某車型空氣動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

齊凱

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某車型空氣動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

齊凱

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章根據(jù)整車廠開發(fā)項(xiàng)目過程中，對整車空氣動力學(xué)性能進(jìn)行仿真優(yōu)化。針對造型面的空氣動力學(xué)優(yōu)化的貢獻(xiàn)最大，其次是空氣動力學(xué)套件。其中，散熱器導(dǎo)風(fēng)板不但降低了整車空氣阻力，而且增加了散熱系統(tǒng)的進(jìn)氣量，整車的動力性經(jīng)濟(jì)性得到提升。整車廠在新產(chǎn)品研發(fā)過程中，將高度重視CFD仿真的性能優(yōu)化工作，最大程度為項(xiàng)目降低開發(fā)成本，提高整車性能。

空氣動力學(xué)；仿真優(yōu)化；空氣阻力；整車性能

前言

隨著油耗法規(guī)的加嚴(yán)，各個(gè)主機(jī)廠紛紛投入大量的資源和精力發(fā)展降低油耗技術(shù)。面臨既要滿足生產(chǎn)成本，又要性能達(dá)標(biāo)這雙重壓力，使得主機(jī)廠各顯神通，大力發(fā)展發(fā)動機(jī)技術(shù)、電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、車輛輕量化技術(shù)等等?？諝鈩恿W(xué)性能是汽車最重要參數(shù)之一，它對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性起著重要作用。研究表明當(dāng)空氣動力學(xué)性能提升10%，百公里耗油降低0.5升，大大降低了整車的油耗。致使各大汽車廠高度重視空氣動力學(xué)性能開發(fā)，建立高性能仿真平臺，提高空氣動力學(xué)計(jì)算精度，并耗費(fèi)大量精力進(jìn)行空氣動力學(xué)方案可行性研究工作，目的要把整車空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)到極致，最大限度提升產(chǎn)品競爭力。本文考慮到了空氣動力學(xué)性能的重要性，闡述了對空氣動力學(xué)性能開發(fā)，特此進(jìn)行了整車空氣動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 物理模型

1.1 物流湍流模型

汽車的外流場氣動特性模型采用定常、等溫、不可壓縮流體、湍流模型來計(jì)算整車的三維空氣動力學(xué)流場。本論文采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-模型。其模型主要求解湍流動能k方程和湍流耗散率輸運(yùn)方程。標(biāo)準(zhǔn)的k-模型的方程如下：

湍流動能方程k方程：

耗散方程為：

其中：1ε、2ε、3ε、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為1.44、1.92和0.09；

kσ為湍動能k和耗散率對應(yīng)的Prandt1數(shù)，k=1.0，σ=1.3；

k、S為用戶定義源項(xiàng)，可根據(jù)不同情況而定；

μ為湍流渦粘系數(shù)；G為由于浮力而引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

G為由于速度梯度引起的應(yīng)力源項(xiàng)；Y為可壓湍流中脈動擴(kuò)張項(xiàng)。

1.2 邊界條件

根據(jù)仿真分析經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)風(fēng)洞邊界條件。空氣動力學(xué)的邊界條件如表1所示。

表1 仿真邊界條件設(shè)置

為了減少仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量，散熱器、冷凝器和中冷器芯體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用多孔介質(zhì)進(jìn)行簡化處理，通過散熱系統(tǒng)各自的速度與壓力損失試驗(yàn)曲線可以得到速度與壓降的關(guān)系曲線，進(jìn)而得到粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，間接反映散熱單體的物理特性。其散熱曲線如圖1所示。

2 模型建立及方案確定

2.1 幾何模型設(shè)計(jì)分析

為了提升仿真結(jié)果的計(jì)算精度，建立1:1仿真模型，建立詳細(xì)的模型信息，除小于5mm的管路外，對后視鏡、雨刮、底盤、格柵、門把手等零部件進(jìn)行細(xì)化處理，目的是為了提升整車空氣動力學(xué)計(jì)算精度。建立的整車空氣動力學(xué)仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車空氣動力學(xué)仿真模型

