梁立友

阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司, 北京 100000

1 概述

世界能源的危機(jī)，石油價(jià)格上漲，使得人們對(duì)汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高。同時(shí)人們對(duì)汽車的升力導(dǎo)致的操縱穩(wěn)定性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性和氣動(dòng)噪音、車尾揚(yáng)塵等問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，這些特性與汽車空氣動(dòng)力學(xué)息息相關(guān)。汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法主要有三種，道路試驗(yàn)法和風(fēng)洞試驗(yàn)法和計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）法。風(fēng)洞實(shí)測(cè)方法造價(jià)高、耗資大，而且試驗(yàn)周期長(zhǎng)；道路試驗(yàn)又受自然條件、交通狀況限制較多，也不容易得到準(zhǔn)確結(jié)果。CFD法近年來(lái)成了研究汽車流場(chǎng)主流工具?？梢栽谛萝囋O(shè)計(jì)初期造型階段進(jìn)行空氣動(dòng)力性能預(yù)測(cè)，為造型及工程人員優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，能夠隨時(shí)修改部件模型，而試驗(yàn)卻要受到很多限制，明顯節(jié)約物力、財(cái)力、縮短開(kāi)發(fā)周期。

本文應(yīng)用國(guó)際主流廠研究經(jīng)驗(yàn)，采用STAR-CD軟件，以SUV車型為例，通過(guò)對(duì)車身、局部要素進(jìn)行詳細(xì)的CFD仿真分析，提出優(yōu)化方案。

2 模型建立

2.1 基礎(chǔ)模型

造型初期階段，數(shù)字模型表面第一版生成，便立即開(kāi)展CFD分析，對(duì)此時(shí)模型考慮了如下簡(jiǎn)化：車身模型為半車身模型，忽略雨刮器；汽車前部上下格柵做封閉處理；對(duì)車身底部做了簡(jiǎn)化，沒(méi)有考慮小尺度的凸凹不平，只取了大尺度的高低凸凹。車身表面細(xì)節(jié)包括：門把手、后視鏡、天線、車輪、行李架、擾流板等信息。對(duì)車體各部件進(jìn)行編號(hào)，以便調(diào)試局部流場(chǎng)過(guò)程中進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

在STAR-CD軟件中對(duì)已建立的風(fēng)洞求解模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成體網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖1 表面靜壓（pa）分布

圖2 風(fēng)洞求解模型

風(fēng)洞求解模型分為大域、中間域、小域三個(gè)，域參數(shù)及網(wǎng)格尺寸見(jiàn)表1。

表1

整車模型網(wǎng)格利用人為干預(yù)按照敏感度設(shè)定不同網(wǎng)格尺寸，見(jiàn)表2。

表2

2.2 邊界設(shè)置

按風(fēng)洞試驗(yàn)情況設(shè)置邊界條件，特別是車底移動(dòng)帶位置及尺寸。計(jì)算中不考慮溫度的影響，邊界條件見(jiàn)表3。

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3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)分析，圖3所示為壓力分布圖，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)：車頭前部表面高壓區(qū)分布范圍比較合理，高壓區(qū)域恰好覆蓋機(jī)艙進(jìn)風(fēng)格柵和空氣室上飾板，有利于機(jī)艙進(jìn)風(fēng)和室內(nèi)通風(fēng)，但車身前部棱角鮮明處的剪切力較大，例如發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿和兩側(cè)、前大燈兩側(cè)、車身前端、保險(xiǎn)杠下沿及兩側(cè)、輪胎處、霧燈兩側(cè)、外后視鏡、A柱、前風(fēng)擋上端與頂蓋結(jié)合處，D柱、后尾燈等處，其他部位氣流流動(dòng)較為順暢。

從計(jì)算結(jié)果圖4初版表面模型的速度矢量場(chǎng)中看出氣流在車身尾部產(chǎn)生較多的渦流，且后方渦流范圍較大，加大了氣動(dòng)阻力。車身后部尾燈處的棱線比較分明，此處產(chǎn)生壓力系數(shù)為負(fù)值，同時(shí)剪切力也較高。經(jīng)過(guò)行李架的氣流在尾部沒(méi)有匯合入尾流中，不利于減小風(fēng)阻。

表4中涂陰影部位是與造型師一起協(xié)商挑選出在保持造型的整體格局下可以優(yōu)化的較敏感的部位。

4 改進(jìn)方案分析

4.1 優(yōu)化方向依據(jù)

據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)A柱前表面平滑的寬度設(shè)定在30mm以上，風(fēng)擋兩側(cè)的飾條斷差設(shè)定在10mm以下減小空氣阻力比較有利，如圖5所示；外后視鏡殼體轉(zhuǎn)角處R角控制在20mm以上，殼體內(nèi)側(cè)角度設(shè)計(jì)在4以上會(huì)對(duì)氣流及雨水走向有利，如圖6所示；后擾流板向下傾斜20、兩側(cè)邊緣向車體中間收15 對(duì)Cd貢獻(xiàn)最大，如圖7、圖8所示。

圖3 表面靜壓（pa）分布

圖4 速度截面圖

圖5 A柱含飾條斷差及形狀影響

圖6 外后視鏡推薦參數(shù)

圖7 擾流板傾斜θr的影響

圖8 擾流板傾斜θr的影響

4.2 改進(jìn)方案及結(jié)果

結(jié)合上述研究成果，對(duì)應(yīng)部位適當(dāng)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果Cd值約降低0.02，如表4所示。

擾流板優(yōu)化前為6°，優(yōu)化后向?yàn)?0°，車身尾部的渦數(shù)減少，且尾部渦流范圍明顯縮小。從擾流板處分離的氣流下壓趨勢(shì)也有所改善。

前風(fēng)擋玻璃優(yōu)化后貢獻(xiàn)較大，說(shuō)明原方案A柱附近造型風(fēng)阻較大。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)擾流板、后視鏡、前風(fēng)擋玻璃、A柱等局部流場(chǎng)開(kāi)展分析，可以在保持造型格局前提下，找到降低風(fēng)阻的方案。

（2）本文通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，風(fēng)阻系數(shù)減少了0.02。

（3）應(yīng)用CFD技術(shù)在汽車造型初始階段，即可開(kāi)始對(duì)造型進(jìn)行指導(dǎo)，在造型定型過(guò)程中伴隨服務(wù)，效率高、成本低。

（4）前人研究方向與計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致，可以作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)參考。

表4

[1]許志寶. 汽車外流場(chǎng)CFD模擬. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第30卷增刊,2007年12月

[2]劉芳，朱貞英，詹佳，門永新，趙福全. CDAJ-China. 中國(guó)用戶論文集,2011