汽車底部流場對氣動(dòng)阻力性能影響的研究

劉學(xué)龍,閆曉曉，黃森仁

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

汽車底部流場對氣動(dòng)阻力性能影響的研究

劉學(xué)龍,閆曉曉，黃森仁

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

汽車底部流場對整車氣動(dòng)性能具有重要影響，車體底部產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力可占到整車阻力的30%左右。本文針對某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(SUV)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬的方法，在車速120km/h的工況下，分析了汽車底部添加氣動(dòng)附件(前阻流板、車輪前后阻風(fēng)板、車體底部導(dǎo)流板)對整車氣動(dòng)性能的影響。分析結(jié)果表明，在車體底部和輪胎附近添加合適的氣動(dòng)附件，使得整車氣動(dòng)阻力下降了大約6%。

運(yùn)動(dòng)型多用途汽車；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；空氣動(dòng)力學(xué)；底部流場；STAR-CCM+

1 引言

降風(fēng)阻是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要手段，在我國汽車氣動(dòng)性能總體不高的前提下，通過降風(fēng)阻可有效提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，為達(dá)到第三和第四階段油耗法規(guī)要求提供有力技術(shù)保障。

大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究結(jié)果表明[1-2]，在汽車上安裝氣動(dòng)附加裝置可有效減少汽車的氣動(dòng)阻力，達(dá)到節(jié)能的目的。如文獻(xiàn)[3]中用光滑底板、光滑汽車底面研究氣動(dòng)阻力,使空氣阻力系數(shù)減少0.045，并指出通過光滑底板及加前阻風(fēng)板和輪軸、凹窩等局部細(xì)化，氣動(dòng)阻力系數(shù)可下降0.07。

本文以某SUV車型為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法，重點(diǎn)研究車體底部流場對整車氣動(dòng)性能影響的規(guī)律。通過在車體底部添加氣動(dòng)附加裝置(如前阻流板、前后車輪阻風(fēng)板和底部導(dǎo)風(fēng)板)，引導(dǎo)和組織氣流，總結(jié)出了改善底部流場的方法，為該類SUV車型氣動(dòng)減阻與車體底部氣動(dòng)附件的設(shè)計(jì)提供參考。

2 整車CFD建模

本文利用流體分析軟件STAR-CCM+，搭建了某SUV整車詳細(xì)CFD仿真模型，如圖1所示。

圖1 整車CFD模型Fig. 1 CFD model of the whole vehicle

由于本文主要研究的是車體底部流場，為提高計(jì)算效率，并未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場對整車氣動(dòng)性能的影響，即未建立發(fā)艙內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)的CFD模型。為盡可能降低計(jì)算過程中風(fēng)洞阻塞效應(yīng)對結(jié)果的影響，必須保證足夠大的風(fēng)洞尺寸，如圖2所示。其中，為使風(fēng)洞阻塞效應(yīng)降至最低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)洞的尺寸定義為：

長×寬×高=12L×10W×6H

其中： L—車長；W—車寬；H—車高。

圖2 風(fēng)洞尺寸Fig. 2 Digital wind tunnel size

2.1 物理模型和假設(shè)

(1)湍流模型采用基于k-ω模型的SST(剪切應(yīng)力輸運(yùn))模型。

(2)本文中，汽車速度設(shè)定為120km/h，遠(yuǎn)低于聲速，因此計(jì)算中假定氣體是不可壓縮的[4]。

(3)氣體具有粘性，這是產(chǎn)生氣動(dòng)阻力的根源。本次研究中，通過在車體近壁面添加多層邊界層單元，模擬氣體粘性產(chǎn)生的剪切應(yīng)力對整車氣動(dòng)阻力的影響。

