中圖分類號：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-4437（2025）02-0043-03

0引言

近年來，隨著全球能源危機(jī)加劇和環(huán)保政策的推動，新能源汽車尤其是純電動汽車得到了快速發(fā)展[]。然而，續(xù)航里程仍然是制約電動汽車市場普及的關(guān)鍵因素之一。

對于硬派車型而言，其獨(dú)特的方正造型雖然贏得了市場青睞，但也具有較高的風(fēng)阻系數(shù)，導(dǎo)致能耗增加，續(xù)航里程縮短[2]。對于汽車企業(yè)來說，若通過增加電池電量的方式來提高續(xù)航里程，必然會導(dǎo)致單車成本大幅增加，進(jìn)而降低了產(chǎn)品競爭力。因此，如何降低電車能耗的同時(shí)又保留自身的造型特色，成為了企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問題。

空氣動力學(xué)性能對電動汽車的續(xù)航里程有重要影響[，通過對車輛外造型及空氣動力學(xué)套件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效降低車輛在行駛過程中的空氣阻力，進(jìn)而降低能耗，提高車輛續(xù)航里程。在高速行駛條件下，風(fēng)阻占行駛阻力的 70% 以上4。另外，通過對某硬派電動汽車進(jìn)行百公里電耗測試，發(fā)現(xiàn)整車風(fēng)阻系數(shù)可降低10counts，整車電量可節(jié)省0.8kWh電池電量，對應(yīng)節(jié)約電池成本500-800元。因此，通過有效的方式降低整車風(fēng)阻，減少電耗，對增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力具有重要意義。

1研究對象及研究方法

1.1研究對象

本文研究對象為一款硬派造型的純電動SUV。分析模型包含完整的底盤、整車外飾、整車熱管理部件及電子電器。

1.2研究方法

本研究采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對硬派車型的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。CFD 仿真通過STAR-CCM+軟件[5]實(shí)現(xiàn)，能夠詳細(xì)分析車輛周圍的流場分布，而風(fēng)洞試驗(yàn)則用于驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保優(yōu)化方案的實(shí)際效果。

通過CFD仿真分析可以預(yù)先對車輛外CAS進(jìn)行研究，同時(shí)可獲得汽車周圍詳細(xì)的流場信息，具有成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，但車輛底部流場仿真精度不足與工程開發(fā)要求尚存在差距。相比CFD仿真手段，風(fēng)洞試驗(yàn)雖受風(fēng)洞自身?xiàng)l件的限制，但仍是風(fēng)阻開發(fā)過程中不可或缺的手段，被廣泛應(yīng)用于汽車的開發(fā)和優(yōu)化過程，。因此，車輛開發(fā)過程中，通常通過仿真分析結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證的方式對車輛風(fēng)阻性能進(jìn)行優(yōu)化。

2仿真分析

2.1建立仿真模型

本研究利用STAR-CCM ?⁺ 流體分析軟件，對硬派車型的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。采用全細(xì)節(jié)處理仿真面網(wǎng)格模型，把握關(guān)鍵特征標(biāo)識，模擬實(shí)際的風(fēng)洞測試。采用Trimmer體網(wǎng)格，對車輛關(guān)鍵區(qū)（如前后車輪輪眉、A柱、C柱、D柱、外后視鏡、Roof段、后保險(xiǎn)杠分流區(qū)域等）進(jìn)行網(wǎng)格加密，并對關(guān)鍵邊界進(jìn)行多層邊界層設(shè)置，整體模型最終達(dá)到約6000萬體網(wǎng)格。

2.2邊界條件的設(shè)置

仿真模型采用 RANS 穩(wěn)態(tài)求解器[10]，選擇Realizable K-ε 湍流模型，冷卻模塊采用多孔介質(zhì)模型處理，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

2.3仿真分析方案

本研究在硬派車型的基礎(chǔ)上分別分析了前輪阻風(fēng)板、后輪阻風(fēng)板、車底后護(hù)板等氣動附件對該車型風(fēng)阻性能的影響。

2.4仿真分析結(jié)果

2.4.1前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻性能的影響

研究表明，一般乘用車的車輪約占整車外氣動阻力的 10%～15% 。隨著各大主機(jī)廠對風(fēng)阻性能的重視，阻風(fēng)板的設(shè)計(jì)在工程及造型范圍內(nèi)越來越追求最大降風(fēng)阻性能。本研究通過對硬派車型的前輪阻風(fēng)板進(jìn)行外形優(yōu)化，可使得前輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻共計(jì)有8counts的貢獻(xiàn)量。

車“Base狀態(tài)”前輪阻風(fēng)板較小，此狀態(tài)下，前輪外露量較多，氣流對輪胎沖擊較大。為優(yōu)化輪胎處氣流，將前輪阻風(fēng)板Z向（垂直方向）分別增加了 10mm 和 25mm 。通過仿真對比，增加 10mm 對風(fēng)阻優(yōu)化效果不理想，而增加 25mm 時(shí)，阻風(fēng)板有效減少了氣流對輪胎的直接沖擊，前輪的正壓區(qū)明顯減少。阻風(fēng)板Z向長度增加 25mm 后，對車輛底部兩輪之間的氣流起到了疏導(dǎo)作用，避免前輪氣流沖擊側(cè)裙并惡化后輪氣流。因此，增加前輪阻風(fēng)板的長度有效降低了本車的整車風(fēng)阻，實(shí)際仿真風(fēng)阻系數(shù)降低6counts。

