基于STAR-CCM+的某轎車(chē)減阻優(yōu)化研究

李林　林強(qiáng)　陳建超　董明明　吳迪

（長(zhǎng)安汽車(chē)公司汽車(chē)工程研究總院，重慶　401120）

基于STAR-CCM+的某轎車(chē)減阻優(yōu)化研究

李林林強(qiáng)陳建超董明明吳迪

（長(zhǎng)安汽車(chē)公司汽車(chē)工程研究總院，重慶401120）

應(yīng)用STAR-CCM+軟件對(duì)長(zhǎng)安汽車(chē)某款轎車(chē)進(jìn)行了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析。通過(guò)仿真分析找到了影響空氣阻力系數(shù)的關(guān)鍵零部件，并對(duì)進(jìn)氣格柵、前唇、輪胎擋板、冷卻模塊擋板及前端封裝板進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后風(fēng)阻降低效果明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析的有效性和可行性。

主題詞：轎車(chē)風(fēng)阻系數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化

1　前言

汽車(chē)空氣動(dòng)力特性是汽車(chē)的重要性能之一，它直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性［1］。汽車(chē)的氣動(dòng)阻力與車(chē)速的平方成正比，且氣動(dòng)阻力所消耗的功率和燃油又與車(chē)速的立方成正比，因而通過(guò)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究來(lái)降低汽車(chē)氣動(dòng)阻力、提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率、改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果，不僅可提高汽車(chē)動(dòng)力學(xué)性能，而且還可改善燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于高速行駛的汽車(chē)，因?yàn)闅鈩?dòng)阻力對(duì)其各項(xiàng)性能的影響占主導(dǎo)地位，所以良好的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性是汽車(chē)高速、安全行駛的前提。

參考國(guó)內(nèi)外汽車(chē)風(fēng)阻優(yōu)化相關(guān)文獻(xiàn)［2～6］，本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對(duì)某自主品牌汽車(chē)進(jìn)行了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算，并分析了汽車(chē)表面壓力分布及速度流場(chǎng)分布，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)影響空氣阻力系數(shù)的汽車(chē)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2　CFD計(jì)算分析理論基礎(chǔ)

控制所有流體流動(dòng)的基本定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（又稱(chēng)納維爾-斯托克斯方程）和能量方程，它們聯(lián)立得到的納維爾-斯托克斯方程組（NS方程組）是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律，現(xiàn)代工程中應(yīng)用最廣泛的是雷諾時(shí)均N-S方程?；谒芯科?chē)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，可以認(rèn)為汽車(chē)流場(chǎng)為三維、定常、等溫、不可壓粘性湍流流動(dòng)，其質(zhì)量與動(dòng)量守恒控制方程為不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程［7～9］。

3　計(jì)算模型建立

3.1幾何模型

對(duì)該車(chē)的車(chē)體表面及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，去除了一些基本不影響氣流流動(dòng)的細(xì)小管路、螺栓等小部件，保留了機(jī)艙及底盤(pán)的全部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了能夠保證流體網(wǎng)格的質(zhì)量，將部分零件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，此過(guò)程在前處理軟件Hypermesh中進(jìn)行。車(chē)體幾何模型如圖1所示。

圖1　車(chē)體幾何模型

在Hypermesh中完成幾何處理、面網(wǎng)格劃分后，將幾何模型導(dǎo)入STAR-CCM+中完成包面、面網(wǎng)格優(yōu)化及體網(wǎng)格的劃分。在車(chē)體表面的不同區(qū)域采用了不同的網(wǎng)格尺寸，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行不同程度的細(xì)化，設(shè)置了多個(gè)局部加密區(qū)后劃分成約1 500萬(wàn)Trim體網(wǎng)格。建立的計(jì)算域如圖2所示。圖2中，L為車(chē)長(zhǎng)，其進(jìn)口距車(chē)身前端為3L。

