李小梅，陳丹華，王田修，李書陽，龐崇劍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

空氣動力學特性是汽車的重要特性之一，直接影響到汽車的動力性、燃油經濟性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性[1]。汽車的氣動阻力與車速的平方成正比，氣動阻力所消耗的功率與燃油又與車速的立方成正比。通過汽車空氣動力學的研究來降低汽車氣動阻力、提高燃油經濟性。尤其汽車在高速行駛時，空氣動力性能會直接影響操縱穩(wěn)定性能和安全性能，所以對汽車空氣動力學進行研究是非常必要的。本文利用CFD數(shù)值模擬方法對某乘用車外流場進行了空氣動力學分析及優(yōu)化，并與風洞試驗結果進行對比。

1 理論基礎

流體流動要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

由三個守恒定律聯(lián)立得到N－S方程組，N－S方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律。目前工程上應用最廣泛的是雷諾時均N-S方程[2]：

其中i=1，2，3表示坐標三個方向，xi是坐標的三個分量。

在水平路面上等速行駛的汽車，驅動力全部用來克服滾動阻力和氣動阻力。假設汽車前后的滾動阻力相同，汽車的重力和氣動升力均勻分布在四個車輪上，則汽車的最大車速可表示為[3]：

其中Vmax為最高車速，F(xiàn)max為最大驅動力，G為車重，f為滾動阻力系數(shù)，A為汽車正投影面積，CD為汽車氣動阻力系數(shù)，CL為汽車氣動升力系數(shù)。

可見在最大驅動力時，車重及其它因素不變的情況下，最高車速取決于氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)。顯然減小氣動阻力系數(shù)可提高最高車速[3]。

2 仿真分析與優(yōu)化

2.1 有限元模型建立

計算模型為某小型乘用車，把整車模型按1∶1的比例導入到前處理軟件中建立三維模型，對車身模型進行簡化處理，整車模型基本包括所有對風阻有影響的大部件，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2.2 邊界條件設定

湍流模型使用K-E湍流模型，設定入口速度為35 m/s；出口壓力為0；地面為滑移壁面，速度為35 m/s；汽車表面為壁面邊界，壁面為絕熱非滑移壁面。

2.3 仿真結果及分析

觀察整車正面壓力云圖（圖2），由圖可知，車身前部的高壓區(qū)使車身前后的壓差阻力增大，嚴重影響整車阻力的降低。而前臉造型的流線型設計可以改善前部高壓區(qū)。

圖2 整車正面壓力云圖

觀察車身尾部壓力云圖（圖3），車身尾部壓力分布梯度較大，且整體壓力偏低，使整車前后壓力差增大，增大了空氣對汽車的阻力。

圖3 車身尾部壓力云圖

觀察對稱面速度流線圖（圖4），車體尾部產生一個很大的尾渦，且渦流向后方拉長，增大了整車阻力。尾部的造型優(yōu)化設計可明顯降低整車空氣阻力。

圖4 對稱面速度流線圖

2.4 造型優(yōu)化設計

2.4.1 造型優(yōu)化分析

從上述分析中可以看出車身前部及尾部造型設計對空氣阻力產生較大影響，故將前保側面、前檔玻璃上邊緣和擾流板做如下優(yōu)化：

（1）車身前部氣流的直接撞擊使前輪胎的正壓區(qū)較大，因此將前保側面及輪罩進行外擴處理，目的是保護前輪免受前方氣流的直接沖擊，從而減小前輪胎的正壓區(qū)，優(yōu)化方案如圖5。

圖5 前保優(yōu)化方案示意圖

（2）減小壓差阻力，可以通過增大前部負壓區(qū)來實現(xiàn)。頂蓋前端有明顯的負壓區(qū)，為增大該負壓區(qū)，上抬前檔玻璃上端和頂蓋前端，上抬距離為5 mm，優(yōu)化方案如圖6。

圖6 前輪罩優(yōu)化方案示意圖

（3）為改善尾部氣流流動，將頂蓋后半部分從前向后過渡向下壓10 mm。使車身頂部氣流和底部氣流在車尾達到一個平衡狀態(tài)，且減小尾部負壓區(qū)。優(yōu)化方案如圖7。

圖7 頂蓋優(yōu)化方案示意圖

（4）由整車速度流線圖看出，頂部氣流流經擾流板后在尾部形成大渦流，位置靠前且離后擋風玻璃近，增大了后檔風玻璃的負壓區(qū)，因此將后擾流板向后延長20 mm，優(yōu)化方案如圖8。

圖8 后擾流板優(yōu)化方案示意圖

2.4.2 優(yōu)化前后對比分析

根據優(yōu)化改進方案計算得出的結果表明：四次優(yōu)化改進均能較大降低整車氣動阻力系數(shù)。對比分析如下：

（1）前保及前輪罩優(yōu)化前后對比結果如圖9，發(fā)現(xiàn)前保及前輪罩優(yōu)化后，前輪胎的正壓區(qū)明顯變小，對降低整車壓差阻力非常有利。

圖9 前輪罩優(yōu)化前后結果對比

（2）頂蓋前端及前檔玻璃上緣優(yōu)化前后對比如圖10。優(yōu)化后，前端負壓區(qū)越大，車身前部后和尾部造成的壓差阻力越小，對降低整車風阻越有利。

圖10 頂蓋前端優(yōu)化前后結果對比

（3）頂蓋后端優(yōu)化前后結果對比如圖11，優(yōu)化后，尾部渦流變小且渦流形狀規(guī)則結構穩(wěn)定，尾部氣流得到很好的改善。

圖11 頂蓋后端優(yōu)化前后結果對比

（4）后擾流板優(yōu)化前后結果對比如圖12，優(yōu)化后，車身尾部壓力分布較均勻，且尾部整體壓力變大，有利于整車阻力的降低。

圖12 后擾流板優(yōu)化前后結果對比

3 試驗與驗證

仿真計算與風洞試驗結果對比如圖13所示，仿真分析結果與風洞試驗結果基本一致，誤差不大于3%，因此本文認為仿真分析可以滿足取代風洞試驗進行氣動阻力優(yōu)化設計研究的方法，而且仿真分析比風洞試驗成本更低，周期更短。

圖13 仿真優(yōu)化與風洞試驗結果對比

4 結論

通過整車三維建模對某乘用車型進行了計算流體力學數(shù)值仿真分析，全面評價了本車的氣動阻力性能，找出潛在的優(yōu)化改進區(qū)域，實現(xiàn)了計算流體力學數(shù)值仿真分析取代風洞試驗，成為乘用車型優(yōu)化氣動阻力性能的重要方法之一。

（1）通過外擴前保及前輪罩，使前輪胎的正壓區(qū)變小，總阻力系數(shù)降低了2.6%。

（2）通過上抬頂蓋前端及前檔玻璃上端，使該處負壓區(qū)變大，大大減小了前部后尾部造成的壓差阻力，總阻力系數(shù)降低了0.9%。

（3）通過降低頂蓋后端高度，使尾部渦流變小且渦流形狀規(guī)則結構穩(wěn)定，總阻力系數(shù)分別降低了0.9%。

（4）通過后延后擾流板，車身尾部壓力分布較均勻，總阻力系數(shù)分別降低了2.1%。優(yōu)化設計效果明顯。