某SUV空氣動力學(xué)性能開發(fā)

楊靜

摘 要：文章對某SUV空氣動力學(xué)性能開發(fā)過程進行了闡述。通過前期調(diào)研，當(dāng)前傳統(tǒng)燃油SUV車型優(yōu)秀的風(fēng)阻系數(shù)水平為0.33上下，為使開發(fā)車型的氣動性能達(dá)到先進水平，結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)成本，確定整車風(fēng)阻系數(shù)目標(biāo)值為0.34，該目標(biāo)值屬于同級車型中的較高水平。為保證最終實車風(fēng)阻系數(shù)水平達(dá)標(biāo)，空氣動力學(xué)開發(fā)工作貫穿于車型設(shè)計的每個階段。重點在造型階段和產(chǎn)品開發(fā)階段，通過仿真分析和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，對該車型進行降阻開發(fā)，最終使風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化達(dá)成預(yù)期目標(biāo)并在同級別車型中處于較優(yōu)水平。

關(guān)鍵詞：star-ccm+;空氣動力學(xué);風(fēng)洞試驗;SUV

中圖分類號：U467 ?文獻標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-109-04

Abstract： In this paper， the development process of aerodynamic performance of a SUV is described. Through the preliminary investigation， the excellent drag coefficient level of the current traditional fuel SUV is about 0.33. In order to make the aerodynamic performance of the development model reach the advanced level， combined with the target cost of product development， the target value of the drag coefficient of the whole vehicle is determined to be 0.34， which belongs to the higher level of the same type of vehicles. In order to ensure that the final drag coefficient of the real vehicle reaches the standard， the aerodynamic development work runs through each stage of vehicle design. In the modeling stage and product development stage， the drag reduction development of the vehicle is carried out by combining simulation analysis and wind tunnel test. Finally， the drag coefficient optimization achieves the expected goal and is in a better level in the same class of vehicles.

Keywords： Star-ccm+; Aerodynamics; Wind tunnel; SUV

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-109-04

前言

近年來自主品牌汽車取得的了長足的進步，市場份額持續(xù)提升，主要是借助于 SUV 熱銷的東風(fēng)，自2014年以來，消費者對于 SUV 的需求呈爆發(fā)式增長。在此背景下，越來越多的車企都開始加大 SUV 車型研發(fā)的投入。精品小型 SUV 作為入門級車型產(chǎn)品，價格門檻低功能性強，受到很多年輕消費者的青睞。小型 SUV 車長較短，前后懸長度不大，從空氣動力學(xué)的角度來看并不具有較好的風(fēng)阻系數(shù)[1]。

圖1我們對市場同級別車型的風(fēng)阻系數(shù)進行了調(diào)研，大部分車型的風(fēng)阻系數(shù)在0.35以上，最低的車型風(fēng)阻系數(shù)為0.33，該車型主要配備主動進氣格柵及底部平整度較高。本文開發(fā)的小型SUV車型，由于成本原因項目之初就明確不配備主動格柵，最終我們的風(fēng)阻系數(shù)開發(fā)目標(biāo)設(shè)定為0.34。

1 開發(fā)流程

項目開發(fā)之初，根據(jù)產(chǎn)品定位、尺寸信息及布置可行性分析，結(jié)合調(diào)研競品標(biāo)桿數(shù)據(jù)，確認(rèn)風(fēng)阻系數(shù)開發(fā)目標(biāo)，并對整車開發(fā)目標(biāo)進行分解。通常整車目標(biāo)按照造型、底盤、內(nèi)艙阻力來分解，并對分解目標(biāo)制定優(yōu)化策略。針對造型通常是控制氣流的分離，減小車頭的正壓及提升尾部壓力。底盤布置初期即考慮平整化，便于添加一體式護板。機艙主要考慮冷卻模塊密封，減少泄漏提升冷卻效率。發(fā)動機下護板采用整體密封，并考慮有效出氣孔，用于考慮機艙內(nèi)的熱害問題。機艙內(nèi)的部件增加必要的導(dǎo)流板，用于特殊部件的導(dǎo)流優(yōu)化。