圖2　計(jì)算域

3.2邊界條件設(shè)定

本文采用Realizable K-E湍流模型設(shè)置邊界條件，計(jì)算域的壁面參數(shù)采用STAR-CCM+推薦的Two-Layer All y+Wall Treatment設(shè)置。設(shè)定計(jì)算域整車(chē)前面為速度入口，速度為28 m/s，計(jì)算域出口為壓力出口邊界，其它為固壁。冷凝器、散熱器采用多孔介質(zhì)模型，冷卻風(fēng)扇不旋轉(zhuǎn)。

4　風(fēng)阻分析及優(yōu)化

4.1整車(chē)原狀態(tài)分析

通過(guò)車(chē)體表面壓力分布圖來(lái)分析車(chē)體表面壓力，通過(guò)總壓力P=0時(shí)的等值面圖來(lái)分析整車(chē)空氣流動(dòng)的分離情況。圖3為該車(chē)車(chē)體表面壓力分布云圖，由圖3可看出，汽車(chē)前擋、前格柵及后視鏡等處存在高壓區(qū)，尤其是擋泥板和懸架部分，這將不利于風(fēng)阻的降低。針對(duì)此問(wèn)題，可以在車(chē)底增加下護(hù)板或擾流板等附件來(lái)梳理底盤(pán)氣流，減少氣流對(duì)底盤(pán)件的沖擊，以降低風(fēng)阻。圖4為總壓力P=0時(shí)的等值面圖，由圖4可看出，在A柱、后視鏡、輪胎、車(chē)體尾部等處氣流分離現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生渦流，影響了氣流的平順性，這將導(dǎo)致較大的氣動(dòng)阻力。

4.2優(yōu)化方案

為優(yōu)化該車(chē)氣動(dòng)阻力性能，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期進(jìn)行了大量的CFD優(yōu)化計(jì)算，對(duì)該車(chē)提出了多種氣動(dòng)性能優(yōu)化方案，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)方案進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整后優(yōu)化方案如圖5所示。

圖3　車(chē)體表面壓力分布云圖

圖4　總壓力P=0時(shí)的等值面圖

圖5　優(yōu)化方案

為選取最優(yōu)方案組合進(jìn)行了風(fēng)阻優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算過(guò)程為：首先對(duì)基礎(chǔ)模型（風(fēng)阻優(yōu)化前整車(chē)原狀態(tài)）的風(fēng)阻進(jìn)行計(jì)算，然后采用方案疊加的方法逐步增加優(yōu)化方案。如果優(yōu)化方案無(wú)效則去除，再進(jìn)行下一個(gè)優(yōu)化方案的疊加計(jì)算，最終得出全部?jī)?yōu)化方案組合的整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)，如表1所列，表1中，風(fēng)阻系數(shù)減小值是指各優(yōu)化方案風(fēng)阻系數(shù)與幾種優(yōu)化方案組合后風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比所得值。

表1　優(yōu)化方案組合的風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表1可知，5號(hào)方案經(jīng)計(jì)算得出的風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)于基礎(chǔ)模型減小值為0.035，其降風(fēng)阻效果沒(méi)有4號(hào)方案好，5號(hào)方案與4號(hào)方案的計(jì)算模型區(qū)別在于增加了方案e。由此可知，方案e不利于風(fēng)阻系數(shù)降低，方案e增加前端封裝板是為了方便安裝方案a前唇，如果能在其它部件上找到安裝點(diǎn)安裝前唇，可取消前端封裝板這個(gè)方案。

為分析各優(yōu)化方案的風(fēng)阻優(yōu)化過(guò)程，通過(guò)STARCCM+軟件后處理工具提取了整車(chē)壓力分布圖、空氣流動(dòng)速度分布圖及流線圖。圖6～圖8分別為優(yōu)化前（基礎(chǔ)模型）、后底盤(pán)表面壓力分布、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件表面壓力分布及中截面上氣流速度分布對(duì)比結(jié)果。