但單純增加阻風(fēng)板長度對前懸架處的氣流改善效果仍不理想，因前輪阻風(fēng)板與前底護(hù)板未搭接，導(dǎo)致氣流撞擊前懸架，正壓力增大。因此將前輪阻風(fēng)板在工程可實(shí)施范圍內(nèi)Y向（豎直方向）向內(nèi)延長 30mm ，從而減小阻風(fēng)板后方的氣流分離，此方式可降低風(fēng)阻2counts。

2.4.2后輪阻風(fēng)板對整車風(fēng)阻性能的影響

本硬派車型后輪阻風(fēng)板Base狀態(tài)為沿輪眉順滑向下，但此處輪眉呈內(nèi)收趨勢，導(dǎo)致氣流從前方流過后，直接沖擊后輪胎，惡化風(fēng)阻。本研究將后輪阻風(fēng)板Y向延伸 30mm ，使其與輪眉造型一致，此方式可有效降低風(fēng)阻系數(shù)3counts，這樣既保留了造型風(fēng)格，又降低了風(fēng)阻系數(shù)。

2.4.3后底護(hù)板導(dǎo)流特征對整車風(fēng)阻性能的影響

本硬派車型的車輛底部尾端上翹，存在較大的臺階差（ ?30mm ），然而這一造型特點(diǎn)導(dǎo)致高速氣流容易在此處上卷，氣流在后底護(hù)板上端形成氣流尾渦現(xiàn)象。通過在后底護(hù)板處X向（水平方向）向后增加 50mm 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，可以減少氣流分離并弱化渦流，從而降低風(fēng)阻。通過CFD仿真，該結(jié)構(gòu)在本車可有效降低風(fēng)阻系數(shù)3counts。

3實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)洞測試是在中國汽車工程研究院風(fēng)洞中心完成。風(fēng)洞中心使用風(fēng)洞天平測量風(fēng)洞中模型受到的氣動六分力，通過計(jì)算得出風(fēng)阻系數(shù)。

測試樣車通過全尺寸油泥加工制作完成，其中阻風(fēng)板、車底護(hù)板等部件是通過3D打印、手工樣件制作等方式完成，油泥外觀精度 ?1mm ，樣件裝配精度 ?2 mm。

試驗(yàn)前將阻風(fēng)板手工按尺寸分割好后再用膠帶與油泥車身連接，確保風(fēng)洞試驗(yàn)過程中阻風(fēng)板不晃動，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照先減小Z向長度再減小Y向長度的方式進(jìn)行試驗(yàn)，前后兩次試驗(yàn)結(jié)果的差值即為該方案的風(fēng)阻貢獻(xiàn)量。

車底護(hù)板倒流特征通過3D打印，分別打印出Base狀態(tài)底護(hù)板及優(yōu)化后的底護(hù)板，先以Base狀態(tài)測出風(fēng)阻結(jié)果；后將車輛舉起，替換優(yōu)化后的底護(hù)板再進(jìn)行測試，兩次結(jié)果的差值即為底護(hù)板的優(yōu)化方案貢獻(xiàn)量。

試驗(yàn)過程中對油泥車輛前后輪阻風(fēng)板及后底護(hù)板進(jìn)行測試驗(yàn)證，具體包括前輪阻風(fēng)板Z向長度優(yōu)化、前輪阻風(fēng)板Y向?qū)挾葍?yōu)化、后輪阻風(fēng)板外造型優(yōu)化、后底護(hù)板Y向?qū)Я鲀?yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真與試驗(yàn)的一致性較好，且趨勢完全一致，最大差值1count（見表2）。

4結(jié)語

本文通過計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真與中國汽車工程研究院風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對硬派車型的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了降低整車風(fēng)阻和提升能耗效率的目標(biāo)。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案與國家的節(jié)能減排和低碳環(huán)保政策導(dǎo)向高度一致，為硬派車型的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐。具體研究成果如下：

風(fēng)阻系數(shù)的顯著降低：通過對輪胎阻風(fēng)板及車輛后底護(hù)板尾部的優(yōu)化設(shè)計(jì)，整車風(fēng)阻系數(shù)降低了16counts。其中，前輪阻風(fēng)板的優(yōu)化方案貢獻(xiàn)顯著，共計(jì)降低風(fēng)阻8counts，有效減少了氣流對輪胎的直接沖擊，改善了車輛底部流場分布。

仿真與試驗(yàn)的一致性驗(yàn)證：在車輛輪胎及后底護(hù)板尾部等風(fēng)阻敏感區(qū)域，CFD仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，最大差值僅為1count，完全滿足工程開發(fā)的要求。這一結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支持。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的通用性與應(yīng)用價(jià)值：本研究提出的輪胎阻風(fēng)板及后底護(hù)板優(yōu)化方案，不僅適用于當(dāng)前車型，還可為后續(xù)硬派車型的風(fēng)阻性能開發(fā)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。通過通用化設(shè)計(jì)，企業(yè)能夠顯著縮短開發(fā)周期，降低試錯(cuò)成本，提升市場競爭力。

綜上所述，本研究通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了硬派車型風(fēng)阻性能的優(yōu)化，為新能源汽車的節(jié)能減排目標(biāo)提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。

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