汽車外流場研究

梁立友

阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司, 北京 100000

1 概述

世界能源的危機，石油價格上漲，使得人們對汽車的燃料經(jīng)濟性要求不斷提高。同時人們對汽車的升力導(dǎo)致的操縱穩(wěn)定性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性和氣動噪音、車尾揚塵等問題越來越關(guān)注，這些特性與汽車空氣動力學(xué)息息相關(guān)。汽車空氣動力學(xué)的研究方法主要有三種，道路試驗法和風(fēng)洞試驗法和計算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）法。風(fēng)洞實測方法造價高、耗資大，而且試驗周期長；道路試驗又受自然條件、交通狀況限制較多，也不容易得到準確結(jié)果。CFD法近年來成了研究汽車流場主流工具?？梢栽谛萝囋O(shè)計初期造型階段進行空氣動力性能預(yù)測，為造型及工程人員優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計提供重要依據(jù)，能夠隨時修改部件模型，而試驗卻要受到很多限制，明顯節(jié)約物力、財力、縮短開發(fā)周期。

本文應(yīng)用國際主流廠研究經(jīng)驗，采用STAR-CD軟件，以SUV車型為例，通過對車身、局部要素進行詳細的CFD仿真分析，提出優(yōu)化方案。

2 模型建立

2.1 基礎(chǔ)模型

造型初期階段，數(shù)字模型表面第一版生成，便立即開展CFD分析，對此時模型考慮了如下簡化：車身模型為半車身模型，忽略雨刮器；汽車前部上下格柵做封閉處理；對車身底部做了簡化，沒有考慮小尺度的凸凹不平，只取了大尺度的高低凸凹。車身表面細節(jié)包括：門把手、后視鏡、天線、車輪、行李架、擾流板等信息。對車體各部件進行編號，以便調(diào)試局部流場過程中進行對比，如圖1所示。

在STAR-CD軟件中對已建立的風(fēng)洞求解模型進行網(wǎng)格劃分，生成體網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖1 表面靜壓（pa）分布

圖2 風(fēng)洞求解模型

風(fēng)洞求解模型分為大域、中間域、小域三個，域參數(shù)及網(wǎng)格尺寸見表1。

表1

整車模型網(wǎng)格利用人為干預(yù)按照敏感度設(shè)定不同網(wǎng)格尺寸，見表2。

表2

2.2 邊界設(shè)置

按風(fēng)洞試驗情況設(shè)置邊界條件，特別是車底移動帶位置及尺寸。計算中不考慮溫度的影響，邊界條件見表3。

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3 結(jié)果分析

經(jīng)過分析，圖3所示為壓力分布圖，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)：車頭前部表面高壓區(qū)分布范圍比較合理，高壓區(qū)域恰好覆蓋機艙進風(fēng)格柵和空氣室上飾板，有利于機艙進風(fēng)和室內(nèi)通風(fēng)，但車身前部棱角鮮明處的剪切力較大，例如發(fā)動機罩前沿和兩側(cè)、前大燈兩側(cè)、車身前端、保險杠下沿及兩側(cè)、輪胎處、霧燈兩側(cè)、外后視鏡、A柱、前風(fēng)擋上端與頂蓋結(jié)合處，D柱、后尾燈等處，其他部位氣流流動較為順暢。

從計算結(jié)果圖4初版表面模型的速度矢量場中看出氣流在車身尾部產(chǎn)生較多的渦流，且后方渦流范圍較大，加大了氣動阻力。車身后部尾燈處的棱線比較分明，此處產(chǎn)生壓力系數(shù)為負值，同時剪切力也較高。經(jīng)過行李架的氣流在尾部沒有匯合入尾流中，不利于減小風(fēng)阻。

表4中涂陰影部位是與造型師一起協(xié)商挑選出在保持造型的整體格局下可以優(yōu)化的較敏感的部位。

4 改進方案分析

4.1 優(yōu)化方向依據(jù)

據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)A柱前表面平滑的寬度設(shè)定在30mm以上，風(fēng)擋兩側(cè)的飾條斷差設(shè)定在10mm以下減小空氣阻力比較有利，如圖5所示；外后視鏡殼體轉(zhuǎn)角處R角控制在20mm以上，殼體內(nèi)側(cè)角度設(shè)計在4以上會對氣流及雨水走向有利，如圖6所示；后擾流板向下傾斜20、兩側(cè)邊緣向車體中間收15 對Cd貢獻最大，如圖7、圖8所示。

圖3 表面靜壓（pa）分布

圖4 速度截面圖

圖5 A柱含飾條斷差及形狀影響

圖6 外后視鏡推薦參數(shù)

圖7 擾流板傾斜θr的影響

圖8 擾流板傾斜θr的影響

4.2 改進方案及結(jié)果

結(jié)合上述研究成果，對應(yīng)部位適當優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果Cd值約降低0.02，如表4所示。

擾流板優(yōu)化前為6°，優(yōu)化后向為10°，車身尾部的渦數(shù)減少，且尾部渦流范圍明顯縮小。從擾流板處分離的氣流下壓趨勢也有所改善。

前風(fēng)擋玻璃優(yōu)化后貢獻較大，說明原方案A柱附近造型風(fēng)阻較大。

5 結(jié)束語

（1）通過對擾流板、后視鏡、前風(fēng)擋玻璃、A柱等局部流場開展分析，可以在保持造型格局前提下，找到降低風(fēng)阻的方案。

（2）本文通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，風(fēng)阻系數(shù)減少了0.02。

（3）應(yīng)用CFD技術(shù)在汽車造型初始階段，即可開始對造型進行指導(dǎo)，在造型定型過程中伴隨服務(wù)，效率高、成本低。

（4）前人研究方向與計算結(jié)果趨勢一致，可以作為設(shè)計指導(dǎo)參考。

表4

[1]許志寶. 汽車外流場CFD模擬. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報第30卷增刊,2007年12月

[2]劉芳，朱貞英，詹佳，門永新，趙福全. CDAJ-China. 中國用戶論文集,2011