秦 鵬，詹 佳，李崢崢

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

前言

在整車的研發(fā)過程中，氣動開發(fā)是其中的重要部分，降低整車阻力系數(shù)，可有效提升整車燃油經濟性。在當前國內油耗法規(guī)越來越嚴格的背景下，較低的整車風阻系數(shù)可獲得更好的燃油經濟性，且相對于發(fā)動機技術改進和輕量化等措施，改善整車的氣動阻力系數(shù)，是整車開發(fā)中降低整車平均油耗比較經濟的方法，因此如何降低整車氣動阻力，是整車開發(fā)中面臨的重要問題［1-4］。

一般來說，汽車行駛速度達到60～70 km／h以上時，氣動阻力便會貢獻一半以上的行駛阻力，而整車的氣動阻力約有70%是來源于造型導致的前后壓差阻力，其中上車身引起的風阻可占到整車阻力的50%，而其中尾部對上車身阻力的貢獻量達到90%以上［1-2，5-8］，尤其是 MPV車型。

國內外對于MPV這種方正的尾部造型的車型有大量的降阻研究，但研究主要以單參數(shù)的仿真優(yōu)化為主，與風洞試驗相結合的研究較少，且缺乏對降阻原因的分析［9-11］。

本文是在上汽通用的某MPV項目的氣動開發(fā)過程中，通過風洞試驗對該MPV車型尾翼零件的造型，包括尾翼本體和側面飾板，結合試驗設計的優(yōu)化方法進行了多參數(shù)的氣動性能優(yōu)化，取得了較好的減阻效果。之后通過仿真分析對比優(yōu)化前后整車的壓力分布和關鍵區(qū)域的流場變化，研究在尾部區(qū)域造型優(yōu)化后整車氣動阻力降低的原因。

1 風洞試驗方案

本文中研究對象為某MPV車型的尾翼零件，它由尾翼本體和側面的兩個飾板組成，其中本體為一個零件，側飾板左右對稱。風洞試驗中，結合試驗設計的方法，針對這兩個零件的尺寸和周圍零件的約束，設定了3個控制因子，分別是尾翼的高度、尾翼的長度和側飾板的位置。其中尾翼的高度是指尾翼末端在Z方向的位置，用來控制車頂離去角；尾翼長度是尾翼末端在X方向位置；側飾板位置指的是飾板的分離邊在X方向位置，各個控制因子在車上零件的位置示意圖如圖1所示。

圖1 控制因子示意圖

基于上述選擇的3個控制因子，結合試驗設計，選擇L9正交列表來進行風洞試驗的方案設計。L9正交列表要求將控制因子分別設置3水平的變量，結合開發(fā)過程中尾部的部分風洞試驗結果，在滿足整車在工程尺寸和內部布置空間要求的前提下，尾翼高度方向設置為降低尾翼末端高度，并保持尾翼和車頂分縫線（見圖1中車頂淺色線）之前區(qū)域不動，設置變量 A1、A2和 A3，數(shù)值分別為-5、-10和-15 mm；將尾翼長度變化為尾翼末端沿尾翼本體型面向后延伸，設置變量為B1、B2和B3，數(shù)值分別為0、20和40 mm，側面飾板位置則是沿X方向向后延伸，設置變量為C1、C2和C3，數(shù)值分別為20、40和60 mm。表1為各個控制因子和各水平變量的參數(shù)表。

表1 控制因子和各水平變量 mm

2 風洞試驗測試與結果分析

2.1 風洞試驗測試

研究中的油泥模型風洞試驗在同濟大學地面交通工具風洞中心進行。該風洞配備了組合式邊界層控制系統(tǒng)，包括水平抽吸、基礎抽吸和切向射流，因而提高了近地面的氣流速度，較好地保證了車身周圍的氣流特別是車底氣流與車輛相對運動狀態(tài)的真實性和試驗結果的準確性。

模型通過4根支桿固定在天平上，天平系統(tǒng)通過4根支桿和4個車輪移動帶測量試驗車輛所受到的氣動力和力矩。試驗過程中，中央移動帶和車輪移動帶皆以試驗風速運轉，以模擬地面效應和實現(xiàn)車輪轉動，即俗稱的五帶系統(tǒng)。中央移動帶和車輪移動帶之間的地面是固定的，靠噴口前后的邊界層處理系統(tǒng)來減小邊界層的影響，該風洞氣動阻力的測量精度可達 0.005%［5，12］。

風洞試驗使用的全尺寸整車油泥模型如圖2所示。它使用ABS和高密度泡沫等材料制作樣件，并使用部分實車零件來模擬整車的前艙和下車體狀態(tài)；上車體部分采用油泥加工出外形，便于在風洞中對造型進行直接的修改。車輪同樣使用實車零件，試驗中車輪按設置的試驗風速高速旋轉，更真實地模擬實車行駛狀態(tài)。