圖6　優(yōu)化前、后底盤(pán)表面壓力分布對(duì)比

由圖6可看出，增加輪胎導(dǎo)流板和前唇后，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣流明顯減少，使得艙內(nèi)部件的表面壓力降低，同時(shí)后輪輪胎的壓力也有所減小，有利于降低風(fēng)阻。由圖7可看出，增加冷卻部件上、下密封后，通過(guò)冷卻部件風(fēng)量變大，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻及空調(diào)性能的提高，同時(shí)艙內(nèi)壓力明顯減小，也有利于降低風(fēng)阻。

圖7　優(yōu)化前、后發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件表面壓力分布對(duì)比

圖8　中截面上氣流速度分布對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)對(duì)整車(chē)風(fēng)阻的貢獻(xiàn)約為6%～10%［10］，通過(guò)合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣格柵和冷卻系統(tǒng)擋風(fēng)板，能夠在保證散熱器和冷凝器進(jìn)風(fēng)量不變的前提下有效降低風(fēng)阻。因整車(chē)風(fēng)阻值和冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量都隨格柵進(jìn)風(fēng)面積的減小而減小，所以采取了封堵部分前格柵及增加冷卻模塊擋板的措施，減小了前格柵進(jìn)風(fēng)面積，同時(shí)減小了流進(jìn)艙內(nèi)的氣流（圖8），進(jìn)而降低了空氣阻力。

圖9為優(yōu)化前、后總壓力P=0時(shí)的等值面對(duì)比圖，此等值面反映的是氣流分離的位置。圖10為優(yōu)化前、后車(chē)體表面流線圖對(duì)比。由圖9和圖10可看出，優(yōu)化前，由于氣體粘性的存在，氣流在流經(jīng)車(chē)底不平整區(qū)域時(shí)產(chǎn)生不同程度的分離，且流經(jīng)汽車(chē)尾部時(shí)由于壓力差的存在不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是產(chǎn)生空氣阻力的主要原因。為此采取了方案a、方案d、方案e的減阻原理，以盡量避免氣流直接沖擊到車(chē)底的不平整區(qū)域，進(jìn)而降低風(fēng)阻。增加前唇、前輪導(dǎo)流板及前端封裝板后，車(chē)體底部零部件處的氣流速度有所減小，并且高速氣流在前唇處提前分離，氣流平順通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙下部，并且高速氣流與前唇分離后繼續(xù)向下流動(dòng)，遠(yuǎn)離車(chē)底部件，對(duì)車(chē)底部凸起部件的沖擊明顯減弱，減小了車(chē)體底部零部件的表面壓力，進(jìn)而減小了風(fēng)阻。

圖9　總壓P=0時(shí)的等值面圖對(duì)比

圖10　車(chē)體表面流線圖對(duì)比

5　風(fēng)洞試驗(yàn)

為評(píng)估實(shí)施優(yōu)化方案后整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在上海同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞中心進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。

在風(fēng)洞試驗(yàn)前，先將風(fēng)阻優(yōu)化方案樣件如前輪擋板、前端封裝板、前唇及冷卻部件擋板安裝在基礎(chǔ)車(chē)型上，同時(shí)對(duì)前格柵用膠帶進(jìn)行部分密封，如圖11所示。風(fēng)洞試驗(yàn)最先測(cè)出的為各優(yōu)化方案組合后的風(fēng)阻系數(shù)，然后再測(cè)出單個(gè)優(yōu)化方案對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)量，最后測(cè)出基礎(chǔ)車(chē)型的風(fēng)阻系數(shù)。

圖11　風(fēng)洞試驗(yàn)樣車(chē)優(yōu)化部件安裝示意

風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)風(fēng)阻系數(shù)與CFD計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

圖12　實(shí)測(cè)風(fēng)阻系數(shù)與CFD計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比結(jié)果

由圖12可看出，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得出的優(yōu)化后樣車(chē)實(shí)測(cè)風(fēng)阻系數(shù)比樣車(chē)原狀態(tài)實(shí)測(cè)值降低了0.021，風(fēng)阻系數(shù)降低約6%。