在造型早期，由于沒有機艙和底盤數(shù)據(jù)，主要采用將格柵封閉和底盤封平的方式進行模擬，以評估造型的風(fēng)阻水平，模型示意如圖2所示。此階段在一些關(guān)鍵部位評估須謹(jǐn)慎，特別是尾部要考慮后期增加實際底盤帶來的影響。在產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)階段，整車降阻工作主要集中在機艙和底盤，在整車幾何建模中，造型上格柵為打開狀態(tài)，保留機艙和底盤的主要特征，整車建模如圖3所示。

在產(chǎn)品數(shù)據(jù)開發(fā)的中后期，外造型A面凍結(jié)前，利用MULE車進行整車油泥模型的制作，用以保障實物達(dá)標(biāo)，風(fēng)洞油泥模型如圖4所示。通常開發(fā)時MULE車試制節(jié)點不滿足，可利用同類平臺底盤進行改制。此階段制作的模型需要與CFD模型一致，便于后期開展對標(biāo)工作。同時CFD的優(yōu)化驗證方案，需要在模型設(shè)計制作時同時考慮，便于在風(fēng)洞中折裝。必要時還要對造型優(yōu)化的方案進行掃描，輸出給工程部門設(shè)計。項目開發(fā)的后期，利于P0階段的工程樣車進行空氣動力學(xué)性能驗證及底盤細(xì)節(jié)方案確認(rèn)，確保實物達(dá)成目標(biāo)。

2 造型開發(fā)階段

在造型早期，通過對造型外流場的分析，找出以下不利于風(fēng)阻優(yōu)化的部位，包括霧燈、A柱、后擾流板、后保等。經(jīng)過多輪造型優(yōu)化后，如圖5所示造型CAS面的風(fēng)阻系數(shù)由最初的0.322降低至0.296。

如圖6所示，優(yōu)化前，初始的霧燈造型在霧燈邊緣處有較大的氣流分離，由于氣流在此處已提前分離，導(dǎo)致該處局部阻力增大，且影響到車身兩側(cè)整體氣流的流動，不利于氣流緊貼車身進行流動，優(yōu)化后，可看到霧燈處的氣流分離明顯減小。

在圖7中，優(yōu)化前，當(dāng)氣流經(jīng)過A柱后，在側(cè)窗上部形成較為復(fù)雜混亂的渦流，而這種流動狀態(tài)不是有利于降阻的理想流動。優(yōu)化后，流經(jīng)A柱的氣流得到很好的導(dǎo)流，避免了復(fù)雜渦流的產(chǎn)生。

汽車尾部的氣流流動狀態(tài)十分復(fù)雜，也是決定整車風(fēng)阻系數(shù)水平的重要部位，在圖8中，優(yōu)化前，汽車尾部氣流上下渦流分布不均，下部高速氣流區(qū)域較小，對上部氣體渦流的抵消作用較弱。優(yōu)化后，可明顯看出尾部下方的高速氣流區(qū)域面積增大，可有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)。

在圖9中，優(yōu)化前，汽車后保處存在一定的負(fù)壓區(qū)域，氣流流經(jīng)該處后，不能快速從尾部處分離，導(dǎo)致帶較多渦流的氣流進入尾部，增大整車的氣動阻力。優(yōu)化后，可看到在后保處的負(fù)壓區(qū)域明顯減小，有利于氣流在該處提前分離，避免較多流動狀態(tài)復(fù)雜的氣流進入汽車尾部。

3 整車開發(fā)階段

3.1 整車CFD分析

在整車仿真階段，通過對整車外流場的分析，優(yōu)化方案主要集中在底盤，包括增加前后輪阻風(fēng)板和機艙底盤護板。經(jīng)過多輪仿真優(yōu)化后，整車風(fēng)阻系數(shù)降為0.332。

