混合動力驅動技術，以柴油發動機為動力源，每根車橋布置中央驅動電機及散熱風扇，實現車輛的多電機分布式驅動。車橋處電機散熱風扇的布置和氣流利用效果將對整車散熱能力產生重要影響，在車輛方案設計階段就需要掌握驅動橋位置的外流場分布特征，以便合理利用并優化整車空氣動力學特性，為整車散熱系統布置提供支撐。

因此，本文針對某混合動力多軸特種車輛展開外流場特性分析和優化，建立了整車外流場仿真計算模型，采用CFD方法對整車外流場進行計算分析。根據分析結果，對車輛整體外廓和局部結構進行優化設計，并將優化前、后整車的空氣動力學特性參數進行對比分析。特別關注了車橋電機散熱風扇處的外流場特性，獲得了相應的流速和流向等數據。

2 整車外流場特性分析

2.1 整車外流場仿真模型建立

多軸特種車整車幾何模型包含駕駛室、車架、車橋、輪胎、上裝艙體、電池、電機、工具箱等結構。將整車幾何模型導入到Star CCM+軟件中進行處理。圖1為建立的整車包面及網格模型。

圖1 整車包面及網格模型

整車外流場仿真的風道模型的尺寸設置需要滿足阻塞比小于5%，以便獲得可信的計算結果。設置仿真風道截面是5倍車高和6倍車寬，在車體前部設置預留了3倍車長空間，車體后部預留了8倍車長空間，計算得到所建立的仿真模型的阻塞比為1.23%，小于標準要求的5%，能夠滿足計算精度要求。

整體風道模型的尺寸及邊界條件設置如圖2所示，將車體前方邊界設置為速度進口，車輛后方的邊界設置為壓力出口，車輛前方的上下左右四個壁面設置為無摩擦的滑移壁面，車輛后方設置為無滑移壁面，整車外表面設置為無滑移摩擦壁面，以模擬車身與氣流之間的摩擦關系。

圖2 （a）風道模型邊界尺寸和（b）流場邊界條件設置

在流場仿真時，CFD計算結果會對模型網格尺寸產生依賴，合理的網格設置可以確保計算結果的準確性和經濟性。本文在正式計算前，首先進行了網格獨立性分析。選取車體的風阻系數作為網格獨立性的評價對象，設置不同的單元尺寸得到不同規模的網格模型。計算得到風阻系數與單元規模對應關系曲線，如圖3所示。隨著單元尺寸減小，網格規模隨之急劇增大，風阻系數的計算值逐步減小。當網格數量超過一千萬后，計算結果趨于穩定。為了節約計算時間與存儲空間，選擇網格規模在一千萬左右的模型，最大單元尺寸設置為0.05 m。

圖3 網格獨立性計算結果

2.2 整車外流場計算、分析

選取60 km/h和108 km/h兩個速度工況進行分析，求解流場的物理模型條件分別設置為三維、穩態、分離流、梯度、恒密度、湍流、K-湍流模型、精確壁面距離和單元質量校正。

整車空氣動力學特性計算結果如圖4a和圖4b所示，在駕駛艙前端部分出現集中的紅色正壓區域，且該正壓區域在進氣格柵附近，對動力電池系統的散熱有重要的影響。因此，可以對汽車的進氣格柵結構進行優化設計。另外，駕駛室與貨箱之間有間隙，貨箱上緣拐角尖銳，有較大的壓力集中，增大了整車的行駛阻力，需要對駕駛室與貨艙連接部分進行造型優化，以降低行駛阻力。

圖4c和圖4d展示了在速度為60 km/h與108 km/h工況下的縱截面氣流速度矢量場，二者的流場分布規律相同。在底盤下部區域，每組車軸的驅動橋區域存在大量湍流，這些湍流能帶走車輪與驅動橋的熱量，提高其散熱效果，故在設計車橋的冷卻系統時，應充分與該區域的氣流特性結合起來。

3 整車的造型優化設計

大量的氣流從進氣格柵進入車體內部，充足的氣流有利于動力、傳動系統的散熱，但氣流過大會使整車內部產生復雜的流動狀態，因此需要對進氣格柵與流場影響的關系進行定量分析。圖5為進氣格柵初始形貌，在保證進氣格柵幾何形狀的條件下，對其高度進行擴大，增大量從100 mm至200 mm，步長為10 mm。

整車表面的氣體壓力分布情況表明，由于整車的平板型迎風幾何特征導致整車前端是壓力集中區域。因此，在底盤前端合理設計擋風板，從駕駛室底部延伸到蹬車梯附近，將氣流更好地導向底盤下部區域，從而降低駕駛室底部的氣動阻力與氣動噪聲，提高車輛的行駛穩定性。具體位置如圖6a所示。

圖5 對進氣格柵的改動

由圖4分析知貨艙前端存在正壓區域，該區域的氣流將在駕駛艙與貨艙之間的區域形成湍流，降低了汽車行駛穩定性。如圖6b所示，通過整流罩的合理設計，圓滑連接駕駛室與后方的貨艙上緣，優化駕駛艙的氣流導向作用。

4 結果對比及分析

4.1 動力學特性對比

對整車造型優化前、后的空氣動力學特性進行定量比較，選取速度為60 km/h與108 km/h的工況下的風阻系數、升力系數作為研究對象。如圖7a所示，原車在60 km/h和108km/h時風阻系數均為0.687；整車造型優化后，風阻系數在60 km/h時降低為0.643，在108 km/h時降低為0.642，風阻系數降低約6.4%。計算結果表明整車的造型優化使得流場特性得到了改善，整車的風阻系數降低，提高了車輛的燃油經濟性。

