秦 鵬，詹 佳，李崢崢

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

前言

在整車的研發(fā)過程中，氣動(dòng)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(jīng)濟(jì)性。在當(dāng)前國內(nèi)油耗法規(guī)越來越嚴(yán)格的背景下，較低的整車風(fēng)阻系數(shù)可獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，且相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改進(jìn)和輕量化等措施，改善整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)，是整車開發(fā)中降低整車平均油耗比較經(jīng)濟(jì)的方法，因此如何降低整車氣動(dòng)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(dá)到60～70 km／h以上時(shí)，氣動(dòng)阻力便會(huì)貢獻(xiàn)一半以上的行駛阻力，而整車的氣動(dòng)阻力約有70%是來源于造型導(dǎo)致的前后壓差阻力，其中上車身引起的風(fēng)阻可占到整車阻力的50%，而其中尾部對(duì)上車身阻力的貢獻(xiàn)量達(dá)到90%以上［1-2，5-8］，尤其是 MPV車型。

國內(nèi)外對(duì)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(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的研究較少，且缺乏對(duì)降阻原因的分析［9-11］。

本文是在上汽通用的某MPV項(xiàng)目的氣動(dòng)開發(fā)過程中，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)該MPV車型尾翼零件的造型，包括尾翼本體和側(cè)面飾板，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法進(jìn)行了多參數(shù)的氣動(dòng)性能優(yōu)化，取得了較好的減阻效果。之后通過仿真分析對(duì)比優(yōu)化前后整車的壓力分布和關(guān)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(dòng)阻力降低的原因。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)方案

本文中研究對(duì)象為某MPV車型的尾翼零件，它由尾翼本體和側(cè)面的兩個(gè)飾板組成，其中本體為一個(gè)零件，側(cè)飾板左右對(duì)稱。風(fēng)洞試驗(yàn)中，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，針對(duì)這兩個(gè)零件的尺寸和周圍零件的約束，設(shè)定了3個(gè)控制因子，分別是尾翼的高度、尾翼的長度和側(cè)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(cè)飾板位置指的是飾板的分離邊在X方向位置，各個(gè)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(gè)控制因子，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇L9正交列表來進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)。L9正交列表要求將控制因子分別設(shè)置3水平的變量，結(jié)合開發(fā)過程中尾部的部分風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，在滿足整車在工程尺寸和內(nèi)部布置空間要求的前提下，尾翼高度方向設(shè)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(dòng)，設(shè)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(shè)置變量為B1、B2和B3，數(shù)值分別為0、20和40 mm，側(cè)面飾板位置則是沿X方向向后延伸，設(shè)置變量為C1、C2和C3，數(shù)值分別為20、40和60 mm。表1為各個(gè)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(fēng)洞試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)測試

研究中的油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心進(jìn)行。該風(fēng)洞配備了組合式邊界層控制系統(tǒng)，包括水平抽吸、基礎(chǔ)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(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的真實(shí)性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)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(gè)車輪移動(dòng)帶測量試驗(yàn)車輛所受到的氣動(dòng)力和力矩。試驗(yàn)過程中，中央移動(dòng)帶和車輪移動(dòng)帶皆以試驗(yàn)風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)，以模擬地面效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，即俗稱的五帶系統(tǒng)。中央移動(dòng)帶和車輪移動(dòng)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(fēng)洞氣動(dòng)阻力的測量精度可達(dá) 0.005%［5，12］。

風(fēng)洞試驗(yàn)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(shí)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(fēng)洞中對(duì)造型進(jìn)行直接的修改。車輪同樣使用實(shí)車零件，試驗(yàn)中車輪按設(shè)置的試驗(yàn)風(fēng)速高速旋轉(zhuǎn)，更真實(shí)地模擬實(shí)車行駛狀態(tài)。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)中的油泥模型

試驗(yàn)過程中，在獲取整車的基準(zhǔn)阻力值后，根據(jù)DOE設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，直接在油泥模型上對(duì)各個(gè)控制因子進(jìn)行修改，表2為風(fēng)洞試驗(yàn)過程中根據(jù)正交列表設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，圖3為部分風(fēng)洞試驗(yàn)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(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)中，試驗(yàn)方案按照尾翼高度進(jìn)行排序，避免在試驗(yàn)過程中需要反復(fù)調(diào)整尾翼高度，節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

表2 正交列表設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案 mm

圖3 部分方案的油泥模型

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果即各個(gè)試驗(yàn)方案相對(duì)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(dá)到了11.8 N。

