汽車空氣動力學風洞試驗方法及減阻研究

孫景新 孫逸昊

（一汽豐田汽車有限公司 技術研發(fā)分公司,天津 300457）

主題詞：汽車空氣動力學風阻系數實車風洞試驗外飾件

1 前言

汽車空氣動力特性直接影響汽車的動力性能、操作穩(wěn)定性、燃油經濟性和氣動噪聲性能，甚至影響汽車的行駛安全。因此，各大汽車廠商越來越重視汽車空氣動力學特性，其中研究方向主要包含以下4個方面。

（1）車輛行駛阻力、側向力和升力3個氣動分力；側傾力矩、縱傾力矩和橫擺力矩3個氣動分力矩。它們共同作用，對車輛的動力性、操穩(wěn)性能產生重要影響。

（2）汽車發(fā)動機艙及制動器的通風量和冷卻研究。

（3）汽車表面壓力分布和車身表面污染，比如傳統(tǒng)兩廂車比三廂車后風窗更易沾染灰塵，需要設置后雨刷器進行清理。

（4）汽車氣動噪聲的產生傳播機理。如汽車后視鏡、雨刷器和天窗的風噪研究。

隨著汽車保有量的大幅度增加，節(jié)能環(huán)保的理念也越來越深入人心。在車輛行駛過中，發(fā)動機產生的動能需要克服傳動過程的摩擦機械損失，輪胎的滾動阻力以及氣動阻力。當一輛轎車高速行駛時（80 km/h以上），氣動阻力約占總阻力的一半以上，而且隨著車速的增加，氣動阻力也急劇增加。根據美國國家環(huán)保局定義的城市工況和高速工況駕駛方式，轎車因克服空氣阻力所消耗的燃油占總油耗的13%。對于SUV來講這種影響更為明顯，占總油耗的22%。隨著電動汽車的發(fā)展，降低整車風阻系數也成為提高續(xù)駛里程的重要手段之一。

汽車實際道路行駛狀態(tài)下的氣動力總體可分為外部阻力和內部阻力，如圖1。

圖1 氣動阻力分類

作用在汽車上的空氣，有35%～40%從車身上面流過；10%～15%從底盤流過；25%從車身側面流過。從底盤流過的空氣包含進入散熱器格柵，最終流出發(fā)動機艙的空氣。

通過實車風洞試驗，可以盡量還原車輛在實際道路上的行駛狀態(tài)，不僅可以測試整車風阻系數，也可以優(yōu)化外部裝飾件達到降低風阻系數的目的。

2 汽車空氣動力學風洞試驗方法

2.1 風洞試驗室參數

本次試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所（以下簡稱低速所）8 m×6 m風洞第二試驗段進行。該風洞是國內首座大型低速風洞，第二試驗段寬8 m、高6 m、長25 m，4角有45°等截面填塊。試驗段底部中心有一個可以帶動車輛一同旋轉的轉盤。第二試驗段風速控制范圍可以滿足汽車風洞試驗所需的80～140 km/h風速條件。氣流穩(wěn)定性、方向場、湍流度均滿足本次車輛風洞試驗對流場品質的要求。

為減少地面效應對試驗結果的影響，安裝專用地板改造第二試驗段。地板長16.1 m，寬7.4 m，上表面距風洞底部0.5 m。

本試驗采用了8 m×6 m風洞汽車專用地板。地板由5塊獨立地板拼接而成，主要由兩根靠近風洞側壁的長工字鋼梁支撐，地板上表面距風洞下表面0.5 m。地板中心有一直徑7 m的轉盤,轉盤用支撐框架與風洞底部轉盤固聯，可實現360°水平轉動，滿足測量不同側偏角條件下，測量氣動力的要求。

2.2 試驗車輛整備

測試車輛安裝在模型支撐組合件上，車輛的4個車輪分別放在相應的車輪墊塊上（車輪墊塊表面與地板表面平齊），用鐵絲穿過輪轂與支撐組件后絞緊固定，在車輪附近的空隙處做密封處理，在確保不碰觸車輪及模型支撐組合件的同時，降低試驗時湍流對試驗結果的影響。車輛安裝示意如圖2。

圖2 車輛安裝示意

車輛安裝時需要調整車輛姿態(tài)，保證車輛安裝位置的準確。車輛姿態(tài)調整的主要步驟如下：

（1）確定天平中心線與風洞中心軸線平行或對齊；

（2）根據車頭、尾部的中心點，使車輛縱向中心連線與天平中心線對齊；

（3）調整車輛配重，使離地間隙滿足設計狀態(tài)要求；

（4）0°側偏角下進行試吹，在風速35 m/s下持續(xù)20 s；

（5）重新檢查并調整車輛狀態(tài)，確認后再進行正式試驗。

試驗車輛狀態(tài)要求如下：

（1）關閉所有車窗（含天窗）；

（2）車輛熄火，空調切換到內循環(huán)，關閉空調；

（3）調整輪胎胎壓至0.25 MPa；

（4）雨刷器、后視鏡等車輛外部機能零部件處于正常行車狀態(tài)；

（5）啟動駐車制動。

圖3所示為原型車在風洞中安裝及調試后的狀態(tài)。

圖3 原型車安裝調試后車輛狀態(tài)