(4)物理模型采用基于流體質(zhì)點(diǎn)微元的拉格朗日法，數(shù)學(xué)模型使用三維不可壓縮雷諾平均N-S(納維-斯托克斯)控制方程。

2.2 氣動(dòng)阻力系數(shù)定義

D—阻力；ρ—空氣密度；v∞—風(fēng)速(車速)；A—迎面投影面積；—?jiǎng)訅?/p>

P—?dú)饬髦衅嚤砻娴膲毫Γ籶∞—無窮遠(yuǎn)處參考點(diǎn)壓力，基準(zhǔn)靜壓；v—當(dāng)?shù)貧饬髁魉?/p>

2.3 邊界條件設(shè)定

見表1。

表1 初始、邊界條件設(shè)定Tab. 1 Boundary conditions setting

3 氣動(dòng)阻力特性分析

3.1 整車氣動(dòng)阻力分析

整車各部位氣動(dòng)阻力分布如圖3所示(根據(jù)CFD計(jì)算得出)，從圖中可以看出，車體前部、尾部和底部是主要的阻力源，分別占到了整車氣動(dòng)阻力的34%，16%和29%。其中，底部阻力主要是由于底部結(jié)構(gòu)不平整，以及底部凸出部件(排氣管、油箱、懸架等)對氣流的阻擋引起的。研究和試驗(yàn)結(jié)果均表明，在不平整的底部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過增加必要的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，合理的組織氣流，可起到改善底部流場的效果，有效降低整車的氣動(dòng)阻力。

圖3 整車氣動(dòng)阻力分布Fig. 3 Cd Distribution of the whole vehicle

圖4 阻流板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure of the front damp panel

3.2 前阻流板對整車氣動(dòng)性能的影響

試驗(yàn)表明，當(dāng)強(qiáng)氣流吹襲到車前部的阻流板上時(shí)，在其迎風(fēng)面上將產(chǎn)生正壓力，而在尾流部位將出現(xiàn)渦流，形成負(fù)壓力。阻力作用于阻流板本身，但在大多數(shù)情況下，作用在阻流板上的正負(fù)壓力的絕對值越大，則阻流板對減小阻力愈有效。換言之，雖然阻流板構(gòu)成一部分新的阻力，但它仍可減小全車總的阻力。這是由于安裝阻流板使車輛周圍的氣流得到改善，整車阻力的減小遠(yuǎn)超過阻流板本身所增加的阻力。一個(gè)有效的阻流板，應(yīng)能使整車阻力的減小大于其本身所產(chǎn)生的阻力。即[5]

Da＜D0-D (3)

式中：Da——阻流板本身的阻力

D0——無阻流板時(shí)整車的阻力

D——有阻流板時(shí)整車的阻力

本文在原整車模型的基礎(chǔ)上，在前保險(xiǎn)杠下方增加一阻流板，并分析其對整車氣動(dòng)性能的影響，阻流板的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

分析結(jié)果表明，當(dāng)在汽車前保險(xiǎn)杠下方添加一個(gè)阻流板(阻流板高度為40mm)時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)下降了不到0.5%?？梢?，本文中增加前阻流板，并未帶來預(yù)期的明顯效果，風(fēng)阻系數(shù)變化不大。原因在于，本文并未考慮機(jī)艙內(nèi)流的影響，而實(shí)際上，添加前阻風(fēng)板，主要是改善對前車體底部的壓力分布，而前車體底部的壓力分布又直接受機(jī)艙內(nèi)流出氣流的影響。

增加車體前部阻流板的實(shí)際效果與汽車底部結(jié)構(gòu)，甚至汽車造型都有密切的關(guān)系。因此，對于不同車型，在前車體底部增加阻風(fēng)板，其形狀和位置都必須經(jīng)過大量優(yōu)化(仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn))，最終才能得到適合本車型的最佳結(jié)構(gòu)和布置方案。

3.2.1 汽車底部的流場結(jié)構(gòu)變化

從圖5可以看出，添加阻流板后，在阻流板后區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)。但由于本模型中，機(jī)艙下護(hù)板位置偏低，氣流經(jīng)過阻流板后，又再次受到機(jī)艙下護(hù)板的阻擋。因此，阻流板對整車底部壓力系數(shù)的影響僅限于前機(jī)艙底部區(qū)域，而在中部和后部，壓力系數(shù)變化較小。加上阻流板自身帶來的阻力，使得最終整車阻力系數(shù)下降的幅度不大。

