前擾流板對機(jī)艙進(jìn)氣量和車輛氣動阻力的影響研究

肖 能，王小碧，王偉民，史建鵬

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058)

前言

整車氣動阻力直接影響燃油經(jīng)濟(jì)性能，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局越來越緊湊，從而對發(fā)動機(jī)艙的散熱性能提出了更高要求，而冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量與機(jī)艙散熱性能直接相關(guān)[1]。

作用在汽車上總的氣動阻力主要由3部分組成：車身外流場阻力、機(jī)艙內(nèi)流場阻力和車底部阻力[2]。后兩者比較容易被忽視，故應(yīng)予特別關(guān)注。目前，很多乘用車在設(shè)計中都在前保險杠下方安裝前擾流板，以提高整車氣動性能。車底前擾流板會對車身上下氣流分離產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響整車氣動性能。由于車底部件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時受地面效應(yīng)和車輪轉(zhuǎn)動的影響，導(dǎo)致車底流速過高且異常復(fù)雜。前擾流板可使車底前部大部分零部件避免高速氣流的沖擊，通過降低車底阻力，從而降低整車的氣動阻力。另一方面，擾流板本身對氣流也會產(chǎn)生阻力，因此必須對擾流板進(jìn)行優(yōu)化以確定其最佳方案[3]。

本文中首先采用Star-CCM+軟件對某自主品牌乘用車基礎(chǔ)模型進(jìn)行氣動性能仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，然后在該模型的基礎(chǔ)上，在前保險杠下方添加前擾流板，研究其對整車風(fēng)阻系數(shù)及機(jī)艙冷卻進(jìn)風(fēng)量的影響。通過對比前擾流板在不同高度時的仿真結(jié)果，分析其對氣動阻力系數(shù)及冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量的影響規(guī)律和原因，從而確定前擾流板的最優(yōu)高度。

1 計算模型與邊界條件

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

整車氣動性能分析的模型包括車身外表、發(fā)動機(jī)艙內(nèi)鈑金件、進(jìn)氣格柵、冷卻模塊、發(fā)動機(jī)、蓄電池，進(jìn)排氣系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)等影響前艙空氣流動的主要部件，在Star-CCM+中進(jìn)行包面處理，并建立數(shù)值風(fēng)洞，同時兼顧計算精度和計算機(jī)硬件資源，調(diào)整網(wǎng)格疏密度，在機(jī)艙內(nèi)部重要的位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最終生成機(jī)艙內(nèi)部網(wǎng)格模型，如圖1所示。

1.2 邊界條件

本次計算輸入?yún)?shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)相同，數(shù)值風(fēng)洞入口風(fēng)速為120km/h，出口設(shè)定為壓力出口；冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型來模擬，其慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)方案

實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)委托同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心(SAWTC)進(jìn)行，利用氣動-聲學(xué)整車風(fēng)洞(AAWT)對實(shí)車空氣動力學(xué)進(jìn)行性能測試，測量了不同車速、不同橫擺角和不同氣動優(yōu)化方案下的風(fēng)阻系數(shù)大小。為了確定數(shù)值仿真模型的計算精度，選用實(shí)車基礎(chǔ)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真結(jié)果進(jìn)行對比。本文所研究的前擾流板位于車底前保險杠下方，其高度和位置須進(jìn)行多種方案對比來確定，若全部采用風(fēng)洞試驗(yàn)來完成會產(chǎn)生高昂的試驗(yàn)費(fèi)用，因此在確認(rèn)仿真模型計算精度的前提下，采用CFD軟件，對不同高度的前擾流板進(jìn)行仿真分析，以確定效果最佳的前擾流板的高度，降低整車風(fēng)阻系數(shù)并提高機(jī)艙冷卻進(jìn)風(fēng)量。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