針對底盤設(shè)計的四種方案，主要是中部和尾部的遮蔽面積和護板自身形狀略有不同，在以上四種方案中，方案二護板遮蔽面積最大且自身形狀較為平整，可引導(dǎo)氣流緊貼車身底部進行流動，為四套方案中降阻效果最佳的方案。在最終版數(shù)據(jù)中，采用的為方案一的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，且去掉尾部護板，方案效果同樣降阻明顯。

如圖11所示，將底盤護板優(yōu)化改型后，尾部高速氣流有明顯上揚趨勢，對尾部上方的氣流具有一定抵消作用，使尾部上下兩個渦流盡量對稱[2]，降低了整車氣動阻力。

在整車前后輪阻風(fēng)板的優(yōu)化過程中，通過對阻風(fēng)板的寬度、高度和形狀進行組合優(yōu)化。從圖12可看出，優(yōu)化后的前輪阻風(fēng)板，前輪處氣流分離明顯減小，在車輪處的氣流未形成較大的分離渦。優(yōu)化后的后輪阻風(fēng)板，后輪表面正壓區(qū)域明顯減小，可使局部阻力減小。

3.2 整車油泥模型試驗

在整車階段仿真分析的同時，開展整車油泥模型的制作，制作過程如圖13所示。

本次風(fēng)洞試驗共進行了46輪的方案驗證，最終風(fēng)洞方案做到0.335，達(dá)成前期設(shè)定目標(biāo)，本文列舉一些典型方案的驗證說明。

針對后視鏡提前制作了兩種安裝樣式，分別為安裝在三角窗外上和門板上。通過風(fēng)洞試驗安裝在門板上單個后視鏡風(fēng)阻系數(shù)8.8count，而三角窗上的后視鏡有12.7count，主要為三角窗外安裝的后視鏡鏡柄與鏡殼處有明顯的凹槽，造成氣流阻滯。通過風(fēng)洞對油泥優(yōu)化，兩種形式的后視鏡均有不同程度的下降。

前期通過仿真分析，尾翼兩側(cè)氣流分離點不穩(wěn)定，使尾渦區(qū)增加。通過增加兩側(cè)擾流板可以使氣流快速的分離，提升尾部背壓[3]。但同時考慮項目成本，在風(fēng)洞中對不同尺寸的擾流板進行驗證，最終采用設(shè)計狀態(tài)的側(cè)尾翼可以下降10.1count。

如圖16所示，在風(fēng)洞使用油泥，對尾燈側(cè)面輪廓添加分離棱，使通過此處的氣流能夠干凈的分離，最終試驗下降了1.2count，與CFD分析結(jié)論基本一致。

前后輪擾流板通過對比風(fēng)洞試驗，仿真分析存在較大的誤差。前期通過CFD分析得到的最優(yōu)尺寸，在風(fēng)洞試驗卻效果并不理想，通過風(fēng)洞試驗優(yōu)化，前輪擾流板達(dá)到降阻12.5count。分析原因主要是因為，旋轉(zhuǎn)輪胎仿真采用旋轉(zhuǎn)壁面和旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的方法來近似模擬車輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，與真實的狀態(tài)存在較大差異[4]，且實際旋轉(zhuǎn)輪胎周期的氣流流動較為復(fù)雜。

4 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化霧燈、A柱、尾翼、后保、后視鏡等區(qū)域，可有效提升造型的空氣動力學(xué)水平，同時需要考慮造型美學(xué)及項目成本。

（2）整車仿真分析階段，由于復(fù)雜底盤與旋轉(zhuǎn)輪胎帶來的影響，優(yōu)化方案效果需要謹(jǐn)慎評估，特別像輪胎擾流板等，建議在風(fēng)洞中實測選型。

參考文獻

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