3.2.2 車體側(cè)面的流動(dòng)分離變化

由圖6可以看出，添加前阻流板后，前輪罩外側(cè)的氣流流速增大，流動(dòng)分離相對減弱，整車氣流狀態(tài)總體要比添加前阻流板之前有所改善。預(yù)計(jì)在引入機(jī)艙內(nèi)流場對整車氣動(dòng)阻力的影響后，這個(gè)效果會(huì)更明顯一些。3.3 車輪前、后阻風(fēng)板對整車氣動(dòng)性能的影響

圖5 車體底部壓力分布(Cp)Fig. 5 Cpdistribution of underbody

3.3.1 優(yōu)化結(jié)果分析

車輪的幾何外形對車輪后部流場影響更大，其結(jié)果是車輪的表面壓力系數(shù)和渦流都有顯著的變化[6]。

計(jì)算結(jié)果表明，在前后車輪前部增加阻風(fēng)板，可在整車迎風(fēng)面積基本保持不變的情況下，顯著降低整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)，最終使得整車氣動(dòng)阻力降低16個(gè)count,下降幅度達(dá)到4.1%，如表2所示?？梢娷囕喿栾L(fēng)板對降低整車氣動(dòng)阻力起到了非常重要的作用。

表2 優(yōu)化前后對比分析Tab. 2 Comparison of Cdresult

3.3.2 輪罩附近區(qū)域和車體底部流動(dòng)能量損失減弱

由車體底部流動(dòng)的那個(gè)能量損失分布圖(圖7)可以看出，在前后車輪前面添加阻風(fēng)板后，車身輪罩附近和前、后車體底部的流場均有所改善，車體底部和輪罩外側(cè)的流動(dòng)能量損失明顯減弱，流動(dòng)更為順暢，整車阻力系數(shù)總體下降顯著。

3.3.3 車輪附近流動(dòng)狀態(tài)變化分析

在前車輪前部增加阻風(fēng)板后，車輪前部氣流流速降低，氣流在前車輪上正前方形成的滯止壓力也隨之下降，使得由車輪本身引起的氣動(dòng)阻力有所降低，如圖8、圖9所示。

圖7 車體底部流動(dòng)能量損失分布(ISO=0)Fig. 7 Energy loss of underbody(ISO=0)

圖8 車輪前部空氣流速Fig. 8 Air velocity around front wheels

圖9 車輪表面壓力變化(Cp)Fig. 9 Cpchanging of wheel surface

3.3.4 輪罩區(qū)域壓力變化

根據(jù)以上分析結(jié)果，車輪前部增加阻風(fēng)板降低了氣流對車輪的沖擊，使得輪胎表面正前部區(qū)域的壓力下降，風(fēng)阻降低。與此同時(shí)，氣流對前、后輪罩的沖擊也相應(yīng)減弱，使得整個(gè)前后車輪附近的壓力水平總體下降，阻力也相應(yīng)減小，如圖10所示。

從計(jì)算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：車輪前部阻風(fēng)板不僅可以減小氣流對旋轉(zhuǎn)輪胎的直接沖擊，同時(shí)，還可改善輪罩內(nèi)側(cè)和外側(cè)，以及前車體底面的流場分布。合理的設(shè)計(jì)車輪前阻風(fēng)板，可以以較低的成本，獲得顯著改善整車氣動(dòng)性能的效果。

3.4 車體底部導(dǎo)風(fēng)板對整車氣動(dòng)性能的影響

車體底部導(dǎo)風(fēng)板對改善整車氣動(dòng)性能具有重要作用。通常情況下，汽車地板和底盤多數(shù)沿用已有車型平臺，因此，一旦車型平臺確定，其地板結(jié)構(gòu)和底盤等也基本確定。如果地板和底盤的平整性差，很難通過修改地板和底盤的鈑金和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改進(jìn)。這時(shí)候，通常需要在底部增加導(dǎo)風(fēng)板，通過合理的梳理氣流，可在底部平整性較差的情況下，也能達(dá)到接近平整底面所具有的氣動(dòng)性能。