通過DOE優(yōu)化方法，對(duì)控制因子的各個(gè)水平的平均值進(jìn)行分析可得預(yù)測的最優(yōu)方案，圖4為最優(yōu)方案的預(yù)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(cè)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(nèi)的中間，而并非在兩端。

表3 風(fēng)洞試驗(yàn)測試結(jié)果

圖4 最優(yōu)降阻方案的預(yù)測

由圖4可以預(yù)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(cè)飾板位置向后40 mm。

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)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(dá)到2.9%左右。

3 仿真研究和結(jié)果分析

3.1 仿真研究

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

在仿真模型方面，計(jì)算域采用長方體形式，計(jì)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(jì)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(wǎng)格，計(jì)算域使用三棱柱+四面體網(wǎng)格來進(jìn)行離散，整體網(wǎng)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(xì)節(jié)特征，同時(shí)使用與油泥模型一致的車輪模型，避免車輪部分不一致產(chǎn)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(jì)算域入口域設(shè)置30 m／s的速度入口，對(duì)應(yīng)風(fēng)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(shè)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(zhì)參數(shù)。車輪部分在文獻(xiàn)［5］中研究的基礎(chǔ)上采用了MRF與旋轉(zhuǎn)壁面結(jié)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(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，在仿真中模擬車輪區(qū)域的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)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(shè)置為30 m／s，速度較低，按照不可壓縮流體進(jìn)行計(jì)算。由于汽車的外型比較復(fù)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(fēng)格式進(jìn)行離散求解，且采用穩(wěn)態(tài)仿真的方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算［4］。

3.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)的對(duì)比

表4為仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由表可見：試驗(yàn)與仿真在整車阻力上的誤差在1.5%左右；仿真結(jié)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(yàn)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(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文中通過使用相同的整車數(shù)據(jù)減少與油泥模型之間的數(shù)據(jù)差異，且使用MRF+sliding wall方式實(shí)現(xiàn)車輪旋轉(zhuǎn)的模擬，大大減小了仿真與試驗(yàn)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(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中被壓縮的情況也無法實(shí)現(xiàn)，以及仿真中湍流模型計(jì)算本身的誤差，使仿真與試驗(yàn)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(duì)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(cè)為優(yōu)化后方案，右側(cè)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(cè)飾板（圖中小方框1處）上，負(fù)壓區(qū)域的面積有所增加，但后風(fēng)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(fù)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(duì)比

圖8 為車尾部Y＝0截面的流線圖對(duì)比，圖9為尾部Y＝0截面的速度云圖對(duì)比。由圖8可見，尾部優(yōu)化后，尾部上端的渦流強(qiáng)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(duì)比

圖10 車身橫截面流線圖對(duì)比

圖11 車身橫截面速度云圖對(duì)比

3.4 整車阻力變化和分析

本文研究中將整車按照各個(gè)子系統(tǒng)分成上車體、車身、底盤零件、前艙零件和車輪5個(gè)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(duì)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(dá)到了10.3 N，是整車阻力降低最大貢獻(xiàn)區(qū)域，后地板區(qū)則降低了3.0 N。

其他區(qū)域未列表細(xì)化。底盤零件總體阻力雖降低了2.2 N，但各個(gè)零件之間的單獨(dú)變化相對(duì)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(rèn)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?yàn)閺膲毫υ茍D來看，尾部流場的影響對(duì)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(zhuǎn)，但本身輪胎壓縮的情況無法在仿真中體現(xiàn)，從而使實(shí)際車輪區(qū)域的模型誤差較大，總之原因有待進(jìn)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(jié)果吻合，結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)論

本文中通過對(duì)某MPV尾翼零件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，優(yōu)化了尾翼的3個(gè)參數(shù)，包括尾翼高度與長度和尾翼側(cè)飾板位置，獲得了該MPV尾部對(duì)于整車阻力的最優(yōu)造型方案，并對(duì)優(yōu)化前后的模型進(jìn)行了仿真分析，通過對(duì)整車各區(qū)域阻力變化和關(guān)鍵區(qū)域的壓力分布和流場結(jié)構(gòu)的對(duì)比，研究了優(yōu)化前后整車氣動(dòng)阻力改善的原因。

通過試驗(yàn)和仿真的研究，可得出以下結(jié)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(duì)整車前端的壓力影響較??；

（2）在一定范圍內(nèi)MPV車型尾翼的長度越長，整車阻力相對(duì)越低；

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

（4）尾部優(yōu)化應(yīng)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(dāng)增加尾部上端渦流的強(qiáng)度，壓縮尾部下端的渦流面積，有利于降低整車阻力。