圖2 風洞試驗中的油泥模型

試驗過程中，在獲取整車的基準阻力值后，根據DOE設計的試驗方案，直接在油泥模型上對各個控制因子進行修改，表2為風洞試驗過程中根據正交列表設計的試驗方案，圖3為部分風洞試驗方案的油泥模型，模型修改后直接測量模型的整體阻力變化。整個風洞試驗中，試驗方案按照尾翼高度進行排序，避免在試驗過程中需要反復調整尾翼高度，節(jié)省試驗時間。

表2 正交列表設計的試驗方案 mm

圖3 部分方案的油泥模型

2.2 試驗結果與分析

試驗結果即各個試驗方案相對原始方案的阻力變化值，如表3所示。由表可見，相比原始造型，表中方案4使整車阻力降低最大，達到了11.8 N。

通過DOE優(yōu)化方法，對控制因子的各個水平的平均值進行分析可得預測的最優(yōu)方案，圖4為最優(yōu)方案的預測。由圖可見：整車阻力隨著尾翼的長度增加而降低，基本呈線性變化；側面飾板位置和尾翼高度與整車阻力之間則是先降低后增加，最優(yōu)值落在取值區(qū)間內的中間，而并非在兩端。

表3 風洞試驗測試結果

圖4 最優(yōu)降阻方案的預測

由圖4可以預測A2B3C2的組合為最優(yōu)的參數(shù)組合，即尾翼高度降低 10 mm，尾翼長度增加40 mm，側飾板位置向后40 mm。

風洞試驗結果顯示，最優(yōu)方案相比原始方案可降低整車阻力13.2 N，整車的降阻效果達到2.9%左右。

3 仿真研究和結果分析

3.1 仿真研究

本文仿真研究中，對原始方案的網格通過變形的方式再現(xiàn)試驗中最優(yōu)方案的狀態(tài)，之后采用Fluent軟件對優(yōu)化前后的整車模型進行了仿真計算，并研究了整車阻力變化的原因。

在仿真模型方面，計算域采用長方體形式，計算域入口距車頭距離為1倍車長，出口距車尾距離為3倍車長，總體寬度為5倍車寬，高度為4倍車高，計算域總體積為21 m×10 m×6 m。車身表面采用2～10 mm的三角形面網格，計算域使用三棱柱+四面體網格來進行離散，整體網格數(shù)量約為4 000萬。

仿真模型保留了前艙和底部零件的細節(jié)特征，同時使用與油泥模型一致的車輪模型，避免車輪部分不一致產生的誤差，圖5為仿真模型示意圖。

圖5 仿真模型示意圖

仿真模型中在計算域入口域設置30 m／s的速度入口，對應風洞測試噴口氣流速度，湍流度選擇0.5%；出口為壓力出口邊界，車身表面設置為無滑移壁面邊界條件，在 Condenser、CAC和 Radiator區(qū)域采用多孔介質參數(shù)。車輪部分在文獻［5］中研究的基礎上采用了MRF與旋轉壁面結合的方式來模擬車輪區(qū)域的流場，其中輪轂部分使用MRF，輪胎壁面設置為旋轉壁面，在仿真中模擬車輪區(qū)域的旋轉，進一步降低仿真誤差。

在湍流模型方面，由于仿真研究中的車速設置為30 m／s，速度較低，按照不可壓縮流體進行計算。由于汽車的外型比較復雜容易引起分離，所以按照湍流處理，仿真中選用Realizable k-e湍流模型，采用2階迎風格式進行離散求解，且采用穩(wěn)態(tài)仿真的方式進行數(shù)值計算［4］。

3.2 仿真結果與試驗的對比

表4為仿真與試驗結果的對比。由表可見：試驗與仿真在整車阻力上的誤差在1.5%左右；仿真結果顯示，與原始方案相比，最優(yōu)方案使整車阻力降低了13.7 N，與試驗的降阻效果接近，僅有0.5 N的差異。

表4 整車阻力的仿真與試驗結果對比

本文中通過使用相同的整車數(shù)據減少與油泥模型之間的數(shù)據差異，且使用MRF+sliding wall方式實現(xiàn)車輪旋轉的模擬，大大減小了仿真與試驗之間的誤差。但仿真模型與油泥模型的差異仍然存在，比如油泥模型上前艙部分的油泥厚度等未在仿真模型中體現(xiàn)，另外在仿真中車輪在實際轉動中被壓縮的情況也無法實現(xiàn)，以及仿真中湍流模型計算本身的誤差，使仿真與試驗仍有一定的誤差，但與一般誤差為3%～5%相比，1.5%左右的誤差還是令人滿意的。