由于車身離地間隙會對風(fēng)阻產(chǎn)生較大影響，通常離地間隙越高風(fēng)阻系數(shù)越大。因此仿真分析時，車身姿態(tài)必須與試驗(yàn)時車身姿態(tài)一致。風(fēng)洞試驗(yàn)采用了多種方案，僅提取與本文分析相關(guān)的汽車原姿態(tài)的風(fēng)洞試驗(yàn)值，并與仿真風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果進(jìn)行對比，如表1所示，以原方案為基準(zhǔn)，對仿真風(fēng)阻系數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。同時，仿真分析中風(fēng)阻系數(shù)約在3‰的范圍內(nèi)波動，為了消除該因素的影響，仿真計算收斂后取一定迭代步數(shù)范圍內(nèi)的風(fēng)阻系數(shù)平均值。

表1 試驗(yàn)與仿真風(fēng)阻系數(shù)Cd結(jié)果

由表1可見，仿真與試驗(yàn)風(fēng)阻系數(shù)誤差約為3%，說明所采用的CFD仿真分析網(wǎng)格和相關(guān)參數(shù)設(shè)置等滿足設(shè)計精度的要求，從而為后續(xù)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保證。

4 前擾流板對機(jī)艙進(jìn)氣量和風(fēng)阻系數(shù)的影響

為了提高整車動力性和經(jīng)濟(jì)性，國外一款汽車研發(fā)過程中有時要進(jìn)行數(shù)百小時的風(fēng)洞試驗(yàn)[4]，費(fèi)用昂貴。為了提高研發(fā)效率、降低試驗(yàn)次數(shù)，在研發(fā)前期采用CFD仿真分析方法進(jìn)行研究已經(jīng)成為必不可少的過程。

4.1 不同高度前擾流板的仿真分析結(jié)果

為提高某款自主品牌乘用車的氣動性能，對圖2所示的不同高度的前擾流板進(jìn)行了仿真分析，充分研究了前擾流板對機(jī)艙進(jìn)氣量和風(fēng)阻系數(shù)的影響規(guī)律和原因。

整車風(fēng)阻系數(shù)分析結(jié)果如圖3所示，以無前擾流板時的仿真結(jié)果為基準(zhǔn)做歸一化處理。由圖可見，整車風(fēng)阻系數(shù)隨前擾流板高度的增加呈先減小后增大的趨勢，高度為20mm時風(fēng)阻系數(shù)最小。

圖4和圖5分別為格柵和散熱器進(jìn)氣量隨前擾流板高度而變化的曲線。由圖可見，前端格柵進(jìn)氣量和散熱器進(jìn)氣量隨著前擾流板高度的增加而增大，最后上升趨勢減弱，兩者變化趨勢相同。當(dāng)前擾流板高度在15～30mm之間時，前格柵進(jìn)氣量和散熱器進(jìn)氣量變化最為劇烈。從圖4中還可看出，與上格柵進(jìn)氣量相比，下格柵進(jìn)氣量隨前擾流板的高度變化更加敏感。

4.2 機(jī)艙進(jìn)氣量影響原因分析

圖6為中心截面機(jī)艙壓力系數(shù)分布圖，從圖中可以解釋前擾流板對機(jī)艙進(jìn)氣量和風(fēng)阻系數(shù)造成影響的原因：隨著前擾流板高度的增加，機(jī)艙內(nèi)部冷卻系統(tǒng)后方負(fù)壓區(qū)呈逐漸擴(kuò)大的趨勢，當(dāng)高度為20mm時，后艙基本被負(fù)壓區(qū)完全覆蓋，前后艙壓力差逐漸增強(qiáng)，從而有利于氣流進(jìn)入機(jī)艙。同時，當(dāng)前擾流板高度為15～30mm時，后艙負(fù)壓區(qū)域變化趨勢最為劇烈，而當(dāng)高度超過30mm時，后艙負(fù)壓區(qū)域變化趨勢減弱，該變化趨勢與上文前端格柵及冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量變化趨勢一致。

同時，隨著前擾流板高度的增加，車底氣流進(jìn)氣面積逐漸減小，因此進(jìn)入車底的氣流將逐漸減少，從而迫使氣流從前端格柵、車身上部和兩側(cè)分流，也會有利于前端格柵和冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量的提高。

