胡錫挺

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著居民消費(fèi)水平提高，人均汽車保有量在不斷上升，尾氣排放對環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，全球迎來了節(jié)能減排的挑戰(zhàn)；如何降低燃油消耗率是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域的難點(diǎn)之一，大量研究表明降低整車風(fēng)阻非常有利于減少整車燃油消耗率[1-9]。Ahmed 等[10]使用整車油泥模型進(jìn)行了空氣動力學(xué)方面的研究[10]，獲取不同車身外造型下的整車風(fēng)阻數(shù)據(jù)，但是因整車油泥模型簡單，缺失前格柵、機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、底盤結(jié)構(gòu)、車身尾部等的局部細(xì)小特征，導(dǎo)致整車油泥試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際測試結(jié)果差異大。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，電腦硬件與仿真軟件技術(shù)水平也取得飛躍發(fā)展，為更精細(xì)的汽車模型用于空氣動力學(xué)研究提供了便利條件[11-13]。在高速行駛時(shí)空氣阻力是行駛阻力的主要構(gòu)成部分，因此整車設(shè)計(jì)開發(fā)初期階段需要優(yōu)化汽車外造型及附件設(shè)計(jì)開發(fā)以減少汽車行駛阻力降低燃油消耗率。優(yōu)化汽車外造型不僅有利于減低油耗而且還能增強(qiáng)汽車駕駛穩(wěn)定性，還給駕駛員帶來不同駕駛體驗(yàn)[14，15]。開發(fā)的整車外造型既需實(shí)現(xiàn)更低的整車風(fēng)阻又需滿足大眾的審美觀，這對設(shè)計(jì)開發(fā)人員提出更高的挑戰(zhàn)，因此設(shè)計(jì)開發(fā)人員需要運(yùn)用CFD 仿真分析方法來迎接這一挑戰(zhàn)。

本研究采用CFD 仿真分析方法對某MPV 車型外造型進(jìn)行研究，針對不同設(shè)計(jì)階段進(jìn)行整車風(fēng)阻仿真，向設(shè)計(jì)工程師提供優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，經(jīng)過多輪次仿真優(yōu)化求解出滿足最低整車風(fēng)阻設(shè)計(jì)目標(biāo)的方案，然后按1∶1 比例試制樣車模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：CFD 仿真分析的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，符合工程設(shè)計(jì)相關(guān)誤差要求。

1 研究方法

1.1 流體力學(xué)的基本方程

流體力學(xué)不僅需遵守流體質(zhì)量、能量和動量守恒定律，還遵守流體的熱力學(xué)定律以及其他物理特性，可表達(dá)式為流體的流動基本方程[16]。

一般汽車行駛時(shí)車外空氣流動速度遠(yuǎn)小于1 馬赫數(shù)，通?？勺鳛榉嵌ǔ５牟豢蓧嚎s流體。由于汽車外造型復(fù)雜導(dǎo)致流過車身的氣體出現(xiàn)分離現(xiàn)象，且伴隨著強(qiáng)烈的湍流，故整車外流場仿真分析應(yīng)按湍流現(xiàn)象來處理，其控制方程組為：

1.2 湍流模型的方程式

汽車空氣動力學(xué)涵蓋流體附著、局部分離流、邊界層轉(zhuǎn)捩等流體物理現(xiàn)象，屬于高度復(fù)雜的高雷諾數(shù)繞流的范疇。為保證對旋轉(zhuǎn)、分離等強(qiáng)三維流動特性的仿真精度，在兩方程框架中SSTk-ω湍流模型與Realizablek-ε湍流模型常被引入到汽車空氣動力學(xué)的仿真分析中[17]。

k-ω湍流模型的湍動能k與ω的運(yùn)輸方程[18]為

式中：u為平均速度，μ為動力黏度系數(shù)，fβ*為自由剪切修正因子，fβ為渦旋拉伸修正因子，源項(xiàng)為Sk和Sω，抵消湍流衰減的環(huán)境湍流值為ω0和k0。

k-ε湍流模型湍動能k和耗散率ε的運(yùn)輸方程[19]為

式中：u為平均速度，μ為動力粘度系數(shù)，f2為阻尼函數(shù)，Sk、Sε為源項(xiàng)。ε0是源項(xiàng)中抵消湍流衰減的環(huán)境湍流值[20]，施加環(huán)境源項(xiàng)對應(yīng)定義了特定的時(shí)間尺度T0：

