王俊陳如意

（重慶長安汽車股份有限公司汽車研究總院，重慶401120）

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某SUV車身風(fēng)阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王俊陳如意

（重慶長安汽車股份有限公司汽車研究總院，重慶401120）

【摘要】采用CFD方法進(jìn)行了某車身風(fēng)阻分析和優(yōu)化。在實(shí)際車型研發(fā)過程中，通過對(duì)某SUV前保險(xiǎn)杠下部、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車頂、后輪輪眉、背部造型和A柱等部位的仿真計(jì)算來揭示其優(yōu)化原理和改進(jìn)效果，并通過油泥模型和工裝樣車的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了部分方案的驗(yàn)證，以確定分析精度和方案有效性。通過對(duì)這些車身部位的分析和優(yōu)化，顯著降低了該車的風(fēng)阻系數(shù)。

1　空氣動(dòng)力學(xué)分析方法介紹

為了優(yōu)化整車空氣動(dòng)力學(xué)性能，將整車空氣動(dòng)力學(xué)分析分為3個(gè)階段：

a.在創(chuàng)意草圖前期，可以聯(lián)合總布置對(duì)車身中截面進(jìn)行優(yōu)化分析，共同確定各個(gè)硬點(diǎn)位置，輸出給造型作為約束。

b.在造型階段，前期工作重點(diǎn)在于對(duì)標(biāo)選型，以確定一款性能較優(yōu)的空氣動(dòng)力學(xué)車身造型；在確定其中一款造型后至車身造型A面數(shù)據(jù)凍結(jié)之前，對(duì)上車體風(fēng)阻的分析和優(yōu)化是關(guān)注的重點(diǎn)。

c.車身A面數(shù)據(jù)凍結(jié)至生產(chǎn)工裝樣車期間，以發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流控制及底盤封裝為主，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)來確定最優(yōu)組合方案[1]。

在車身A面數(shù)據(jù)凍結(jié)至生產(chǎn)工裝樣車期間，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流管理和底盤封裝的技術(shù)方案較為固定，降阻效果明顯，國內(nèi)應(yīng)用較為常見，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]便是對(duì)前擾流器的研究和應(yīng)用。要進(jìn)一步提高空氣動(dòng)力學(xué)性能，必須在第2階段進(jìn)行車身優(yōu)化。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用遺傳算法對(duì)阻力和升力進(jìn)行優(yōu)化，文獻(xiàn)[5]基于響應(yīng)面方法對(duì)某SUV進(jìn)行優(yōu)化，文獻(xiàn)[6]應(yīng)用Adjoint方法對(duì)一輛低風(fēng)阻跑車進(jìn)行風(fēng)阻優(yōu)化，這些優(yōu)化或多或少存在著計(jì)算容易發(fā)散、分析周期過長、計(jì)算機(jī)硬件資源消耗過大和無法繼承分析者優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)等問題，難以滿足實(shí)際工程研發(fā)對(duì)快速響應(yīng)的需求。

本文在某車型實(shí)際研發(fā)周期中，總結(jié)了第2階段的空氣動(dòng)力學(xué)分析中對(duì)車身采用的優(yōu)化措施及對(duì)應(yīng)的優(yōu)化幅度，并進(jìn)行了油泥模型和工裝樣車的風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保分析方法的正確性和優(yōu)化方案的有效性。

2　研究方法

首先將CAD模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行部件分組和面處理，以對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸劃分面網(wǎng)格；其次將該面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM＋后，建立尺寸為11L（車長）×9W（車寬）×4.5H（車高）的求解域，控制分析模型的阻塞比為2.5 %（低于5 %），其進(jìn)口距車身前端為3L，出口距車身后端為7L，以保證汽車尾流區(qū)充分發(fā)展；再對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行包面處理，手工提高面網(wǎng)格質(zhì)量避免計(jì)算發(fā)散；最后設(shè)置多個(gè)局部加密區(qū)后劃分成Trim體網(wǎng)格單元。

造型前期采用簡化平底盤模型，下車體為平面，封閉全部進(jìn)氣格柵，無發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)模型，對(duì)應(yīng)于造型油泥風(fēng)洞試驗(yàn)。項(xiàng)目后期采用整車全細(xì)節(jié)模型，包含具體的底盤模型和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)模型，冷卻模塊采用多孔介質(zhì)模型模擬，其阻力參數(shù)由零部件測試數(shù)據(jù)擬合得到，對(duì)應(yīng)于工裝樣車風(fēng)洞試驗(yàn)，其網(wǎng)格布局如圖1所示。

