孫逸昊，付 森，家治拓哉，李思遠(yuǎn)，趙 鐸

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300457)

1 研究背景

1.1 概述

汽車的空氣動(dòng)力特性直接影響著汽車的動(dòng)力性能、操作穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和氣動(dòng)噪聲等性能，有時(shí)甚至?xí)苯佑绊懫嚨男旭偘踩玔1-2]。因此，近年來各大汽車廠商越來越重視汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的開發(fā)，其中重點(diǎn)研究方向包含以下幾個(gè)方面[3]：

①車輛行駛阻力、升力和側(cè)向力3個(gè)方向的氣動(dòng)分力，以及側(cè)傾力矩、縱傾力矩和橫擺力矩 3個(gè)氣動(dòng)分力矩，它們共同作用，對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性能、操作穩(wěn)性能等產(chǎn)生重要影響；

②汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模塊及制動(dòng)器剎車盤的通風(fēng)量冷卻研究；

③汽車表面壓力分布和車身表面污染物附著的研究，如傳統(tǒng)兩廂車和 SUV比三廂車后風(fēng)窗更易沾染灰塵，需要設(shè)置后雨刷器進(jìn)行清理；

④汽車氣動(dòng)噪聲、口哨音等異音的產(chǎn)生傳播機(jī)理，如汽車后視鏡、雨刷器和天窗的風(fēng)噪研究。

隨著汽車保有量的大幅增加，節(jié)能環(huán)保的理念也越來越深入人心。在車輛行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)能需要克服傳動(dòng)過程的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦力(機(jī)械損失)、輪胎與地面的滾動(dòng)阻力和空氣作用于車輛的氣動(dòng)阻力。當(dāng)一輛轎車以高速行駛時(shí)(80km/h以上)，氣動(dòng)阻力約占總阻力的一半以上，而且隨著車速的增加，氣動(dòng)阻力也急劇增大?；诿绹鴩噎h(huán)保局提供的城市道路工況和高速駕駛工況進(jìn)行測(cè)試，輕型轎車因克服氣動(dòng)阻力所消耗的燃油占總油耗的13%，并且對(duì)于 SUV車型來講這種影響更為明顯，為此所消耗的燃油占總油耗的 22%[4]。近年來，隨著電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，降低整車風(fēng)阻系數(shù)也成為提高續(xù)航里程的重要手段之一。

1.2 造型需求

為凸顯 SUV車型的越野感和硬派感，除了提升車輛動(dòng)力性能和通過性能以外，在外觀造型方面也可以在顧客心中營造出相應(yīng)的性能感受。例如使用如圖1所示的黑色輪眉凸顯輪胎與輪罩之間的距離，增強(qiáng)車輛通過性強(qiáng)的越野感，同時(shí)在輪眉處設(shè)計(jì)凸出結(jié)構(gòu)增強(qiáng)硬派感，但輪眉處外觀結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)影響整車氣動(dòng)阻力。輪眉處的氣流除了受車輛外形影響外，由于輪胎旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大量擾動(dòng)氣流與主流匯合的不確定性，使得這一部分的結(jié)構(gòu)對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響也變得難以預(yù)測(cè)[5]。

圖1 SUV車輛輪眉Fig.1 SUV wheel arch

1.3 研究方案

相比較于原型車，本文從輪眉凸出量、輪眉導(dǎo)流斜面 2個(gè)維度對(duì)輪眉裝飾件在整車氣動(dòng)阻力中的影響進(jìn)行了研究，研究方案如表1所示。圖2展示了各方案在A-A斷面處的結(jié)構(gòu)。

圖2 輪眉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Wheel arch structure

表1 研究方案模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameter of study model cases

2 數(shù)值模擬仿真計(jì)算

2.1 整車計(jì)算模型

本次 CFD仿真計(jì)算使用 ANSA軟件建模提取整車外表面處各部分結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征，包含前后保險(xiǎn)杠、進(jìn)氣格柵、上部車身、底護(hù)板，車輪等零部件，如圖 3所示。因?yàn)楸敬窝芯繉?duì)象為車身側(cè)面的零部件，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)其影響較小，所以封閉格柵已減小建模及計(jì)算復(fù)雜度[6]。