圖7b是升力系數變化情況，在60 km/h時原車的升力系數為0.107，在優化后升力系數提高到了0.151；在108 km/h時原車的升力系數為0.103，而優化后升力系數提高到了0.149；結果表明造型優化后整車的升力系數增大，增長幅度約50 %，對于重載車輛而言，升力增大意味著降低了車輛行駛時的負載[4]。

圖7 （a）風阻系數及（b）升力系數變化情況

圖8為整車風阻系數隨進氣格柵高度變化的趨勢圖，可以看出，進氣格柵改動對風阻系數和升力系數的影響十分明顯，合理的柵格設計能有效提升整車的流場特性。

圖8 風阻系數隨隨進氣格柵改動量變化趨勢

4.2 車橋處流場對比

圖9 整車造型優化前、后縱截面的空氣流速矢量場

圖9是優化前、后整車的縱截面空氣速度矢量場。優化前的仿真結果如圖9a所示，中央通道區域的流場湍流狀態復雜，第一和第二車橋處的氣流主要來自從進氣格柵進來的分支氣流；第三至第五車橋的散熱主要依靠從底盤擠上來的氣流。優化后的仿真結果如圖9b所示，中央通道區域的流場趨于穩定，底盤下部的氣流入口和各車橋區域為湍流狀態，且各車橋處用于散熱的氣流主要由底盤下方擠流而來，有利于底盤各部件的散熱[5-6]。

對各車橋處的空氣流速進行定量分析，選取每個車橋軸心前300 mm處作為基準點，此處約為散熱風扇布置位置。選取了如圖10a所示共5個基準點。流速對比曲線如圖10b所示，結果顯示優化后2-5橋車橋處的空氣流速顯著增加，有利于提高電機的散熱效率。

圖10 各車橋處的空氣流速矢量圖

4.3 車橋處風扇朝向布置

圖11 第一車橋位置的流場矢量圖

車橋處的風扇是整車散熱系統的重要組成部分，風扇的朝向應與車橋處空氣流動的方向保持一致。以第一車橋為例，在60 km/h速度下，截取一橋中心位置的截面矢量場（圖11a），車橋橫向截面處的速度矢量圖如圖11b所示。可知此處的空氣流動朝向車輛上方，因此第一車橋處的風扇需朝上布置。采用此方式，可對整車其他車橋的風扇朝向布置方案提供支撐。

5 總結與展望

本文借助CFD方法，展開了混合動力多軸特種車整車外流場特性分析及優化。通過網格獨立性分析確認了合理的網格規模，實現了計算準確性和經濟性的統一。通過分析計算結果，提出在駕駛室進氣格柵、駕駛室與貨艙的連接位置及駕駛室底板三個位置進行改進設計。經過優化設計，新結構的風阻系數降低了6.4%，第2-5車橋處的流場流速得到提升。基于整車外流場計算，還著重分析了車橋電機處散熱風扇的朝向布置方案，結合矢量場和散熱需求，確定了每個車橋散熱風扇的朝向，為混合動力散熱系統方案布置提供了技術支撐。

[1] 康寧,丁浩.車輪前阻風板對汽車風阻的影響[J].汽車技術,2015, (12):29-33.

[2] 王開德.基于CFD的廂式貨車外部流場數值模擬分析研究[D].山東理工大學, 2012.

[3] ZHANG C, MESBAH U, ROBINSON A C, et al. Full vehicle CFD investigations on the influence of front-end configuration on radia -tor performance and cooling drag[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 130(5):1328-1340.

[4] 劉傳波,張若楠,段茂,等.汽車進氣格柵角度與冷卻風扇轉速的匹配研究[J].汽車工程,2019,41(4):388-394.

[5] 蘇紅春,袁春,王莉,等.某型電源車車艙通風散熱性能優化研究[J]. 汽車工程學報,2015,5(5):359-366.

[6] 李喆隆,李濤,李現今.電動汽車機艙散熱問題CFD仿真分析優化及試驗驗證[J].汽車工程學報,2019,9(6):400-407.

Aerodynamic Characteristics Analysis and Improved Design of a Multi-axis Hybrid Special Vehicle*

Lei Min1, Wei Shuo2, Li Chao2, Yan Huidong2, Zhang Qing1*

( 1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083;2.Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076 )

A simulation model of the external flow field of a multi-axis hybrid special vehicle is established, and the characteristics of the external flow field of the vehicle are analyzed using the method of computational fluid dynamics. According to the analysis results, the three parts of the cab air intake grille, the upper connection between the cab and the cargo box, and the lower air intake of the cab are optimized. In the optimization design process, special attention is paid to improving the heat dissipation effect of the distributed drive motors of each axle, and the orientation of the motor fan at the axle is determined according to the local external flow field characteristics. The results show that the optimized wind resistance coefficient is reduced by 6.4%, and each axle can be cooled well by the airflow branch at the bottom of the chassis to ensure that the heat dissipation requirements of the drive motor are met.

Hybrid electric vehicle; Multi axle special vehicle; Computational fluid dynamics; Wind resistance coefficient; Optimization design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.017

U273

A

1671-7988(2021)02-51-05

U273

A

1671-7988(2021)02-51-05

雷敏（1997-），女，廣西桂林人，碩士研究生，主要研究方向為車輛空氣動力學設計及分析。

張慶（1986-），山東棗莊人，博士，副教授，主要研究方向為新能源車輛設計及動力匹配，車輛CAE技術。

國家自然科學基金（51605021）。