圖1　整車模型的中截面網(wǎng)格布局

設(shè)定模型入口風(fēng)速為100 km/h，出口為壓力出口邊界條件，環(huán)境溫度為20℃，空氣密度為1.205 kg/m3，湍流模型為Realizable K-Epsilon模型，差分格式為2階迎風(fēng)格式。Realizable K-Epsilon模型引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，可以有效用于不同類型的流動(dòng)模擬。

使用網(wǎng)格處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)模型的修改，包括使用網(wǎng)格變形軟件進(jìn)行局部變形，重新導(dǎo)入軟件進(jìn)行部件網(wǎng)格替換及縫合修改，再重新劃分體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

3　簡化模型下的風(fēng)阻優(yōu)化

3.1前保險(xiǎn)杠下部優(yōu)化

如圖2所示，將前保險(xiǎn)杠下部沿車身長度方向X軸正向壓縮變形50 mm，避免形成平直的迎風(fēng)面。此外，該方案同時(shí)能夠增大車輛接近角，提高通過性能。

圖2　前保險(xiǎn)杠下部形狀的修改

壓力系數(shù)和分離區(qū)的變化（圖3）顯示，此方案可以降低前保險(xiǎn)杠下部附近的正壓范圍及其壓力數(shù)值，從而降低壓差阻力。從分離區(qū)的變化來看，新方案的前保險(xiǎn)杠下緣分離區(qū)變小，能量損失獲得一定程度改善。該方案可以使風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到4.0counts。

圖3　壓力系數(shù)和分離區(qū)的變化

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置允許的情況下，盡量壓低發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端，增大發(fā)動(dòng)機(jī)罩傾角，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩與風(fēng)窗玻璃的夾角，達(dá)到降低氣動(dòng)阻力、升力的效果[7]。如圖4所示，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端下壓（-Z向）8 mm且內(nèi)收（+X向）20 mm，末端上抬（+Z向）20 mm。該方案將發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)擋的夾角減小至2°，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣進(jìn)行了改型。

關(guān)于“日常使用的文本處理軟件”，多數(shù)老師235名老師(97.11%)對(duì)文本處理軟件是比較熟悉的，能夠順利進(jìn)行多媒體課件的開發(fā)和多媒體資源的整合利用。這是多媒體課堂能夠有效開展的先決條件。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)罩形狀的修改

從圖5的速度分布圖來看，新方案發(fā)動(dòng)機(jī)罩上的分離區(qū)變小，氣流能更加緊貼發(fā)動(dòng)機(jī)罩向前風(fēng)擋流動(dòng)，其前風(fēng)擋下端的低速區(qū)域變??；當(dāng)氣流在前風(fēng)擋上端重新開始附著，并在車頂前端達(dá)到最高速度，新方案在此處的速度高于原方案，可見新方案使氣流流動(dòng)得更加順暢，能量損失更小。從圖5的壓力系數(shù)分布圖可以看出，新方案的前風(fēng)擋上壓力增加，同時(shí)上格柵上部的正壓明顯減弱，該兩處壓力的變化引起壓差阻力的改變，此處修改可以降低風(fēng)阻系數(shù)5.0counts。

圖5　速度分布和壓力系數(shù)的變化

3.3車頂弧度優(yōu)化

為使氣流平順地流過車頂，降低風(fēng)阻系數(shù)，在滿足乘員艙空間要求下，車頂外形應(yīng)選擇合適的上撓系數(shù)，圖6中Lr為頂蓋上撓的縱向跨度，ar為上撓的距離[8]。通過測量發(fā)現(xiàn)，原方案的上撓系數(shù)為0.04，需要將車頂上拉（+Z向）40 mm，以接近上撓系數(shù)的最佳值0.06，同時(shí)獲得更佳的乘員頭部空間。

圖7為修改前、后的中截面速度分布對(duì)比，從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車頂上拉40 mm增加上撓度以后，位置Ⅰ的等速度區(qū)域變小，而位置Ⅱ的等速度區(qū)域變得狹長并向車后發(fā)展，表明氣流能夠向車后方更加順暢的流動(dòng)。從風(fēng)阻系數(shù)來看，車頂上拉20 mm和40 mm后，風(fēng)阻系數(shù)分布降低1.0counts和1.5counts，由此可知，上撓系數(shù)越接近0.06，風(fēng)阻系數(shù)降低越多。

