汽車底部護板對風阻系數(shù)的影響研究

陳魁　劉小杰　陳雷

摘 要：隨著綠色節(jié)能思想的深入，作為汽車重要性能之一的整車空氣動力性越來越受到各汽車廠家的重視，而風阻系數(shù)又是影響整車空氣動力性的重要因素。本文以某具體車型為例，借助計算流體動力學（CFD）仿真手段過對汽車底部空氣流場進行分析，研究汽車底部下護板、擾流板等結構對風阻系數(shù)的影響，并對方案進行評估，為汽車底部護板類結構設計提供依據(jù)。

關鍵詞：汽車；空氣動力性；風阻系數(shù)；CFD；護板；擾流板

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0040-04

Abstract： With the development of the idea of energy saving， as one of the important properties of the car vehicle aerodynamic more and more by the attention of automobile manufacturers， and the drag coefficient is an important factor in the impact on vehicle aerodynamic. In this paper， a specific models， for example， with the aid of computational fluid dynamics （CFD） method to carry on the analysis to the car at the underbody of the air flow field， research the effect of underbody guard， spoiler structure on drag coefficient and the scheme were evaluated at the underbody guard structure provides the basis for the design.

Key Words： Vehicle； Aerodynamic performance； Drag coefficient； CFD； Guard； Spoiler

1 引言

整車空氣動力性對汽車的動力性、經(jīng)濟性和操控安全性都有直接影響。隨著綠色節(jié)能思想在我國的逐漸深入，汽車空氣動力性已成為汽車設計時所考慮的重要特性，而風阻系數(shù)是影響整車空氣動力性的重要因素之一。改善汽車的風阻系數(shù)不僅可以改善汽車的動力性，同時還可以提高燃油經(jīng)濟性等性能。本文以某車型作為實車模型，借助計算流體動力學（CFD）仿真手段對汽車底部的空氣流場進行分析，研究改善風阻系數(shù)的結構方案，并對各種方案進行評估，對比其壓力云圖、速度矢量圖、整車風阻系數(shù)等關鍵參數(shù)，為汽車底部護板類結構設計提供依據(jù)。

2 風阻系數(shù)對燃油經(jīng)濟性的影響

而根據(jù)研究表明，小型客車用于克服氣動阻力的燃油消耗量為50%左右，空氣動力性良好的轎車，其風阻系數(shù)可以達到0.3，比一般轎車的0.4下降了約25%，燃油經(jīng)濟性可改善12%左右。假設一般家用轎車按每年行駛20000公里，則每年節(jié)省燃油消耗量約為180L左右，節(jié)油成本還是比較可觀的。

3 風阻系數(shù)的改善研究

3.1 汽車底部流場分析

下面以某實際開發(fā)車型為例，研究汽車風阻系數(shù)的改善方案。

首先在汽車底部沒有安裝任何改善空氣動力性的結構時，用CFD仿真手段對某實車模型進行流場分析，得出整車的壓力云圖如圖1所示。分析圖1可以得到以下信息：

區(qū)域a為汽車發(fā)動機底部區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)壓力情況較復雜，壓力不均勻，判斷此區(qū)域存在渦流現(xiàn)象；

區(qū)域b為車輪前部區(qū)域，該區(qū)域所受氣流壓力面積較大，增加了車輪的能量耗損；

區(qū)域c為后懸架與油箱前部區(qū)域，氣流流經(jīng)該區(qū)域時對汽車底部的壓力有增加。

3.2 發(fā)動機下護板對風阻系數(shù)的影響

3.2.1 方案分析與模型建立

對圖1中a區(qū)域的壓力云圖進行分析。該區(qū)域位于汽車發(fā)動機底部，由于發(fā)動機本體形狀復雜，所以該區(qū)域平整程度較差，并且與機艙相通，流經(jīng)汽車底部的氣流容易在此區(qū)域處形成紊流，導致此區(qū)域部件所受氣流壓力情況復雜。因此考慮在此區(qū)域底部增加護板結構，該護板可以使發(fā)動機底部變得平整封閉。安裝發(fā)動機下護板后的實車模型如圖2所示：