圖3 原型車ANSA模型Fig.3 ANSA model of prototype vehicle

針對(duì)氣動(dòng)阻力敏感的車身表面及尾流區(qū)設(shè)置局部網(wǎng)格加密域，并在車身表面設(shè)置6層邊界層以減小車身表面網(wǎng)格Y+值，滿足Y+值≤2的網(wǎng)格尺寸要求。計(jì)算域中的網(wǎng)格截面如圖4所示。

圖4 數(shù)值仿真模型中W0截面網(wǎng)格Fig.4 W0 section grid in numerical simulation model

2.2 物理模型及邊界條件

使用 StarCCM+軟件進(jìn)行 CFD數(shù)值仿真模擬。選用k-ε湍流仿真模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。計(jì)算中的物理模型條件及邊界條件參見表2。

表2 計(jì)算物理模型條件及邊界條件Tab.2 Physical conditions and boundary conditions

由于車輪的旋轉(zhuǎn)對(duì)整車阻力也有十分明顯的影響，故本次建模在車輪區(qū)域通過設(shè)置多重坐標(biāo)系的方法(MRF)模擬車輪在道路行駛時(shí)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。設(shè)置輪胎轉(zhuǎn)速時(shí)，輪胎接地面的等效線速度與地面移動(dòng)速度相同[7]。

CFD數(shù)值風(fēng)洞為在軟件中所確定的流體計(jì)算域，為了確保除地面以外的計(jì)算邊界不影響車輛周邊的流動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)保證有足夠大的計(jì)算域范圍。本文使用的 CFD數(shù)值風(fēng)洞尺寸為 55m×21m×16m，如圖5所示。

圖5 數(shù)值風(fēng)洞模型示意圖Fig.5 Digital wind tunnel model

3 汽車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 汽車風(fēng)洞

為驗(yàn)證各方案對(duì)氣動(dòng)阻力真實(shí)的影響效果，對(duì)以上全部方案均進(jìn)行了實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)在中國汽車技術(shù)研究中心汽車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室擁有包含中央移動(dòng)帶和輪胎轉(zhuǎn)帶的五帶系統(tǒng)用于模擬車輛在實(shí)際道路上地面效應(yīng)、車輪旋轉(zhuǎn)對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響。與此同時(shí)，在移動(dòng)帶前方及風(fēng)洞入口的地面處特別設(shè)計(jì)了邊界層抽吸系統(tǒng)，以降低風(fēng)洞出口的地面邊界層。該風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)及六分力檢測(cè)設(shè)備精度均滿足車輛開發(fā)要求。

3.2 試驗(yàn)車輛及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在造型開發(fā)初期，為了快速驗(yàn)證各方案對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響，同時(shí)降低研究開發(fā)費(fèi)用，風(fēng)洞中使用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎门菽埌鍨椴牧?，通過使用 1∶1圖紙制作模型骨架，再利用泡沫紙板制作表面形狀，并貼附在骨架上完成外表面實(shí)物建模。為確保重復(fù)拆裝時(shí)模型強(qiáng)度，使用熱熔膠將骨架與表面泡沫板進(jìn)行固定，并在模型外表處使用膠布進(jìn)一步增加模型強(qiáng)度。模型制作樣例如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鳂永?前保險(xiǎn)杠下部結(jié)構(gòu))Fig.6 Test model example(front bumper lower structure)

在項(xiàng)目驗(yàn)收階段最終確定造型方案后使用精度更高的快速樣件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 風(fēng)洞試驗(yàn)條件

風(fēng)洞試驗(yàn)在 140km/h的入口風(fēng)速條件下進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)開啟與入口風(fēng)速相同的五帶模擬系統(tǒng)和入口邊界層抽吸系統(tǒng)?？刂骑L(fēng)洞環(huán)境氣溫在(21±1)℃的空氣條件下完成所有方案的測(cè)定試驗(yàn)。