2.3 試驗條件

由于阻力系數與風速無關，在正式試驗開始前，通過變風速試驗（100 km/h、110 km/h、120 km/h），確定車輛在哪個風速下最穩(wěn)定，從而確定試驗風速。

經過驗證，在120 km/h條件下測定的數據最穩(wěn)定，因此本試驗的風速除特別說明外，均為33.33 m/s（對應車速120 km/h），并根據試驗當時的氣溫、大氣壓條件計算風洞動壓。

3 風洞精度驗證

3.1 重復性試驗

對原型車進行了7次重復性試驗，重復性試驗精度詳見表1。阻力系數重復性精度要求在0.001以下，所以本次試驗滿足汽車空氣動力學試驗要求。

表1 風洞重復性試驗精度

3.2 變側偏角試驗

阻力系數的變側偏角試驗結果如圖4所示。由圖4可知，阻力系數隨側偏角變化時有較好的對稱性。

圖4 原型車阻力系數變側偏角試驗

4 車輛外部裝飾件上的減阻研究

4.1 前后保險杠導流板

為降低汽車風阻系數，同時提升車輛外觀商品力，對該車型的前、后保險杠導流板進行重新造型設計（圖5、圖6）。

圖5 前保險杠導流板

圖6 后保險杠導流板

在換裝全新設計的保險杠后，車輛的阻力系數降低了2.8%，這說明新設計的前后保險杠有較好的導流效果。使前方氣流更加平穩(wěn)地流向車輛底部，同時在車輛尾部與上部車身氣流匯合時，改善了車輛尾部低壓區(qū)的流動狀態(tài)，平衡車身上下部分氣流的流動，因此可以明顯的降低阻力系數。

4.2 翼子板裝飾標識

為體現車輛特殊運動性身份辨別標識，在換裝前后保險杠導流板的基礎上，在車輛翼子板處加裝裝飾標識后，組成了特裝車狀態(tài)一（圖7）。其阻力系數增加了0.2%，說明在翼子板處由于新加裝的車標突出車身表面，氣流在車標附近發(fā)生擾動。但由于車標尺寸較小，對氣流的影響有限，所以阻力系數僅上升了0.2%。

圖7 特裝車狀態(tài)一翼子板裝飾標識

4.3 裝飾輪眉

在特裝車狀態(tài)一的基礎上繼續(xù)加裝裝飾輪眉，組成特裝車狀態(tài)二（圖8），其阻力系數與原型車等同。由于裝飾輪眉相比原型車的基礎輪眉在擴大車身覆蓋范圍的同時，增加了更多的凹凸感造型細節(jié)，因此也增強了車身側表面的流場擾動和氣流分離，使該狀態(tài)的氣動阻力增加明顯。

圖8 特裝車狀態(tài)二裝飾輪眉

4.4 封閉散熱器格柵

由于車輛冷卻系統(tǒng)散熱器及空調冷凝器的散熱需求，部分外界空氣需要通過散熱器格柵引導進入發(fā)動機艙，對發(fā)動機艙內的冷凝器、中冷器、發(fā)動機散熱器和發(fā)動機排氣歧管、發(fā)動機本體、ECU零部件進行散熱。但這一部分氣流在流經以上零部件時會產生能力損失，進而增加了整車氣動阻力。通過封閉散熱器格柵，可以研究發(fā)動機艙內阻對阻力系數的影響。原型車狀態(tài)下單獨封閉格柵如圖9所示。

圖9 原型車狀態(tài)下單獨封閉格柵

試驗結果顯示，封閉散熱器格柵，阻力系數降低了10.1%。因此，當車輛處于高速工況而發(fā)動機的冷卻負荷需求不大時，可以通過關閉部分進氣格柵減少進入發(fā)動機艙內部氣流的方式降低阻力系數，從而實現節(jié)油降耗的目標。

4.5 封閉輪胎輪轂

通過封閉輪胎輪轂，減小氣流在輪轂處的擾流，阻力系數降低了2.2%（圖10）。未來可以考慮設計開孔面積小且表面凹凸結構少的輪轂，通過使用金屬色及熏黑處理來達到輪轂造型的目的。這樣既保證了車輛的美觀，同時也可以降低阻力系數。

圖10 原型車狀態(tài)下單獨封閉輪轂

5 結束語

應用風洞試驗方法，對實車進行風阻測試，并通過改變車輛外部裝飾，得到了不同裝飾件對車輛風阻系數的影響結果，同時通過封閉進氣格柵、輪胎輪轂，發(fā)現未來降低風阻系數的方向，得到了以下5個結論：

（1）風洞試驗精度滿足試驗要求；

（2）特裝車保險杠的改進效果良好，具有較好的降阻效果，相對原型車風阻系數降低了2.8%；

（3）輪眉對車輛的氣動特性影響明顯，加裝輪眉后其風阻系數明顯增加；

（4）發(fā)動機艙內流對車輛的氣動特性影響較大，封閉發(fā)動機艙進氣格柵后，其風阻系數大幅降低;

（5）輪轂對車輛的氣動特性影響明顯，在封閉輪轂后，其風阻系數明顯降低。

風洞試驗雖然可以盡可能真實的模擬實際道路行駛的效果，但由于試驗費用大、周期長，所以通過前期CFD仿真手段，研究降低車輛風阻系數是空氣動力學研究的重點。