其中Ct為?；禂?shù)。

1.3 整車仿真模型建立

依據(jù)在不同設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)工程師提供整車模型，采用Hypermesh 軟件對整車CAD 進(jìn)行幾何前處理并，在幾何前處理過程中對外流場影響可忽略不計(jì)的特征進(jìn)行簡化處理，經(jīng)處理后的整車幾何模型如圖1所示，將幾何模型導(dǎo)入STAR-CCM+分析軟件中進(jìn)行包面并劃分面、體網(wǎng)格，同時(shí)建立仿真虛擬風(fēng)洞場景（圖2），該風(fēng)洞的長度為整車長度的11 倍，寬度為整車寬度5 倍，高度為整車高度5 倍，整車固定于距離洞口的3 倍車長、貼于地面且處于左右壁面的中間處，最后對接近分析特征的部分氣流區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。設(shè)定汽車行駛速度為120 km/h，采用κ-ε（Realizable K-Epsilon）湍流模型，迭代計(jì)算3000 步后達(dá)到收斂。

圖1 幾何表面

圖2 虛擬風(fēng)洞

2 原始模型外流場分析

通過觀察圖3 車身壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，前保險(xiǎn)杠、進(jìn)氣格柵與前擋風(fēng)玻璃的壓力較大，呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域的主要有車身尾部、大燈附近區(qū)域和A 柱附近區(qū)域。通過觀察圖4 車身周圍速度跡線圖可以發(fā)現(xiàn)：氣流經(jīng)過車尾后形成渦流，同樣在后視鏡附近也出現(xiàn)少量氣流被打亂的現(xiàn)象。

圖3 車身壓力云圖

圖4 車身周圍速度跡線圖

3 降阻方案研究

為了降低整車風(fēng)阻，一般的工程手段是減少汽車的迎風(fēng)面積，避免氣流分離和提升車身尾部壓力[21]。本研究通過對上一階段的幾何模型進(jìn)行CFD 仿真優(yōu)化分析，給出了低整車風(fēng)阻的最優(yōu)方案組合。

3.1 中間底護(hù)板后端翻邊加高

中間底護(hù)板后端翻邊對防止來流灌入后懸架與后輪有重要意義，如圖5 為中間底護(hù)板后端翻邊加高后的示意圖，圖6 為中間底護(hù)板后端翻邊加高前，截面y =0 的湍動能圖，圖7 為中間底護(hù)板后端翻邊加高后，截面y= 0 的湍動能圖，經(jīng)過兩圖對比可以看出：加高護(hù)板翻邊可以減小后懸架及后輪附近湍動能，改善整車底部流場狀態(tài)及優(yōu)化尾部壓力分布情況，非常有效降低整車風(fēng)阻。

圖5 中間底護(hù)板后端翻邊加高后幾何示意圖

圖6 中間底護(hù)板后端翻邊加高前湍動能圖

圖7 中間底護(hù)板后端翻邊加后湍動能圖

3.2 后輪馬蹄加寬

后輪馬蹄的高度對阻止氣流灌入后輪輪罩內(nèi)有很大的影響，避免氣流灌入輪罩，可以采用加寬馬蹄輪罩的措施，優(yōu)化后的后輪馬蹄結(jié)構(gòu)如圖8 所示，優(yōu)化前、后在z= 0 截面位置的速度矢量如圖9、10 所示，經(jīng)對比分析可發(fā)現(xiàn)流入前輪罩內(nèi)氣流減少，降低了后輪附近的壓力，減少了后輪處風(fēng)阻。

圖8 后輪馬蹄優(yōu)化后示意圖

圖9 后輪馬蹄優(yōu)化前速度矢量圖

圖10 后輪馬蹄優(yōu)化后速度矢量圖

3.3 優(yōu)化進(jìn)氣格柵

汽車前端冷卻氣流對于發(fā)動機(jī)和前艙各部件的冷卻至關(guān)重要，足夠的冷卻氣流才能夠保證前艙各個(gè)零部件和子系統(tǒng)在合適的溫度下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是冷卻氣流所帶來的前艙內(nèi)流阻力也是整車氣動阻力的主要來源之一，大約占到整車氣動阻力的12%[22]，有效控制進(jìn)入前艙的氣流也是降低整車風(fēng)阻的重要措施之一，因此需合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣格柵開口來滿足車輛在高速工況下進(jìn)入前艙的冷卻氣流流量。進(jìn)氣格柵是控制氣流進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部的部件，優(yōu)化進(jìn)氣格柵使得進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)氣流減少，有利于減小機(jī)艙內(nèi)湍動能損失。但前進(jìn)氣格柵也是影響發(fā)動機(jī)散熱部件之一，進(jìn)氣格柵開口大小會直接影響外部流入前艙內(nèi)的氣流量，尤其是速度相對較高的工況下，如果在這樣的工況下前端進(jìn)風(fēng)量無法滿足前艙散熱需求，往往需要增加格柵開口面積來增加進(jìn)氣量。經(jīng)仿真分析綜合考慮得到了如圖11 的優(yōu)化結(jié)果。通過對比分析如圖12、如圖13 優(yōu)化前后的湍動能圖可以得出：減小機(jī)艙內(nèi)部湍動能，有利于降低整車風(fēng)阻。