3.2.2 壓力云圖及中截面矢量圖對比

如圖3所示，增加發(fā)動機下護板后，利用CFD仿真手段，對比安裝前后發(fā)動機底部區(qū)域壓力云圖，可以看到該區(qū)域部件所受壓力不僅變得均勻，而且還有一定程度的減小。

進一步對比安裝發(fā)動機下護板前后整車的中截面矢量圖可以看出，安裝發(fā)動機下護板后，整車的紊流現(xiàn)象也有明顯改善，汽車尾部真空區(qū)減小，同時壓差阻力小。

3.2.3 風阻系數(shù)對比

同時用軟件對發(fā)動機下護板安裝前后的風阻系數(shù)（Cd值）進行計算，得出對比結果如表1所示：

從表1可以看出，在相同迎風面積前提下，采用增加發(fā)動機下護板方案后，整車風阻系數(shù)降低了0.009，降低幅度約為2.54%。

3.3 汽車輪胎前部擾流板對風阻系數(shù)的影響

3.3.1 模型建立與壓力云圖對比

分析圖1中b區(qū)域的壓力云圖可以看到，汽車底部氣流在車輪前部形成了較大壓力區(qū)，壓力區(qū)越大則該區(qū)域紊流現(xiàn)象將會越明顯。因此考慮在輪胎前部增加擾流板結構，減小車輪前部所受氣流壓力區(qū)面積，從而改善車輪所受阻力，增加前輪擾流板后的實車模型如圖4所示：

從圖4可以看出，車輪前部增加擾流板后，氣流對車輪前部的壓力區(qū)面積明顯減小，車輪所受紊流影響也相應減小。

3.3.2 風阻系數(shù)對比

利用CFD對前輪擾流板安裝前后的風阻系數(shù)（Cd值）進行計算，得出對比結果如表2所示：

從表2可以看出，采用增加前輪擾流板方案后，整車風阻系數(shù)降低了0.010，降低幅度約為2.76%。

3.4 地板擾流板對風阻系數(shù)的影響

3.4.1 模型建立與速度矢量圖對比

分析圖1中c區(qū)域的壓力云圖可以看到，當汽車底部氣流運動到油箱和后懸架區(qū)域時，該區(qū)域內(nèi)部件所受壓力有所增加，因此考慮在此區(qū)域前增加擾流板結構，減小此區(qū)域所受氣流壓力區(qū)面積，增加地板擾流板后的實車模型如圖5所示：

從圖5可以看出，汽車增加地板擾流板結構后，油箱與地板間隙處本來存在的渦流現(xiàn)象消失。

3.4.2 風阻系數(shù)對比

利用CFD對地板擾流板安裝前后的風阻系數(shù)（Cd值）進行計算，得出對比結果如表3所示：

從表3可以看出，在相同迎風面積前提下，采用增加地板擾流板方案后，整車風阻系數(shù)降低了0.005，降低幅度約為1.43%。

4 結論

通過以上改善汽車風阻系數(shù)的方案可以看出，在汽車底部采用增加汽車發(fā)動機下護板、前輪擾流板、地板擾流板等結構后，整車風阻系數(shù)改善是較為明顯的，并得出以下幾條結論：

1）當汽車底部平整度較差時，可以增加護板類結構盡量使得底部平整封閉，可以有效減少渦流現(xiàn)象和整車的壓差阻力，從而降低風阻系數(shù)；

2）對汽車底部受氣流沖擊較大的區(qū)域如輪胎、懸架前部等，可以增加擾流板來降低此區(qū)域所受氣流壓力，減輕紊流現(xiàn)象從而降低風阻系數(shù)。

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