3.4后輪輪眉優(yōu)化

若后輪不需要轉(zhuǎn)向功能，為了最大程度降低風(fēng)阻系數(shù)，某些車型會(huì)將后輪隱藏在車體內(nèi)部，如大眾超級(jí)節(jié)能車XL1。但是，大多數(shù)情況下為了造型美觀，后輪側(cè)面不可能封閉在車身內(nèi)，可將后輪輪眉適當(dāng)外拉（-Y向）以避免輪胎面受到氣流的直接沖擊。后輪輪眉優(yōu)化方案如圖8所示，將后輪輪眉后邊線外拉20 mm，以更好地遮擋后輪，同時(shí)與輪眉前端形成更大的斜面用于引導(dǎo)氣流避開車輪。

3.5造型風(fēng)洞試驗(yàn)

在上海地面交通工具風(fēng)洞中心（SAWTC）對(duì)該車油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。SAWTC回流式實(shí)車風(fēng)洞的噴口面積約為27 m2，測試風(fēng)速為25～250 km/h，測試段長度為15 m，駐室體積（W×L×H）為17 m×22 m×12 m。油泥模型與CFD分析模型保持一致，底盤為簡化平面，封閉全部進(jìn)氣格柵。

圖6　車頂?shù)男薷姆桨?/p>

圖7　修改前、后中截面速度分布變化

圖9　輪骨外拉后壓力系數(shù)對(duì)比

圖8　后輪輪眉優(yōu)化示意

對(duì)基礎(chǔ)造型的風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行測試，得到計(jì)算與試驗(yàn)的誤差為+1.8 %，計(jì)算值略大一些。對(duì)后輪輪眉方案進(jìn)行風(fēng)阻測試發(fā)現(xiàn)，輪眉外拉20 mm可以降低風(fēng)阻系數(shù)3.0counts，與CFD計(jì)算結(jié)果非常吻合。因此，本文采用的計(jì)算模型、網(wǎng)格分布和分析參數(shù)等滿足設(shè)計(jì)精度的要求，能夠保障其他方案計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4　整車模型下的風(fēng)阻優(yōu)化

4.1背部造型優(yōu)化

涉及到影響尾部氣流的方案需要在整車模型下進(jìn)行分析，包括后擾流板、尾部側(cè)擾流器、后保險(xiǎn)杠改型和背部造型等。如圖10所示，分別將背部沿X軸壓縮或拉伸60 mm，考察背部造型風(fēng)格對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響。

圖10　背部造型優(yōu)化方案描述

圖11為各方案中截面速度分布和壓力分布，從中可以看出，新方案A（外拉60 mm）的上下對(duì)渦明顯，上尾渦在車身長度X方向變小，下尾渦基本不變，但是靠近背部的低速區(qū)范圍變大，而新方案B（內(nèi)壓60 mm）的整個(gè)尾渦范圍變大，但尾渦區(qū)速度較大，且靠近背部的低速區(qū)范圍變小。從圖11的壓力分布圖可以看出，新方案A的背部上部分區(qū)域壓力降低，而新方案B的整個(gè)背部區(qū)域壓力增大。背部壓力的變化，直接反映壓差阻力的變化，而壓差阻力對(duì)風(fēng)阻起到更為明顯的作用。新方案A風(fēng)阻系數(shù)增加3.0counts，而新方案B風(fēng)阻系數(shù)降低12counts，由此可知較為平直的背部造型有利于降低風(fēng)阻。

4.2A柱優(yōu)化

在項(xiàng)目后期對(duì)原方案A柱斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)該車型A柱前沿的第Ⅰ段平面很窄，第Ⅱ段接近平面而無上擾度，如圖12所示。同時(shí)發(fā)現(xiàn)其A柱的斷差過大，整體斷差約為22 mm，而且該A柱無裝飾條，這種結(jié)構(gòu)非常容易使A柱氣流分離，增大分離區(qū)范圍，使能量損失嚴(yán)重，風(fēng)阻增加。

圖11　各方案中截面速度分布和壓力分布

對(duì)A柱進(jìn)行改型和減小與前風(fēng)擋的斷差是有效的解決方案，但是由于在項(xiàng)目后期才發(fā)現(xiàn)該問題，只能通過在A柱附近增加高度×寬度為18 mm×20 mm的裝飾條用于改善氣流分離，新方案如圖13所示。

圖12　原方案A柱的斷面結(jié)構(gòu)　圖13　新方案A柱的斷面結(jié)構(gòu)

其分離區(qū)變化如圖14所示，新方案使得A柱分離區(qū)有所減小，能量損失減少，風(fēng)阻系數(shù)降低3.5counts。裝飾條方案相當(dāng)于在A柱前端增加一段平面，用于擴(kuò)展第Ⅰ段平面，使氣流延遲分離。