4.3 風(fēng)阻系數(shù)影響原因分析

通過分析前擾流板高度變化時，車輛各個部件的風(fēng)阻變化趨勢，可得到對前擾流板高度變化較敏感的零部件。圖7為以原方案為基準(zhǔn)，風(fēng)阻值隨前擾流板高度變化降低趨勢較大的幾個部件，由圖可見，風(fēng)阻值降低較多的部件大部分都位于車底部位置，說明前擾流板有利于車底部件風(fēng)阻降低；隔音墊和防火墻風(fēng)阻下降趨勢最大，從圖6中該部件所處位置的壓力系數(shù)變化圖中可以看出，其壓力由正壓變?yōu)樨?fù)壓，因此風(fēng)阻值下降趨勢較大。

圖8為以原方案為基準(zhǔn)，隨前擾流板高度變化風(fēng)阻值升高較大的幾個部件，從圖中可以看出，風(fēng)阻值增大的部件基本位于前端格柵附近。由于前擾流板的作用，氣流在前端格柵重新分配，從來流方向進(jìn)入車底的氣流減少，前端格柵、車身上部和兩側(cè)的氣流增加，從而導(dǎo)致各部件風(fēng)阻發(fā)生變化，其中前飾板風(fēng)阻值變化最為明顯。另外，前擾流板風(fēng)阻與其高度基本成線性變化關(guān)系，由于此關(guān)系的存在，前擾流板高度逐漸增加對總的風(fēng)阻系數(shù)的影響將會越來越大，因此必須對其高度進(jìn)行合適的選擇。

由圖7和圖8可見，前擾流板高度在15～30mm之間時各部件風(fēng)阻變化趨勢最為劇烈，增加前擾流板可帶來車底等部件風(fēng)阻值的降低，同時也會導(dǎo)致其它一部分零部件風(fēng)阻值增高，前擾流板的高度為20mm時，可使風(fēng)阻系數(shù)降低2%，散熱器進(jìn)氣量增大6%。

前擾流板位于前端底部，可以保護(hù)其后方車底部件避免高速氣流的沖擊。圖9為無前擾流板和前擾流板高度為20mm時車底附近氣流速度截面云圖，從圖中對比可以看出，當(dāng)有前擾流板時車底氣流速度明顯降低。

5 結(jié)論

本文中將某自主品牌乘用車的整車風(fēng)洞試驗(yàn)與相同狀態(tài)下的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，同時仿真分析不同高度前擾流板對整車風(fēng)阻系數(shù)和機(jī)艙進(jìn)氣量的影響規(guī)律及原因,得出如下結(jié)論：

(1) 采用CFD數(shù)值仿真分析方法進(jìn)行整車氣動阻力仿真，與試驗(yàn)測量結(jié)果相吻合；

(2) 前擾流板有利于整車氣動性能和機(jī)艙散熱性能的提高，但須對其高度進(jìn)行優(yōu)化，合適高度的前擾流板可使整車風(fēng)阻系數(shù)較小且機(jī)艙進(jìn)氣量較大；

(3) 前擾流板通過保護(hù)車底部件避免高速氣流沖擊，降低了車底部件氣動阻力，從而可降低整車總的氣動阻力；

(4) 前擾流板可加強(qiáng)機(jī)艙后部負(fù)壓區(qū)，并使氣流在車身前端重新分配，從而提高機(jī)艙格柵進(jìn)氣量和冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量。

[1] Edinilson Alves Costa. CFD Approach on Underhood Thermal Management of Passenger Cars and Trucks[C]. SAE Paper 2003-01-3557.

[2] Varun Ramakrishnan. A Numerical Approach to Evaluate the Aerodynamic Performance of Vehicle Exterior Surfaces[C]. SAE Paper 2011-01-0180.

[3] Silvestre Artiaga Hahn. Virtual Aerodynamic Engineering at GM Europe Development of the 2006 OPEL Corsa[C]. SAE Paper 2007-01-0102.

[4] Nina Tortosa. Aerodynamic Development of the 2011 Chevrolet Volt[C]. SAE Paper 2011-01-0168.