表2為單個(gè)優(yōu)化方案對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)量對(duì)比結(jié)果。

表2　單個(gè)優(yōu)化方案對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)量

由表2可知，單個(gè)優(yōu)化方案減阻百分比的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果基本一致。

通過(guò)整車(chē)風(fēng)阻CFD仿真計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比可知，風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差在5%以?xún)?nèi)，表明整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真精度較高。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用CFD方法對(duì)某轎車(chē)外流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)優(yōu)化方案降低了整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)，得到如下結(jié)論：

a.封堵部分格柵、減小進(jìn)風(fēng)格柵開(kāi)口面積、增加冷卻模塊擋板能夠降低風(fēng)阻，同時(shí)增加冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量。但是格柵過(guò)多封堵，會(huì)影響整車(chē)熱管理性能，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)艙零部件局部高溫等，因此在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，格柵的封堵大小需要綜合考慮整車(chē)熱管理性能。

b.增加前唇可降低風(fēng)阻約3.5%，在前唇方便安裝的情況下可取消前端封裝板。

c.對(duì)前輪胎導(dǎo)流板進(jìn)行加寬加長(zhǎng)可降低風(fēng)阻約1.3%，說(shuō)明輪胎擾流能夠有效減少氣流對(duì)輪胎的沖擊，改善輪胎處的高壓區(qū)，其高度和安裝位置有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

d.對(duì)比CFD計(jì)算值和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，基礎(chǔ)樣車(chē)與優(yōu)化后樣車(chē)風(fēng)阻系數(shù)誤差在5%以?xún)?nèi)，且單個(gè)優(yōu)化方案減阻百分比的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相當(dāng)，具有相同的一致性，表明基于STAR-CCM+的整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真精度較高。

1谷正氣.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué).北京：人民交通出版社，2005.

2吳軍.汽車(chē)外流場(chǎng)湍流模型與新概念車(chē)氣動(dòng)特性的研究：［學(xué)位論文］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005.

3王俊，龔旭，李義林，等.CFD技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.汽車(chē)技術(shù)，2013（4）：14～17.

4肖能，王小碧，王偉民，等.前擾流板對(duì)機(jī)艙進(jìn)氣量和車(chē)輛氣動(dòng)阻力的影響研究.汽車(chē)工程，2014，36（10）：1254～1257.

5Sun S，Chang Y，F(xiàn)u Q，et al.Aerodynamic Shape Optimization of an SUV in early Development Stage using a Response Surface Method.SAE Technical Paper 2014-01-2445.

6Taeyoung Han，Shailendra Kaushik，Ronald Gin，Emmanuel Bot.Adjoint Method for Aerodynamic Shape Improvement. SAE Technical Paper2012-01-0167.

7王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

8傅立敏.汽車(chē)設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

9張英朝.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù).北京：北京大學(xué)出版社，2011.

10Kremheller A.The Aerodynamics Development of the New Nissan Qashqai.SAE Technical Paper2014-01-0572.修改稿收到日期為2016年7月12日。

（責(zé)任編輯文楫）

A Car Drag Reduction Optimization Research Based on STAR-CCM+

Li Lin，Lin Qiang，Chen Jianchao，Dong Mingming，Wu Di
（Changan Auto R&D Center，Changan Automobile Co.，Ltd，Chongqing 401120）

Vehicle aerodynamic simulation analysis was made to one car from Changan Auto using software STARCCM+.The key parts that affected drag coefficient were identified through simulative analysis，and the intake grille，front lip，tire baffle，cooling module baffle and the front-end enclosure were optimized，which had obvious effect reducing air drag.Test results showed that the simulation result agreed well with test results，proving validity and feasibility of vehicle aerodynamic simulative analysis.

Passenger car,Drag coefficient,Aerodynamic Simulation,Optimization

U461.1

A

1000-3703（2016）09-0004-04