某SUV車身風阻的優(yōu)化設(shè)計研究

王俊陳如意

（重慶長安汽車股份有限公司汽車研究總院，重慶401120）

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某SUV車身風阻的優(yōu)化設(shè)計研究

王俊陳如意

（重慶長安汽車股份有限公司汽車研究總院，重慶401120）

【摘要】采用CFD方法進行了某車身風阻分析和優(yōu)化。在實際車型研發(fā)過程中，通過對某SUV前保險杠下部、發(fā)動機罩、車頂、后輪輪眉、背部造型和A柱等部位的仿真計算來揭示其優(yōu)化原理和改進效果，并通過油泥模型和工裝樣車的風洞試驗進行了部分方案的驗證，以確定分析精度和方案有效性。通過對這些車身部位的分析和優(yōu)化，顯著降低了該車的風阻系數(shù)。

1　空氣動力學分析方法介紹

為了優(yōu)化整車空氣動力學性能，將整車空氣動力學分析分為3個階段：

a.在創(chuàng)意草圖前期，可以聯(lián)合總布置對車身中截面進行優(yōu)化分析，共同確定各個硬點位置，輸出給造型作為約束。

b.在造型階段，前期工作重點在于對標選型，以確定一款性能較優(yōu)的空氣動力學車身造型；在確定其中一款造型后至車身造型A面數(shù)據(jù)凍結(jié)之前，對上車體風阻的分析和優(yōu)化是關(guān)注的重點。

c.車身A面數(shù)據(jù)凍結(jié)至生產(chǎn)工裝樣車期間，以發(fā)動機艙氣流控制及底盤封裝為主，結(jié)合風洞試驗來確定最優(yōu)組合方案[1]。

在車身A面數(shù)據(jù)凍結(jié)至生產(chǎn)工裝樣車期間，由于發(fā)動機艙氣流管理和底盤封裝的技術(shù)方案較為固定，降阻效果明顯，國內(nèi)應(yīng)用較為常見，文獻[2]和文獻[3]便是對前擾流器的研究和應(yīng)用。要進一步提高空氣動力學性能，必須在第2階段進行車身優(yōu)化。文獻[4]應(yīng)用遺傳算法對阻力和升力進行優(yōu)化，文獻[5]基于響應(yīng)面方法對某SUV進行優(yōu)化，文獻[6]應(yīng)用Adjoint方法對一輛低風阻跑車進行風阻優(yōu)化，這些優(yōu)化或多或少存在著計算容易發(fā)散、分析周期過長、計算機硬件資源消耗過大和無法繼承分析者優(yōu)化經(jīng)驗等問題，難以滿足實際工程研發(fā)對快速響應(yīng)的需求。

本文在某車型實際研發(fā)周期中，總結(jié)了第2階段的空氣動力學分析中對車身采用的優(yōu)化措施及對應(yīng)的優(yōu)化幅度，并進行了油泥模型和工裝樣車的風洞試驗驗證，以確保分析方法的正確性和優(yōu)化方案的有效性。

2　研究方法

首先將CAD模型導入HyperMesh中進行部件分組和面處理，以對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸劃分面網(wǎng)格；其次將該面網(wǎng)格導入STAR-CCM＋后，建立尺寸為11L（車長）×9W（車寬）×4.5H（車高）的求解域，控制分析模型的阻塞比為2.5 %（低于5 %），其進口距車身前端為3L，出口距車身后端為7L，以保證汽車尾流區(qū)充分發(fā)展；再對網(wǎng)格進行包面處理，手工提高面網(wǎng)格質(zhì)量避免計算發(fā)散；最后設(shè)置多個局部加密區(qū)后劃分成Trim體網(wǎng)格單元。

造型前期采用簡化平底盤模型，下車體為平面，封閉全部進氣格柵，無發(fā)動機艙內(nèi)模型，對應(yīng)于造型油泥風洞試驗。項目后期采用整車全細節(jié)模型，包含具體的底盤模型和發(fā)動機艙內(nèi)模型，冷卻模塊采用多孔介質(zhì)模型模擬，其阻力參數(shù)由零部件測試數(shù)據(jù)擬合得到，對應(yīng)于工裝樣車風洞試驗，其網(wǎng)格布局如圖1所示。

圖1　整車模型的中截面網(wǎng)格布局

設(shè)定模型入口風速為100 km/h，出口為壓力出口邊界條件，環(huán)境溫度為20℃，空氣密度為1.205 kg/m3，湍流模型為Realizable K-Epsilon模型，差分格式為2階迎風格式。Realizable K-Epsilon模型引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，可以有效用于不同類型的流動模擬。

使用網(wǎng)格處理技術(shù)來實現(xiàn)模型的修改，包括使用網(wǎng)格變形軟件進行局部變形，重新導入軟件進行部件網(wǎng)格替換及縫合修改，再重新劃分體網(wǎng)格進行計算。