4 CFD仿真及風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及分析

風(fēng)阻系數(shù)CFD仿真結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3，表中數(shù)據(jù)表示各方案與原型方案0風(fēng)阻系數(shù)的差值?？梢杂^察到數(shù)據(jù)中風(fēng)阻系數(shù)變化量的 CFD仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大，說明在此 CFD計(jì)算模型下，風(fēng)阻系數(shù)對(duì)輪眉結(jié)構(gòu)的變化更加敏感。從圖 7可知，此模型的仿真與試驗(yàn)結(jié)果高度線性相關(guān)，相關(guān)性R2= 0 .9989。所以可用此CFD仿真模型結(jié)果換算出風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果代替風(fēng)洞試驗(yàn)，以對(duì)輪眉結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)阻系數(shù)變化量做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

表3 風(fēng)阻系數(shù)變化量仿真和試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Simulation and test results of drag coefficient

通過圖 8觀察對(duì)比輪眉凸出量與輪眉導(dǎo)流斜面這2個(gè)參數(shù)對(duì)阻力系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)輪眉凸出車身表面是導(dǎo)致整車氣動(dòng)阻力惡化的主要原因，雖然加入導(dǎo)流斜面后可改善局部流動(dòng)，但惡化程度依然嚴(yán)重。

通過觀察車身表面壓力系數(shù)的變化分析導(dǎo)致氣動(dòng)阻力惡化的原因，當(dāng)輪眉凸出車身表面時(shí)，氣流在凸出部位改變?cè)辛鲃?dòng)狀態(tài)，流動(dòng)方向向車身外側(cè)偏轉(zhuǎn)并被加速，導(dǎo)致在輪眉倒角處局部壓力減小，見圖9中框內(nèi)區(qū)域。由于原本氣流在霧燈處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，原型輪眉結(jié)構(gòu)處的氣流“隱藏”在偏轉(zhuǎn)氣流后沒有影響氣流主流流動(dòng)，但輪眉凸出后該部分氣流不能繼續(xù)沿著車身表面流動(dòng)，而是向車身側(cè)后方流出，導(dǎo)致車輛“等效正投影面積”增加，進(jìn)而使得整車氣動(dòng)阻力惡化，如圖 10所示。盡管加入導(dǎo)流斜面后可稍稍改善局部流動(dòng)和減小負(fù)壓區(qū)，但由于整體導(dǎo)流效果的存在，其改善效果并不明顯。

圖9 前輪輪眉處壓力系數(shù)分布側(cè)視圖Fig.9 Side view of pressure coefficient distribution at front wheel arch

圖10 前輪輪眉處流線俯視圖Fig.10 Top view of streamline at front wheel arch

5 結(jié)論及展望

應(yīng)用 CFD仿真建模及風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)某 SUV輪眉處結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)阻力影響進(jìn)行分析，得到了輪眉不同凸出量及導(dǎo)流斜面對(duì)車輛風(fēng)阻系數(shù)的影響結(jié)果，結(jié)論如下：

①本文所用CFD仿真模型在預(yù)測(cè)輪眉處結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)阻系數(shù)變化量時(shí)的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性很高，R2＝0.9989，這表明可以使用該模型進(jìn)行相應(yīng)性能預(yù)測(cè)；

②輪眉凸出車身表面后，由于局部氣流被導(dǎo)向側(cè)后方使等效“正面投影面積”增加，導(dǎo)致整車風(fēng)阻系數(shù)急劇惡化，加入導(dǎo)流斜面可減小惡化量，但改善效果有限。

風(fēng)洞試驗(yàn)方法雖然可以更接近實(shí)際道路效果，同時(shí)也是驗(yàn)證仿真結(jié)果精度的必要手段，但受風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用大、實(shí)車模型制作周期長等因素的影響，未來可先通過 CFD仿真手段進(jìn)行減阻研究，再使用風(fēng)洞對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，以利于開發(fā)車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能。