2.2 造型優(yōu)化方案

圖3 優(yōu)化前后造型面對比（正斜視圖）

圖4 前端局部放大圖

圖5 優(yōu)化前后造型面對比（后斜視圖）

圖6 尾部局部放大

造型的變化對整車風(fēng)阻優(yōu)化影響較大，最經(jīng)濟(jì)、最合理的優(yōu)化空氣動力學(xué)性能就是對造型面的優(yōu)化。但是造型面的優(yōu)化要考慮造型設(shè)計(jì)工程的可行性及美學(xué)效果，只有即滿足造型美學(xué)又滿足工程學(xué)的雙重要求時(shí)，才能進(jìn)行造型面的優(yōu)化。本論文根據(jù)B面造型面進(jìn)行造型優(yōu)化方案制定。最后形成的兩版造型面對比，如圖3、4、5、6所示。整車前端造型主要變更地為前臉前端向下，前風(fēng)擋與發(fā)動機(jī)艙蓋的角度較少，這樣的設(shè)計(jì)在一定程度上，使得通過汽車前端的氣流能較為平順的通過，這對降低風(fēng)阻有益。整車尾部向后凸出，從整體趨勢上看，增加了整車的長度，同時(shí)適當(dāng)增加了后風(fēng)擋玻璃與行李箱之間的角度。由于整車前端和尾部的適當(dāng)調(diào)整，四門略有調(diào)整，但變化量不大。除了造型方面的改動外，增加了前輪導(dǎo)風(fēng)板和發(fā)動機(jī)艙散熱器器導(dǎo)風(fēng)板，如圖7所示。散熱器的導(dǎo)風(fēng)板不但起到增加散熱系統(tǒng)進(jìn)氣量的目標(biāo)，而且在一定程度上起到改善發(fā)艙內(nèi)流場的作用，對發(fā)艙熱管理和空氣動力學(xué)性能都有好處。因?yàn)樾D(zhuǎn)件的流場相對復(fù)雜，通過增加前輪導(dǎo)風(fēng)板可以減少氣流對旋轉(zhuǎn)車輪的沖擊，起到平順車輪附近流場的作用。

圖7 額外增加的優(yōu)化方案

3 結(jié)果分析

整車的風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算曲線，如圖8所示。當(dāng)整個(gè)計(jì)算的載荷步大約為1400步時(shí)，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定。為了進(jìn)一步提高計(jì)算穩(wěn)定性，在相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再運(yùn)行1000載荷步，使得計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。

圖8 整車風(fēng)阻系數(shù)迭代曲線圖

整車空氣動力學(xué)計(jì)算結(jié)果，如表1所示。優(yōu)化后的風(fēng)阻系數(shù)為0.291，降低了34counts。主要造型優(yōu)化貢獻(xiàn)了20counts，前輪導(dǎo)流板貢獻(xiàn)了5counts，散熱器導(dǎo)風(fēng)板貢獻(xiàn)了9counts?？梢姡煨蛢?yōu)化為空氣動力學(xué)優(yōu)化的主要手段。前期設(shè)計(jì)過程中，通過合理設(shè)計(jì)具備優(yōu)秀空氣動力學(xué)性能的造型，對整車的開發(fā)周期、整車動力性經(jīng)濟(jì)性能、整車的操控穩(wěn)定性都有巨大的貢獻(xiàn)。對于主機(jī)廠來說，不用增加成本，直接見功效，在日益競爭激烈的市場大環(huán)境下，是非常必要的。通過增加散熱系統(tǒng)的前端導(dǎo)流板，散熱系統(tǒng)的進(jìn)氣量明顯增加，如表2所示，散熱器的進(jìn)氣量增加有助于發(fā)動機(jī)的熱效率，進(jìn)而增加發(fā)動機(jī)的動力性經(jīng)濟(jì)性；冷凝器進(jìn)氣量增加，有助于減少空調(diào)的工作負(fù)荷，節(jié)能環(huán)保；中冷器的進(jìn)風(fēng)量增加，帶有了大量的余熱，整車的做功效率明顯提升?？梢姡黾由崞鲗?dǎo)風(fēng)板是非常必要的優(yōu)化手段。