3　簡化模型下的風阻優(yōu)化

3.1前保險杠下部優(yōu)化

如圖2所示，將前保險杠下部沿車身長度方向X軸正向壓縮變形50 mm，避免形成平直的迎風面。此外，該方案同時能夠增大車輛接近角，提高通過性能。

圖2　前保險杠下部形狀的修改

壓力系數(shù)和分離區(qū)的變化（圖3）顯示，此方案可以降低前保險杠下部附近的正壓范圍及其壓力數(shù)值，從而降低壓差阻力。從分離區(qū)的變化來看，新方案的前保險杠下緣分離區(qū)變小，能量損失獲得一定程度改善。該方案可以使風阻系數(shù)達到4.0counts。

圖3　壓力系數(shù)和分離區(qū)的變化

3.2發(fā)動機罩優(yōu)化

在發(fā)動機艙布置允許的情況下，盡量壓低發(fā)動機罩前端，增大發(fā)動機罩傾角，從而減小發(fā)動機罩與風窗玻璃的夾角，達到降低氣動阻力、升力的效果[7]。如圖4所示，將發(fā)動機罩前端下壓（-Z向）8 mm且內(nèi)收（+X向）20 mm，末端上抬（+Z向）20 mm。該方案將發(fā)動機罩與前風擋的夾角減小至2°，同時對發(fā)動機罩前緣進行了改型。

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圖4　發(fā)動機罩形狀的修改

從圖5的速度分布圖來看，新方案發(fā)動機罩上的分離區(qū)變小，氣流能更加緊貼發(fā)動機罩向前風擋流動，其前風擋下端的低速區(qū)域變小；當氣流在前風擋上端重新開始附著，并在車頂前端達到最高速度，新方案在此處的速度高于原方案，可見新方案使氣流流動得更加順暢，能量損失更小。從圖5的壓力系數(shù)分布圖可以看出，新方案的前風擋上壓力增加，同時上格柵上部的正壓明顯減弱，該兩處壓力的變化引起壓差阻力的改變，此處修改可以降低風阻系數(shù)5.0counts。

圖5　速度分布和壓力系數(shù)的變化

3.3車頂弧度優(yōu)化

為使氣流平順地流過車頂，降低風阻系數(shù)，在滿足乘員艙空間要求下，車頂外形應(yīng)選擇合適的上撓系數(shù)，圖6中Lr為頂蓋上撓的縱向跨度，ar為上撓的距離[8]。通過測量發(fā)現(xiàn)，原方案的上撓系數(shù)為0.04，需要將車頂上拉（+Z向）40 mm，以接近上撓系數(shù)的最佳值0.06，同時獲得更佳的乘員頭部空間。

圖7為修改前、后的中截面速度分布對比，從中可以發(fā)現(xiàn)，當車頂上拉40 mm增加上撓度以后，位置Ⅰ的等速度區(qū)域變小，而位置Ⅱ的等速度區(qū)域變得狹長并向車后發(fā)展，表明氣流能夠向車后方更加順暢的流動。從風阻系數(shù)來看，車頂上拉20 mm和40 mm后，風阻系數(shù)分布降低1.0counts和1.5counts，由此可知，上撓系數(shù)越接近0.06，風阻系數(shù)降低越多。

3.4后輪輪眉優(yōu)化

若后輪不需要轉(zhuǎn)向功能，為了最大程度降低風阻系數(shù)，某些車型會將后輪隱藏在車體內(nèi)部，如大眾超級節(jié)能車XL1。但是，大多數(shù)情況下為了造型美觀，后輪側(cè)面不可能封閉在車身內(nèi)，可將后輪輪眉適當外拉（-Y向）以避免輪胎面受到氣流的直接沖擊。后輪輪眉優(yōu)化方案如圖8所示，將后輪輪眉后邊線外拉20 mm，以更好地遮擋后輪，同時與輪眉前端形成更大的斜面用于引導氣流避開車輪。

3.5造型風洞試驗

在上海地面交通工具風洞中心（SAWTC）對該車油泥模型進行風洞試驗。SAWTC回流式實車風洞的噴口面積約為27 m2，測試風速為25～250 km/h，測試段長度為15 m，駐室體積（W×L×H）為17 m×22 m×12 m。油泥模型與CFD分析模型保持一致，底盤為簡化平面，封閉全部進氣格柵。

圖6　車頂?shù)男薷姆桨?/p>

圖7　修改前、后中截面速度分布變化

圖9　輪骨外拉后壓力系數(shù)對比

圖8　后輪輪眉優(yōu)化示意

對基礎(chǔ)造型的風阻系數(shù)進行測試，得到計算與試驗的誤差為+1.8 %，計算值略大一些。對后輪輪眉方案進行風阻測試發(fā)現(xiàn)，輪眉外拉20 mm可以降低風阻系數(shù)3.0counts，與CFD計算結(jié)果非常吻合。因此，本文采用的計算模型、網(wǎng)格分布和分析參數(shù)等滿足設(shè)計精度的要求，能夠保障其他方案計算結(jié)果的準確性。

4　整車模型下的風阻優(yōu)化

4.1背部造型優(yōu)化

涉及到影響尾部氣流的方案需要在整車模型下進行分析，包括后擾流板、尾部側(cè)擾流器、后保險杠改型和背部造型等。如圖10所示，分別將背部沿X軸壓縮或拉伸60 mm，考察背部造型風格對風阻系數(shù)的影響。