平整的底部結(jié)構(gòu)，使得氣流遇到的阻礙減少，使汽車底部氣流順利的通過[7]，整車阻力下降。

同時(shí)，底部流速增大，壓力下降，可以增加車身下壓力，這對于改善整車的升力特性，提升操縱穩(wěn)定性，也是非常有利的。

3.4.1 優(yōu)化結(jié)果分析

設(shè)計(jì)成功的底部導(dǎo)風(fēng)板，還應(yīng)綜合考慮其他多種因素，如結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)噪聲、熱害等。本文通過在前排座椅底部下方增加一合適的導(dǎo)風(fēng)板(圖11)，使整車氣動(dòng)阻力下降了1.5%，有效的改善了底部流動(dòng)的平整性，如表3所示。

圖10 前后輪罩區(qū)域壓力系數(shù)變化(Cp)Fig. 10 Cpchanging around front and rear wheelhouse

圖11 底部導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Structure of air deflector under the vehicle

表3 優(yōu)化前后對比分析Tab. 3 Comparison of Cd

3.4.2 車體底部流動(dòng)分析

原車由于底部結(jié)構(gòu)不平整，存在很多凹凸不平的結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)中間產(chǎn)生了較多的渦流，耗散掉大量流動(dòng)能量。同時(shí)，底部凸出結(jié)構(gòu)和部件，對氣流產(chǎn)生了阻礙作用，使得整車阻力進(jìn)一步增大。

在底部增加導(dǎo)風(fēng)板后，渦流明顯減弱，對汽車底部次生邊界層和尾部渦流也起到抑制作用[8]；導(dǎo)風(fēng)板尾部的翹起，也使得氣流越過底部凸出部件(排氣管、油箱等)，底部流動(dòng)更加順暢，進(jìn)而減小底部的空氣阻力。

4 結(jié)論

汽車底部阻力占整車阻力的30%左右，是主要的阻力源，汽車底部的復(fù)雜流動(dòng)對整車氣動(dòng)性能具有很大的影響，但底部流場受地面效應(yīng)和車輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。本文通過在車體底部增加合適的導(dǎo)流板，合理的組織氣流，使氣流順暢的通過底部，使得整車氣動(dòng)阻力在原車基礎(chǔ)上下降了6%，取得了較好的效果。通過研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)前保險(xiǎn)杠下方添加阻流板，可有效改善整車的氣動(dòng)阻力性能，但阻流板的形狀和位置，須經(jīng)過大量仿真優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，以最終確定所添加的阻流板是有效的。

圖12 底部左側(cè)導(dǎo)風(fēng)板流速變化Fig.12 Air velocity changing of left underbody

圖13 底部右側(cè)導(dǎo)風(fēng)板流速變化Fig.13 Air velocity changing of right underbody

(2)在前后車輪前部設(shè)計(jì)合理的阻風(fēng)板，可有效改善車輪附近區(qū)域的流場，以較低的成本，顯著提高整車的氣動(dòng)性能。

(3)車體底部導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計(jì)原則應(yīng)是使氣流平順的流過底部，將底部凹凸不平的結(jié)構(gòu)覆蓋于導(dǎo)流板內(nèi)，并減小底部凹凸不平的結(jié)構(gòu)對氣流的阻滯和不良誘導(dǎo)，可以有效改善整車的氣動(dòng)特性。

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Numerical Research on Influence of the Underbody Flow Structure of Automotive Aerodynamic Performance

LIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren
(Automotive Engineering Research Institute, China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China)

The flow structure under the car, which caused about 30% air resistance of the vehicle, has a significant influence on the vehicle's aerodynamic performance. A CFD(Computational Fluid Dynamics) method is used to do research on aerodynamic accessories' (including front damp panel, front wheel damp panels, rear wheel damp panels, and guiding panel under the middle of the car) influence on a SUV(Sport Utility Vehicle) at the speed of 120kph. The result showed that proper design of aerodynamic accessories under the vehicle could decrease the air resistance by nearly 6 percent.

SUV; CFD; aerodynamics; underbody flow; STAR-CCM+

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.05

中國汽車技術(shù)研究中心《SUV車型性能對標(biāo)橫向課題》。作者簡介： 劉學(xué)龍(1983-), 男, 工程師, 碩士研究生。

劉學(xué)龍,閆曉曉，黃森仁．汽車底部流場對氣動(dòng)阻力性能影響的研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5(3)：35-41

: LIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren. Numerical research on influence of the underbody flow structure of automotive Aerodynamic performance [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 35?41.