新能源汽車的車身氣動性模擬分析與優化

關鍵詞：新能源汽車；氣動性能優化；計算流體動力學（CFD）

0 前言

隨著全球對可持續交通方式的需求不斷增長，新能源汽車作為一種重要的解決方案，對其進行技術優化已成為研究的重點。其中，車身氣動性能的優化不僅關系到能效提升，還直接影響車輛的環境適應性和行駛穩定性。本文通過數值模擬技術對新能源汽車的氣動性能進行分析和優化，并提出優化策略，旨在減少氣動阻力，提高整車性能，以達到更佳的環保效果和經濟效益。

1 模擬方法

1. 1 數值模擬軟件選擇

在新能源汽車的車身氣動性模擬分析中，選擇合適的數值模擬工具和軟件是至關重要的。由于在處理復雜邊界條件和流體動力問題方面的高效性和準確性，本文采用Ansys Fluent 計算流體動力學（CFD）軟件進行數值模擬。Ansys Fluent 軟件提供了多種求解器選項，包括壓力-速度耦合算法和多種湍流模型，因此可以準確模擬涉及湍流、壓力變化和復雜幾何形狀的氣動流場［1］。此外，該軟件支持用戶自定義函數（UDF），允許研究者根據具體的研究需求調整模擬參數，以獲得更符合實際的模擬結果。

1. 2 模型建立與網格劃分

建立準確的車身模型是進行氣動性能分析的基礎。首先，根據新能源汽車的實際車身尺寸和形狀，使用三維CAD 軟件建立車輛幾何模型。隨后，將模型導入到Ansys Fluent 軟件中進行網格劃分。網格劃分采用結構化網格，因其在車輛周圍形成了更加緊密的網格布局，能夠捕捉到車身表面的細微氣動效應。為確保計算的精確性，特別是在車身前緣和尾部，實施局部網格加密，總共添加了約50 000 個網格單元，使這些關鍵區域的網格密度較周圍區域高出約30%。整個車輛模型共使用了約500 000 個網格單元。

1. 3 邊界條件與模擬參數設置

數值模擬時，正確設置邊界條件和模擬參數是確保結果準確性的關鍵［2］。本文研究的邊界條件主要包括入口速度、壓力出口，以及車身表面的無滑移條件。模擬采用環境空氣速度作為入口邊界條件，速度設置為典型高速行駛的60 km/h，模擬真實駕駛環境。出口邊界設置為壓力出口，以確保流體自由流出模擬域。車身表面采用無滑移條件，以模擬空氣與車身表面的黏附效應。

對于模擬參數，選用RANS 方程結合k-ε 湍流模型，該模型適用于高雷諾數下的湍流預測，能有效捕捉車輛周圍復雜的流體動力行為。時間步長設置為0.001 s，以捕獲流場中的瞬態變化，確保數值計算的穩定性和收斂性。

2 基線模型的氣動性能分析

2. 1 流場結構分析

在進行新能源汽車車身的氣動性能評估時，流場結構分析是重要的步驟。采用Ansys Fluent 軟件對基線車輛模型周圍的流場進行詳細模擬。通過模擬，能夠觀察到空氣流過車輛表面時形成的流線、渦流和尾流區域。特別是在車輛前端和后端，流場的結構顯示出復雜的分離和再附著現象，這些現象對氣動阻力有顯著影響。分析發現，車輛的后視鏡和車身棱角是渦流生成的主要區域，這些渦流在車輛尾部形成較大的尾流區，導致壓力下降，從而增加了整體阻力。此外，車底流場的分析揭示了地面效應對氣動性能的影響，較低的地面間隙可導致地面效應增強，對車輛穩定性有積極影響，但也可能增加氣動阻力。

2. 2 氣動阻力與升力分析

對新能源汽車基線模型的氣動阻力與升力進行分析，是研究其氣動性能的核心。本文通過數值模擬計算了車輛在不同速度下的氣動阻力和升力系數。氣動阻力系數Cd 和升力系數CL 是衡量車輛氣動性能的關鍵參數，這些參數直接影響車輛的燃油效率和行駛穩定性。從模擬結果來看，基線車型在標準測試速度下的Cd 約為0.32，而CL 接近于0，表明車型的氣動設計已部分優化從而降低了升力。進一步分析車體前后部、底部以及輪廓形狀對氣動阻力的影響，發現車輛前端是氣動阻力產生的主要區域［3］。此外，通過調整車輛的尾部設計，例如引入尾翼或改變尾部斜率，可以有效降低升力，從而提高車輛的高速行駛穩定性。