圖10　背部造型優(yōu)化方案描述

圖11為各方案中截面速度分布和壓力分布，從中可以看出，新方案A（外拉60 mm）的上下對渦明顯，上尾渦在車身長度X方向變小，下尾渦基本不變，但是靠近背部的低速區(qū)范圍變大，而新方案B（內(nèi)壓60 mm）的整個尾渦范圍變大，但尾渦區(qū)速度較大，且靠近背部的低速區(qū)范圍變小。從圖11的壓力分布圖可以看出，新方案A的背部上部分區(qū)域壓力降低，而新方案B的整個背部區(qū)域壓力增大。背部壓力的變化，直接反映壓差阻力的變化，而壓差阻力對風阻起到更為明顯的作用。新方案A風阻系數(shù)增加3.0counts，而新方案B風阻系數(shù)降低12counts，由此可知較為平直的背部造型有利于降低風阻。

4.2A柱優(yōu)化

在項目后期對原方案A柱斷面結(jié)構(gòu)進行分析時，發(fā)現(xiàn)該車型A柱前沿的第Ⅰ段平面很窄，第Ⅱ段接近平面而無上擾度，如圖12所示。同時發(fā)現(xiàn)其A柱的斷差過大，整體斷差約為22 mm，而且該A柱無裝飾條，這種結(jié)構(gòu)非常容易使A柱氣流分離，增大分離區(qū)范圍，使能量損失嚴重，風阻增加。

圖11　各方案中截面速度分布和壓力分布

對A柱進行改型和減小與前風擋的斷差是有效的解決方案，但是由于在項目后期才發(fā)現(xiàn)該問題，只能通過在A柱附近增加高度×寬度為18 mm×20 mm的裝飾條用于改善氣流分離，新方案如圖13所示。

圖12　原方案A柱的斷面結(jié)構(gòu)　圖13　新方案A柱的斷面結(jié)構(gòu)

其分離區(qū)變化如圖14所示，新方案使得A柱分離區(qū)有所減小，能量損失減少，風阻系數(shù)降低3.5counts。裝飾條方案相當于在A柱前端增加一段平面，用于擴展第Ⅰ段平面，使氣流延遲分離。

圖14　A柱優(yōu)化后分離區(qū)變化

4.3整車風洞試驗驗證

在SAWTC進行了工裝樣車風洞測試，經(jīng)過試驗測試可知，A柱優(yōu)化方案風阻系數(shù)降低4.3counts，與CFD計算趨勢一致?；A(chǔ)方案的計算值與試驗誤差非常小，在5counts以內(nèi)。增加A柱裝飾件后計算與試驗誤差有輕微增加，約為5counts。通過對比表明，CFD計算值的精度非常高。

5　減阻方式和效果確認

針對上述優(yōu)化方案，匯總其減阻方式及減阻效果如表1所示，其中，“√”表示有改進，“-”表示未起作用，“×”表示會變差。從減阻方式來看，方案1和方案2對形狀阻力和渦流阻力均有優(yōu)化，其表面的正壓減小，使得壓差阻力減小，同時氣流分離區(qū)減小，氣流能量損失減小。方案3通過改變外形使氣流更順暢地流過其表面，降低了形狀阻力中的摩擦阻力。方案4通過后輪輪眉前沿的導流設(shè)計避免氣流對車輪的直接沖擊，雖然輪眉本身的差壓阻力會增加，但是會更明顯地降低車輪輪胎的壓差阻力，同時減少氣流進入到輪罩內(nèi)的渦流區(qū)。方案5雖然尾渦區(qū)域有所增加，但是背部壓力明顯增加，通過降低壓差阻力，減阻效果明顯。因為壓差阻力的91%來自車身后部[7]，因此對車身背部形狀的研究就顯得尤為重要。方案6主要通過延遲氣流分離，減小A柱渦流區(qū)域，降低渦流阻力，減少氣流動能損失。

表1　各方案的減阻方式及其減阻效果

上述6個方案累計降低風阻系數(shù)約29counts。但必須指出的是，將這些降阻方案組合使用時的優(yōu)化效果并不是線性疊加，需要進行方案之間相互影響的研究。

參考文獻

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（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2016年1月1日。

Research on Aerodynamic Design Optimization of a SUV Body

Wang Jun, Chen Ruyi

（Changan Auto Global R&D Center, Changan Automobile Co. Ltd, Chongqing 401120）

【Abstract】In this paper, aerodynamics drag analysis and optimization of external body are made in CFD. In the actual vehicle development, the optimization principle and the improvement effect are revealed by the simulation of these body regions, i.e. the lower part of the front bumper, bonnet, roof, rear wheel arch, back section styling and A-pillar. Then, the clay model and real vehicle prototype are tested in wind tunnel to verify the partial solutions, to determine the accuracy of analysis and validity of this solution. Drag coefficient of this vehicle is reduced significantly by the analysis and optimization of these body regions.

Key words:SUV, Body, Drag coefficient, CFD, Wind tunnel test

中圖分類號:U461.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）02-0019-04

主題詞:SUV車身風阻系數(shù)CFD風洞試驗