某SUV空氣動力學數值模擬及優化研究

彭立爭　彭婧　吳龍質　黎謙　趙云云

摘 要：運用STAR-CCM+軟件對某款SUV進行整車空氣動力學數值模擬分析，通過模擬分析找出影響風阻的關鍵區域，并對霧燈、A柱、后視鏡、側尾翼進行了風阻優化，優化后整車風阻系數降低7.5％，降阻效果顯著。試驗結果表明，仿真結果與試驗結果具有較好的一致性，驗證了整車空氣動力學仿真分析的有效性和可行性。

關鍵詞：suv 空氣動力學 數值模擬 優化

1 引言

氣動阻力是汽車行駛時的主要阻力之一，對汽車的動力性和燃油經濟性有重要影響，降低整車風阻是減少汽車油耗的一個重要手段[1]。目前針對氣動阻力研究的主要手段有風洞試驗和數值模擬研究，汽車風洞試驗可以獲得相對準確的數據，但是每小時近3萬元人民幣的試驗費，非常昂貴。CFD數值模擬研究以經典力學理論為基礎，借助當下先進的計算機算力對模型進行仿真求解，大大提高了計算結果的準確性[2]。同時數值模擬技術憑借可靠、高效以及成本優勢成為業內研究氣動阻力的重要手段。一般經過數輪的仿真分析優化后，再借助風洞試驗手段進行方案有效性的驗證，既保證了數據的真實可靠，又能夠有效降低開發成本。

參考國內外汽車空氣動力學相關文獻[3-7]，本文通過數值模擬方法對某款SUV進行了風阻分析，找出了影響風阻關鍵區域，并提出了優化方案。最后，通過風洞試驗驗證了優化方案的有效性，仿真結果與試驗結果一致性較好。

2 計算模型建立

2.1 幾何模型

在前處理軟件hypermesh中對汽車外表面和車輪等進行幾何清理，去除了一些不影響氣流流動的螺栓等小部件，同時為了保證網格質量，對部分零部件進行了適當簡化處理。幾何清理后，對幾何模型進行面網格劃分，其中對氣流敏感的區域如前臉、A柱、后視鏡、后擾流板等進行網格細化處理。

在hypermesh中完成幾何清理、面網格劃分后，把模型導入到Star CCM+進行面網格修復優化及局部加密區的設定，采用三棱柱加切割體填充方式，生成約4200萬體網格。采用的計算區域尺寸約為車前方四倍車長，上方四倍車高，側向四倍車寬，車后方八倍車長。

2.2 邊界條件設定

本文采用可實現的K-Epsilon 湍流模型設置邊界條件，計算域的壁面參數采用STAR CCM+推薦的兩層全y+壁面設置。速度入口，風速為120 km/h；壓力出口，壓力值為標準大氣壓；車身表面為壁面邊界條件，風洞壁面為滑移壁面，風洞地面為移動地面，移動速度為120 km/h；散熱器、冷凝器作多孔介質模型處理。

3 計算結果及分析

3.1 霧燈優化分析

前保兩側的拐角位置是氣流管理的關鍵區域，設計師通常喜歡在該區域設計大而深的特征來凸顯造型特性，這給風阻帶來了很大挑戰。霧燈處的深坑非常容易使氣流分離，分離后氣流與輪胎外側形成的渦流相互影響，風阻增加明顯。

所以工程師要花大量的時間去做優化，跟設計師也要進行大量的溝通，為了降阻，在該區域一般會設計霧燈氣簾來降低深坑區域的正壓力。由于加裝氣簾需要增加成本，限于成本壓力，風阻工程師通常需要在不加氣簾的基礎上進行降阻優化。如圖2原始方案，霧燈臺階高，高度27mm，且靠外，對風阻不利。如圖2優化方案，對外側臺階高度、位置進行優化，優化后的霧燈臺階減小至5mm，且霧燈外側面沿著y方向內縮了20mm。由圖3可見，優化前氣流在霧燈處阻滯及分離較嚴重，在該處形成的渦流較大。優化后減小了氣流在該處的阻滯及分離，減小霧燈正壓，有效降低了汽車風阻。

3.2 A柱方案分析

A柱與發罩搭接處屬于氣流分離敏感區域，前方高速來流流經A柱與發罩搭接處時，由于搭接處結構不平整，很容易引起氣流分離，影響了氣流的平順性，形成各種漩渦，造成大量的能量耗散，使整車氣動阻力增加。如圖4，原方案發罩側邊末端凌駕于A柱上，同時與前擋間的深度大，相比之下優化方案實現了A柱發罩末端無縫連接，同時減少發罩末端與前擋間的段差。由圖5可見，在A柱與發罩末端的搭接處引起的氣流分離明顯減弱，氣流流動更加順暢，能量損失更小，有利于降低整車氣動阻力。