圖11 前進(jìn)氣格柵優(yōu)化后示意圖

圖12 優(yōu)化前的汽車前端湍動能圖

圖13 優(yōu)化后的汽車前端湍動能圖

3.4 加大導(dǎo)風(fēng)刃

汽車尾渦是一個(gè)主要的阻力源，通過調(diào)整汽車尾渦提升車尾部附近的背壓以實(shí)現(xiàn)整車降阻，從局部來看，控制氣流分離的位置、速度和方向，可以通過調(diào)節(jié)后擾流板的長度和角度、調(diào)節(jié)后保下邊緣的高度和方向、在D 柱處增加導(dǎo)風(fēng)刃長度的方式來調(diào)節(jié)氣流分離時(shí)的狀態(tài)，從而調(diào)整尾渦分布，控制尾渦區(qū)的橫向和縱向尺度，使中央對稱面上的上下渦平衡分布，并且盡量遠(yuǎn)離車身，可使背部壓力回升，利于降阻。因前部氣流流動的效果都會在尾渦分布上體現(xiàn)出來，因此MPV 車型的尾渦結(jié)構(gòu)不僅受到上、下氣流的影響，也受到左、右氣流的影響，特別是受到D 柱分離的氣流及其形成的三維拖拽渦的影響，在D 柱角度下（約30°），尾渦結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，導(dǎo)致背部壓力急劇降低，整車阻力上升。

加大導(dǎo)風(fēng)刃可以減少經(jīng)過車身側(cè)面的氣流與經(jīng)過車尾的其他氣流發(fā)生碰撞，減少了尾渦的產(chǎn)生，從而使得車尾負(fù)壓區(qū)壓力提高，使車身總體阻力減少，圖14 為加大導(dǎo)風(fēng)刃后的示意圖。圖15、圖16 分別為優(yōu)化前、后的導(dǎo)風(fēng)刃速度矢量圖，對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的導(dǎo)風(fēng)刃減少了尾渦，有利于降低風(fēng)阻。

圖14 優(yōu)化后的導(dǎo)風(fēng)刃幾何示意圖

圖15 優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)刃前的速度矢量圖

圖16 優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)刃后的速度矢量圖

3.5 加強(qiáng)導(dǎo)流板密封性

為了減少機(jī)艙內(nèi)流場對整車風(fēng)阻的影響，需做汽車前端進(jìn)氣導(dǎo)流與密封，以優(yōu)化機(jī)艙內(nèi)流場使散熱氣流利用率最大化，實(shí)現(xiàn)通過散熱器氣流的均勻流動，減少機(jī)艙內(nèi)的泄露，以及減少從機(jī)艙流出氣流與外部氣流的相互作用。

導(dǎo)流板主要作用是將進(jìn)入通過主動進(jìn)氣格柵的氣流導(dǎo)入散熱器，減少氣流竄入散熱器四周，避免氣流在主動進(jìn)氣格柵與散熱器之間形成紊流。優(yōu)化后的前端密封結(jié)構(gòu)如圖17 所示。通過分析對比如圖18、圖19 優(yōu)化前、后的速度矢量圖，明顯可以看出，優(yōu)化后的前端密封將氣流較為平穩(wěn)地通過散熱器，從而降低了整車風(fēng)阻。

圖17 優(yōu)化后的密封圈幾何示意圖

圖18 優(yōu)化前的速度矢量圖

圖19 優(yōu)化后的速度矢量圖

3.6 平整底護(hù)板

底護(hù)板是影響車身底部氣流的一個(gè)重要部件，加裝底護(hù)板可以避免氣流撞擊油箱等車底部件發(fā)生氣流紊亂，產(chǎn)生氣動噪聲與升力，加裝底板會改善高速時(shí)整車底部流場，經(jīng)仿真分析得出如圖20 所示的優(yōu)化方案，通過觀察對比圖21、圖22 優(yōu)化前后的底護(hù)板柵湍動能圖可以發(fā)現(xiàn)：原來在油箱前部產(chǎn)生的湍動能幅值大幅降低，后懸架部分湍動能也有所下降，整車風(fēng)阻下降。

圖20 優(yōu)化后的底護(hù)板幾何示意圖

圖21 優(yōu)化前的底護(hù)板柵湍動能圖

圖22 優(yōu)化后的底護(hù)板湍動能圖

以上分析研究表明在底盤中部增加平整底護(hù)板有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)。此外，當(dāng)?shù)妆P流速增加時(shí)，整車上、下表面壓差減小使得車身下壓力增加，能有效改善整車高速操穩(wěn)性能。因此在進(jìn)行底盤中部導(dǎo)流板設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響整車通過性的盡可能去滿足底盤平整化。