3.3 壓力分布和流場的對比

圖6為原始造型和最優(yōu)方案的車身尾部壓力分布，其中左側為優(yōu)化后方案，右側為原始造型方案，之后各圖均為相同排列。由圖可見，前端和中間區(qū)域的壓力分布變化不明顯，但尾部的壓力分布發(fā)生了明顯的變化，尾翼優(yōu)化后，雖然在尾翼和側飾板（圖中小方框1處）上，負壓區(qū)域的面積有所增加，但后風窗和尾門下端（圖中小方框2處）上的壓力明顯增大。圖7為車底尾部壓力分布，由圖可見，在底部后端的壓力分布也有明顯的變化，油箱后端（圖中小方框1處）的負壓面積明顯減小，后地板前端（圖中小方框2處）的高壓區(qū)域也得到了明顯改善。

圖6 車身尾部壓力云圖

圖7 車底尾部壓力云圖

圖8 Y＝0截面流線圖對比

圖8 為車尾部Y＝0截面的流線圖對比，圖9為尾部Y＝0截面的速度云圖對比。由圖8可見，尾部優(yōu)化后，尾部上端的渦流強度增加，在一定程度上壓縮了下端渦流的面積，且上端渦流的核心區(qū)域也更接近車身。由圖9可見，優(yōu)化后速度較低的渦流區(qū)域的面積也明顯減小。圖10為車身橫截面的流線圖，圖11為車身橫截面的速度云圖。由圖可見，尾部流場的變化使尾部壓力分布得到改善。

圖9 Y＝0截面速度云圖對比

圖10 車身橫截面流線圖對比

圖11 車身橫截面速度云圖對比

3.4 整車阻力變化和分析

本文研究中將整車按照各個子系統(tǒng)分成上車體、車身、底盤零件、前艙零件和車輪5個區(qū)域。表5為整車各區(qū)域優(yōu)化前后阻力變化值。通過對比整車各區(qū)域的阻力變化可以發(fā)現(xiàn)，在尾翼優(yōu)化前后，阻力變化的區(qū)域是上車體和車身，其次是底盤零件，而其他部分變化不大。

表5 整車各區(qū)域優(yōu)化前后阻力變化值 N

表6和表7為上車體和車身阻力變化的分解。由表可見，阻力變化最大的區(qū)域都集中在尾部，其中上車體尾部阻力降低達到了10.3 N，是整車阻力降低最大貢獻區(qū)域，后地板區(qū)則降低了3.0 N。

其他區(qū)域未列表細化。底盤零件總體阻力雖降低了2.2 N，但各個零件之間的單獨變化相對較小，最大的油箱也僅有-0.5 N的變化，而前艙零件的變化更小，甚至不足±0.1 N。

表6 上車體各部分阻力變化 N

表7 車身各部分阻力變化 N

輪胎部分前輪優(yōu)化后阻力增加了1.1 N，后輪則降低了0.5 N，后輪的降低可認為是尾部流場的改善所致，但前輪阻力的增加卻在意料之外，因為從壓力云圖來看，尾部流場的影響對于前端區(qū)域微乎其微。這部分的變化可能是由于雖然在仿真中使用MRF的方式模擬車輪旋轉，但本身輪胎壓縮的情況無法在仿真中體現(xiàn)，從而使實際車輪區(qū)域的模型誤差較大，總之原因有待進一步的研究。

整車各區(qū)域的阻力變化基本和壓力分布變化的結果吻合，結合前面壓力云圖的變化不難得出，尾翼的優(yōu)化主要還是通過優(yōu)化上端的造型改變了尾部區(qū)域的流場結構，減小了尾部分離區(qū)的面積，使分離渦更靠近車身區(qū)域，從而在一定程度上增加了整車的尾部壓力，且這部分影響不僅僅局限于上車體后端，下車體后端的壓力分布也同樣得到了改善。因此在前端壓力變化不大的情況下，后端壓力的增加大大減小了整車前后的壓差阻力，從而使整車阻力大大降低。

4 結論

本文中通過對某MPV尾翼零件進行風洞試驗，優(yōu)化了尾翼的3個參數(shù)，包括尾翼高度與長度和尾翼側飾板位置，獲得了該MPV尾部對于整車阻力的最優(yōu)造型方案，并對優(yōu)化前后的模型進行了仿真分析，通過對整車各區(qū)域阻力變化和關鍵區(qū)域的壓力分布和流場結構的對比，研究了優(yōu)化前后整車氣動阻力改善的原因。

通過試驗和仿真的研究，可得出以下結論：

（1）尾翼的優(yōu)化主要是改善了上車身尾部和下車體的后地板區(qū)域的壓力分布，而對整車前端的壓力影響較小；

（2）在一定范圍內MPV車型尾翼的長度越長，整車阻力相對越低；

（3）尾翼高度和側面飾板位置，存在最優(yōu)位置，與整車阻力并非線性變化關系；

（4）尾部優(yōu)化應通過優(yōu)化造型，盡可能使尾部分離區(qū)域貼近車身，以利于提高尾部的壓力分布，從而降低整車阻力；

（5）適當增加尾部上端渦流的強度，壓縮尾部下端的渦流面積，有利于降低整車阻力。