3.3 后視鏡位置優化

在汽車行駛時，暴露在車身表面的后視鏡會影響附近區域的氣流狀況 ，產生附加的氣動阻力。后視鏡使整車氣動阻力增加主要有兩方面的原因：一方面后視鏡突出于車身之外， 增加了整車的迎風面積，形成了壓差阻力 ;另一方面由于其尾部出現了明顯的氣流分離，使側窗附近以及車尾流場更加紊亂，增加了整車的渦量損耗。 而這兩方面的影響是相互制約的。為了探討汽車后視鏡的安裝位置對整車風阻系數的影響，根據后視鏡原始方案的仿真分析結果做以下改進：將后視鏡從三角板位置移到車門上，同時調整后視鏡安裝角度，如圖6所示：

由圖7可知，優化前的后視鏡尾部流場有明顯的渦旋，后視鏡自身產生的渦流與車身引起的渦流纏繞形成更大的混合渦流，使得側窗附近氣流紊亂，增加了整車的渦量損耗；相比之下，優化方案可以明顯降低后視鏡尾部渦旋，可以很大程度地改善汽車空氣阻力特性，有效降低汽車的風阻系數。

3.4 側尾翼優化分析

汽車行駛過程中，車頭正面部分承受正壓力，車尾尾部形成大范圍的負壓區，汽車車身前后的壓力差造成了汽車的壓差阻力，這也是汽車所受的主要阻力，這部分阻力對汽車的阻力影響較大。想要減小氣動阻力，可以通過改進汽車尾部造型，來減小車身前后的壓力差。為了探究側尾翼對尾部氣流影響，如圖8所示，在原始方案的基礎上加裝了側尾翼。

由圖9可見，沒加側尾翼，后擋所受的負壓明顯偏大，同時經過D柱的氣流內卷在尾部形成渦流，渦流越大，造成的能量損耗越多，增加前后壓差阻力。在尾部增加側尾翼后，尾部氣流平順通過，沒有在尾部形成內卷，同時減小了渦流，降低能量損失，提升背壓，減小汽車前、后壓差，達到明顯的減阻效果。

4 試驗結果及分析

本次試驗在全尺寸汽車風洞試驗室中開展，邊界層抽吸開啟、車輪WDU旋轉、地面移動帶CB轉動，風速設為120 km／h。分析仿真與試驗的差異，從圖10可見，霧燈方案可降低整車風阻約3％，A柱方案可降低整車風阻約0.5％，后視鏡方案可降低整車風阻約1％，D柱方案可降低整車風阻約3％，總體降低整車風阻約7.5％，仿真結果與試驗測試一致性較好。

5 結語

本文利用空氣動力學數值模擬方法對某SUV車型進行仿真分析，設計了霧燈、A柱、后視鏡、側尾翼四個部位的優化方案，并對設計方案進行了實車試驗驗證，得到以下結論：

（1）側面特征淺且靠內的霧燈設計能改善前保拐角氣流的分離，減小霧燈凹坑氣流的阻滯，同時使分離的氣流很快再次附著在側面。霧燈方案通過減小霧燈凹坑的正壓與氣流分離，降低風阻。（2）A柱與發罩末端無縫連接，同時降低發罩末端與前擋間的段差，可以減小該處氣流的分離與橫向渦流的產生，氣流流動更加順暢，能量損失更小。（3）后視鏡安裝位置及角度的改變，可以明顯降低后視鏡尾部渦旋，很大程度地改善汽車空氣阻力特性，有效降低汽車風阻。（4）增加側尾翼，可延長尾部氣流分離，使渦心遠離車位，同時使氣流分離干凈，不內卷到尾部，減小尾部渦流。（5）通過優化霧燈、A柱、后視鏡、側尾翼，整車風阻系數降低7.5%，風阻降低明顯，且仿真與試驗一致性較好。（6）利用空氣動力學數值模擬方法能準確模擬方案的有效性，節省成本，縮短工程周期。

參考文獻：

[1]彭婧，段大祿，黎謙等.某SUV車底氣動元件的設計開發.裝備制造技術，2021（4）：70-73.

[2]趙會芳，李小梅，楊文娟等.CFD數值模擬的整車降風阻技術研究.汽車零部件，2018（9）：38-43

[3]張英朝．汽車空氣動力學數值模擬技術．北京：北京大學出版社，2011．

[4]傅立敏．汽車設計與空氣動力學．北京：機械工業出版社，2010．

[5]小林敏雄，郭茂榮．汽車造型與空氣動力學技術．北京：機械工業出版社，2020．

[6]Yunfeng ZHU.An Evolution Study on Family Characteristic of? BMW 3 Series Based on Aerodynamics.College of Art and Design，2012.

[7]陸潤明，廖抒華，覃紫瑩等.尾部空氣動力附加裝置對客車氣動阻力的影響.廣西科技大學學報，2019，30（4）：48-53.