圖14　A柱優(yōu)化后分離區(qū)變化

4.3整車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

在SAWTC進(jìn)行了工裝樣車風(fēng)洞測試，經(jīng)過試驗(yàn)測試可知，A柱優(yōu)化方案風(fēng)阻系數(shù)降低4.3counts，與CFD計(jì)算趨勢一致。基礎(chǔ)方案的計(jì)算值與試驗(yàn)誤差非常小，在5counts以內(nèi)。增加A柱裝飾件后計(jì)算與試驗(yàn)誤差有輕微增加，約為5counts。通過對(duì)比表明，CFD計(jì)算值的精度非常高。

5　減阻方式和效果確認(rèn)

針對(duì)上述優(yōu)化方案，匯總其減阻方式及減阻效果如表1所示，其中，“√”表示有改進(jìn)，“-”表示未起作用，“×”表示會(huì)變差。從減阻方式來看，方案1和方案2對(duì)形狀阻力和渦流阻力均有優(yōu)化，其表面的正壓減小，使得壓差阻力減小，同時(shí)氣流分離區(qū)減小，氣流能量損失減小。方案3通過改變外形使氣流更順暢地流過其表面，降低了形狀阻力中的摩擦阻力。方案4通過后輪輪眉前沿的導(dǎo)流設(shè)計(jì)避免氣流對(duì)車輪的直接沖擊，雖然輪眉本身的差壓阻力會(huì)增加，但是會(huì)更明顯地降低車輪輪胎的壓差阻力，同時(shí)減少氣流進(jìn)入到輪罩內(nèi)的渦流區(qū)。方案5雖然尾渦區(qū)域有所增加，但是背部壓力明顯增加，通過降低壓差阻力，減阻效果明顯。因?yàn)閴翰钭枇Φ?1%來自車身后部[7]，因此對(duì)車身背部形狀的研究就顯得尤為重要。方案6主要通過延遲氣流分離，減小A柱渦流區(qū)域，降低渦流阻力，減少氣流動(dòng)能損失。

表1　各方案的減阻方式及其減阻效果

上述6個(gè)方案累計(jì)降低風(fēng)阻系數(shù)約29counts。但必須指出的是，將這些降阻方案組合使用時(shí)的優(yōu)化效果并不是線性疊加，需要進(jìn)行方案之間相互影響的研究。

參考文獻(xiàn)

1王俊,龔旭,等. CFD技術(shù)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù), 2013, 451（4）:14～17.

2肖能,王小碧,王偉民,等.前擾流板對(duì)機(jī)艙進(jìn)氣量和車輛氣動(dòng)阻力的影響研究.汽車工程, 2014, 36（10）:1254～ 1257.

3趙亞芳,尹章順,居小敏,等.Air Dam對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響.汽車工程, 2014, 36（10）:1258～1261.

4韋甘,楊志剛,李啟良,等.基于改進(jìn)的Pareto遺傳算法的車身氣動(dòng)多目標(biāo)優(yōu)化.汽車工程, 2014, 36（10）:1243～ 1247.

5Sun, S., Chang, Y., Fu, Q., Zhao, J. et al., "Aerodynamic Shape Optimization of an SUV in early Development Stage using a Response Surface Method," SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 7（4）:2014, doi:10.4271/2014-01-2445. 6 Taeyoung Han, Shailendra Kaushik, Ronald Gin, Emmanuel Bot, "Adjoint Method for Aerodynamic Shape Improvement, "SAE Technical Paper, 2012, 2012-01-0167.

7傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006:36～ 37.

8 Wolf-Heinrich Hucho. Aerodynamics of Road Vehicles (Fourth Edition). Society of Automotive Engineers, Inc. , 1998.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2016年1月1日。

Research on Aerodynamic Design Optimization of a SUV Body

Wang Jun, Chen Ruyi

（Changan Auto Global R&D Center, Changan Automobile Co. Ltd, Chongqing 401120）

【Abstract】In this paper, aerodynamics drag analysis and optimization of external body are made in CFD. In the actual vehicle development, the optimization principle and the improvement effect are revealed by the simulation of these body regions, i.e. the lower part of the front bumper, bonnet, roof, rear wheel arch, back section styling and A-pillar. Then, the clay model and real vehicle prototype are tested in wind tunnel to verify the partial solutions, to determine the accuracy of analysis and validity of this solution. Drag coefficient of this vehicle is reduced significantly by the analysis and optimization of these body regions.

Key words:SUV, Body, Drag coefficient, CFD, Wind tunnel test

中圖分類號(hào):U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）02-0019-04

主題詞:SUV車身風(fēng)阻系數(shù)CFD風(fēng)洞試驗(yàn)