4 整車優(yōu)化分析

圖23、圖24 分別為優(yōu)化前、后Y= 0 截面的整車湍動能圖，通過對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，前唇上的湍動能有所下降，前唇下表面氣流更加貼合表面，有利于減阻；車身底護(hù)板使得氣流更加平穩(wěn)流過車底，減少了油箱與后懸架的湍動能，對減阻起到一定作用；觀察車尾部分，后擋玻璃及車尾部后方渦旋氣流距離車尾較遠(yuǎn)，減少了負(fù)壓對車尾的拖拽阻力。通過對影響風(fēng)阻較大的6 個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化，將原模型風(fēng)阻系數(shù)為0.323 下降到0.300，同比下降7.1%。

圖23 優(yōu)化前整車湍動能圖

圖24 優(yōu)化后整車湍動能圖

5 風(fēng)洞試驗(yàn)

本研究所使用的風(fēng)洞為中汽研汽車回流式風(fēng)洞，該風(fēng)洞尺寸為8 m × 4 m × 2.2 m，收縮比為5.21，風(fēng)扇主機(jī)功率為1000 kW。該風(fēng)洞掃描測量運(yùn)用較為先進(jìn)的PSI 多點(diǎn)壓力掃描，打破了傳統(tǒng)只能使用單點(diǎn)掃描的局面，同時(shí)該系統(tǒng)也支持96 通道對車身壓力測量。本次進(jìn)行試驗(yàn)的是試制車型，圖25 為本次風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖25 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

風(fēng)洞對該車在不同車速下的風(fēng)阻進(jìn)行測試，通過曲線擬合得到不同車速下阻力系數(shù)變化趨勢圖，如圖26 所示。通過觀察圖26 可以得出：車速與氣動阻力成反比關(guān)系，在高車速下，氣動阻力反而下降。本次試驗(yàn)取車長的1.533 m 作為特征長度，空氣動力黏度系數(shù)為17.9*10-6Pa·s，通過換算可得雷諾數(shù)為4.32*106，通過翻閱文獻(xiàn)[23]，文獻(xiàn)指出：自準(zhǔn)區(qū)的范圍為雷諾數(shù)大于5*106，通過擬合計(jì)算得到雷諾數(shù)與氣動阻力系數(shù)如圖27 所示，在進(jìn)入自準(zhǔn)區(qū)時(shí)的整車風(fēng)阻阻力系數(shù)為0.299。該車型在車速為120 km/h 時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可推算出整車風(fēng)阻系數(shù)約為0.297。

圖26 車型在不同車速下的阻力系數(shù)變化趨勢圖

圖27 氣動阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系圖

6 結(jié)論

通過CFD 仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的模式，對某MPV 車型進(jìn)行空氣動力學(xué)CFD 仿真分析，優(yōu)化了車身外形，并結(jié)合底部中間護(hù)板翻邊加高、后輪馬蹄擾流板、進(jìn)氣格柵、導(dǎo)風(fēng)刃、前端密封以及平整底護(hù)板進(jìn)行了優(yōu)化。雖然該車型受造型風(fēng)格限制條件優(yōu)化空間小，但通過整車CFD 仿真分析優(yōu)化后，相比第一版造型風(fēng)阻系數(shù)降低了0.030，與上代車型相比，風(fēng)阻優(yōu)化了0.014。經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論：

（1）單個(gè)最佳風(fēng)阻部件外形組合并不能取得最佳風(fēng)阻外形，各個(gè)部件相互影響，仿真與試驗(yàn)值的壓力分布趨勢比較一致，結(jié)果吻合度較高，仿真分析結(jié)果值得信任。

（2）先采用CFD 仿真分析方法對氣動外形分析，再使用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，既證明了CFD 仿真分析方法的可靠性，也節(jié)約車型開發(fā)驗(yàn)證費(fèi)用。

（3）采用CFD 仿真分析方法得到的結(jié)果與仿真分析方法和試驗(yàn)相結(jié)合分析對氣動外形進(jìn)行研究得到的結(jié)果，對比兩者結(jié)果誤差為3.1%，在工程實(shí)踐誤差允許范圍之內(nèi)。因風(fēng)洞集氣口結(jié)構(gòu)形式存在會導(dǎo)致測試段后部局部壓力升高，導(dǎo)致仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。另仿真時(shí)邊界條件為開放路面，不存在壁面及阻塞效應(yīng)對車身后部壓力的影響，這也是導(dǎo)致誤差產(chǎn)生原因之一。

在整車風(fēng)阻仿真優(yōu)化過程中通過仿真指導(dǎo)試驗(yàn)，利用試驗(yàn)驗(yàn)證仿真，兩者在整個(gè)開發(fā)過程相輔相成。本研究所涉及的優(yōu)化方案均有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，為后續(xù)的低風(fēng)阻車型開發(fā)提供理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)支持。