2. 3 敏感性分析與關鍵參數識別

敏感性分析是理解設計參數對汽車氣動性能影響程度的重要工具。研究通過一系列參數變化來評估其對氣動阻力和升力的影響。通過系統地改變車身形狀的關鍵參數，如前臉傾角、尾部設計以及車底清潔度，能夠識別出影響氣動阻力和升力最敏感的因素。

通過調整不同的設計參數，分析Cd 和CL 的變化規律，以確定哪些設計變量對車輛氣動性能影響最大。結果表明，車輛前臉設計和尾部傾斜角度是影響Cd和CL的關鍵因素。

3 車身氣動性能優化設計

3. 1 優化設計的方法與策略

為了提高新能源汽車的氣動性能，本文采用了一系列系統的方法和策略對車身進行優化設計。首先，基于前期的氣動性能分析，確定了影響氣動阻力和升力的關鍵因素。優化過程采用迭代方法，通過逐步調整關鍵區域的設計參數，觀察氣動阻力和升力的變化，最終達到滿意的氣動性能目標。

在優化策略中，采用了CFD 軟件進行多次仿真，對每種設計變更進行評估［4］，系統地評估各種配置下的氣動效果。此外，結合優化算法，如遺傳算法，找出最佳的設計組合，這種方法可以在廣泛的設計空間內搜索最優解，從而有效減少試錯成本和時間。

為了確保優化設計的實際應用性和優化效果，綜合考慮了車輛的整體性能，如穩定性、制造成本和視覺美觀性。這種優化不僅局限于提高氣動效率，還要確保車輛在實際行駛中的整體性能和乘客的舒適度［5］。通過這些綜合考慮的方法和策略，旨在開發出既高效又具有市場競爭力的新能源汽車。

3. 2 不同優化設計方案的性能比較

在優化新能源汽車車身氣動性能的過程中，對幾種關鍵設計方案進行了詳細的性能比較。通過CFD 模擬，評估不同車身形狀、前臉設計和尾部改動對氣動阻力系數和升力系數的影響。3 種主要優化設計方案的模擬結果見表1。

從表1 可以看出，與基線模型相比，所有優化方案均有效降低了汽車的氣動阻力系數和升力系數。特別是在方案3 中，氣動阻力系數和升力系數均得到了顯著改進，其通過同時調整前臉和尾部設計，實現了最佳的氣動效果，氣動阻力系數降低了12.5%，升力系數也轉為負值，這意味著該設計優化后的汽車在高速行駛時能提供更好的穩定性。由此可見，通過精確的氣動設計調整，能夠顯著提高新能源汽車的氣動性能，降低能耗并增強行駛穩定性，也給未來的車身設計提供了有力的數據支持。

3. 3 選定最優方案并進行詳細分析

經過對上述設計方案的綜合評估，方案3 被選為最優方案。該方案綜合考慮了前臉和尾部的調整，旨在最大限度減少氣動阻力的同時增加穩定性。

優化設計的評價指標公式如下：

式中：C_總效為總氣動效率。這個公式通過組合氣動阻力和升力的影響，提供了一個量化新能源汽車整體氣動性能的方法。

使用上述公式計算每種方案的總氣動效率，結果見表2，從而更全面地評估汽車的氣動性能。

由表2 可知，方案3 得出了最低的氣動阻力系數和負升力系數，其總氣動效率也是最優的。這表明綜合優化方案在提升行駛穩定性的同時，有效減少了能源消耗，這對新能源汽車的綜合性能提升至關重要。

4結語

本研究通過CFD 方法系統分析新能源汽車的車身氣動性能。結果顯示，通過模擬分析，獲得了車身設計中影響氣動阻力和升力的關鍵因素。在多個設計方案中，考慮了前臉和尾部調整的綜合優化方案（方案3）表現出最佳的氣動性能，實現了氣動阻力系數的顯著降低和升力系數的改善。此外，敏感性分析揭示了車身形狀、前臉和尾部設計的微調對整車氣動效率的顯著影響。同時，通過對比不同設計方案，本研究不僅優化了車輛的氣動特性，還提升了其能源效率和行駛穩定性。

通過精確的氣動模擬和優化，可降低車輛的能耗，從而提升整體能效，這對于符合環保要求和提高市場競爭力至關重要。經過本研究優化后的車輛設計能夠提供更低的氣動阻力和更好的高速穩定性，進而增強了用戶的駕駛體驗。此外，所提出的優化方法和策略可以廣泛應用于新能源汽車行業中，為未來車型的氣動設計提供科學依據和參考。