表1 整車空氣動力學(xué)性能表

表2 高速工況機(jī)艙進(jìn)風(fēng)量表

整車的壓力系數(shù)分布和整車壓力分布云圖所表達(dá)的含義是一致的，都是展示了整車的壓力分布特點(diǎn)。圖9為整車壓力系數(shù)分布云圖，從圖中可以得知，整車的前臉壓力較大，牌照板附近的區(qū)域?yàn)楦邏簠^(qū)，在后視鏡殼體的凸起位置存在明顯的高壓區(qū)，此處的流場變化較為強(qiáng)烈，適當(dāng)?shù)膬?yōu)化此處流場可以顯著提升空氣動力學(xué)及風(fēng)噪聲性能。

圖9 整車壓力系數(shù)分布云圖

車輪附近的壓力系數(shù)分布，如圖10所示。從原模型的仿真結(jié)果可以看出，旋轉(zhuǎn)車輪的迎風(fēng)面所受較大的風(fēng)載荷沖擊。相比非旋轉(zhuǎn)零部件的流場，旋轉(zhuǎn)零部件的流場更加復(fù)雜，而且影響風(fēng)阻系數(shù)較為明顯。暴露在流場的旋轉(zhuǎn)區(qū)域越大，風(fēng)阻就越大。通過增加前輪導(dǎo)風(fēng)板，可以有效的減少車輪迎風(fēng)面的壓力區(qū)域。旋轉(zhuǎn)車輪暴露在流場內(nèi)的區(qū)域減少，在一定程度上，起到降低整車風(fēng)阻的目的。

圖10 車輪附近壓力系數(shù)分布云圖

整車背部壓力越大，整車前后壓差越小，進(jìn)而阻力越小。對比兩版整車背部壓力云圖，優(yōu)化后的結(jié)果在圖中標(biāo)出區(qū)域好于原模型。

兩版數(shù)據(jù)在Y=0對稱面速度云圖分布狀態(tài)相近，優(yōu)化后的尾部低速區(qū)域范圍略小。這對整車的空氣動力學(xué)性能有好處，另外由于氣流速度增加，氣流在車尾部停留的時(shí)間減少，對降低尾部污染物有利，如圖12所示。

圖12 Y=0對稱面速度云圖

圖13 ISO面的速度分布云圖（側(cè)視圖）

原模型 優(yōu)化后

通過圖13，14，觀察ISO面（Total Pressure=0氣流分離面）速度分布情況，發(fā)現(xiàn)由于增加前輪導(dǎo)流板，汽車前輪附近的ISO等壓面抬高，包含了整個(gè)前輪；經(jīng)過后輪后的等壓面明顯減小，尾部氣流由于削弱了后輪雜亂流場的影響，尾部的速度低速區(qū)遠(yuǎn)離車體，其氣流分布趨于合理，優(yōu)化后的結(jié)果在圖中標(biāo)出區(qū)域好于原模型，尾渦明顯偏小。造型的優(yōu)化和空氣動力學(xué)套件的整體組合優(yōu)化結(jié)果，使得整車的流場分布發(fā)生變化。

4 結(jié)論

通過開發(fā)車型的仿真優(yōu)化分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過造型優(yōu)化，整車風(fēng)阻降低20counts，效果明顯。

（2）增加散熱系統(tǒng)導(dǎo)風(fēng)板，整車的空氣動力學(xué)性能提升，風(fēng)阻系數(shù)降低9counts，同時(shí)，散熱系統(tǒng)的效率提升，進(jìn)而提升了整車動力性經(jīng)濟(jì)性，建議此空氣動力學(xué)套件進(jìn)行平臺化。

（3）通過仿真分析，可以分析較為詳細(xì)的速度流場、壓力場，規(guī)避了空氣動力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)的弊端。

（4）通過仿真分析，可以提升整車的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，值得整車廠大力發(fā)展。

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Study on aerodynamic performance optimization design of a certain vehicle model

Qi Kai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

According to the development of the vehicle, the aerodynamic performance of the vehicle is simulated and optimized. The most important contribution to aerodynamic optimization is the aerodynamic styling. Among them, the radiator air guide plate not only reduces the air resistance of the vehicle, but also increases the intake volume of the heat dissipation system, and the dynamic economy of the vehicle is improved. In the process of developing new products, the vehicle factory will attach great importance to the performance optimization of CFD simulation, and minimize the development cost of the project and improve the performance of the vehicle.

Aerodynamics; Simulation optimization; Air resistance; Vehicle performance

A

1671-7988(2019)03-85-04

U464

A

1671-7988(2019)03-85-04

U464

齊凱，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.025